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【摘 要】根据场地的工程地质及水文地质条件，统计分析研究区地基的土工试验数据，来确定台背填土的沉降量，同时对桥台的沉降进行验算，二者的沉降对比分析结果表明，台背填土对桥台存在着拖曳作用，填土的水平静止土压力转化成了竖向拖曳作用力。台背填料的密度不同，所产生的拖曳作用明显不同，依据现场实测沉降资料也证明了这一规律。在类似的场地条件下，选择路堤填料时，可考虑轻质材料作为填土层。
【关键词】高速公路；桥台；拖曳作用；填土压力
Analyze highway bridge abutment filling station's dragging function
Ma Xue-hong
(Baoding Highway Engineering Quality Supervision Station Baoding Hebei 071000)
【Abstract】According to the field of engineering geology and hydrogeological conditions,statistical analysis in the study area foundation soil test data to determine the settlement of abutment fill,while the settlement of the abutment checking,comparing the two results show that the settlement Taiwan abutment backfill the existence of drag on the role of the level of filling converted into the vertical earth pressure drag force.Back of the different packing density,the drag effect produced significantly different,based on field measured settlement data also proved this law.In a similar site conditions,select the embankment fill,consider the light material as fill soil.
【Key words】Highway;Bridge abutment;Drag effect;Filling pressure
1. 前言
桥梁和填土路基是高速公路工程的重要组成部分，在公路工程中起着不可或缺的作用。因此，对于桥梁和填土路基，都应具备足够的稳定性和耐久性，尤其是在填土路基与桥台衔接段，应能承受行车的反复荷载作用和抵御各种自然因素的影响。但是，由于场地工程地质条件、填土材料及施工质量等多种因素的影响，在填土与桥台衔接处往往达不到预期的目的，桥头路基填土引起下卧土层沉降而拖曳桥台下沉，对桥台甚至桥梁上部结构不利。在公路建设项目中，类似上述因路基沉降而拖曳桥台下沉的病害情况时有发生，这些病害严重危及高速公路的安全，使其使用品质受到影响。因而对路基填土与桥台间的作用分析显得尤为重要。本文以某主线桥台为例，对台背沉降而拖曳桥台下沉的问题进行了探讨。
2. 场地工程地质及水文地质条件
桥台附近钻孔最大高差约为0.08m。属冲、洪积平原地貌。根据勘察，钻孔深度内见地下水。稳定水位埋深约17.7～18.2m，属孔隙潜水，主要受大气降水渗入补给，根据多年水位观测资料，地下水年变幅约1～2m。由此，对桥台进行分析时，可不考虑地下水的影响。桥址所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。场地内无液化土层，可不考虑地基土的液化问题。
3. 台背填土对桥台的拖曳沉降分析
3.1 原地基土的性质参数。
根据土工试验，原地基土的各层物理力学性质指标参数统计如表1所示。
各级压力下的孔隙比(e)值如表2所示。
3.2 台背填土沉降分析。
根据设计，确定桥头路堤主要参数为：路堤高度为9.874m，边坡坡度1:1.5，路堤宽度按路堤高度和路堤边坡坡度计算后确定；采用分层总和法计算地基沉降量。工后沉降基准期取15年来考虑；沉降经验修正系数取1.2。针对桥台地基的具体地质条件,并根据以上地基性质参数及路堤参数，计算桥头填土的沉降量。
该路段路堤填土主要为砂砾层，属高密度填土，其重度为23KN/m3，计算结果见表3。
不考虑路堤自身的沉降，路堤沉降量可认为就是路堤以下地基的沉降量。根据计算结果，基准期内路堤的残余沉降量为0.283m。
3.3 桥台沉降分析。
若不考虑填土的拖曳作用力，桥台地基的沉降应与其上覆荷载和自重应力有关。以下将对其沉降量进行分析。
桥台的主要参数如下：承台长31m，宽4m，厚2m，其下灌注桩桩径为1.2m，其上桩径为1.0m。经计算，最终将其转化为桥台桩基沉降。
根据桩基［1］沉降计算公式
s=ψ•ψe•s'=ψ•ψe•∑m j=1 P0j ∑ n i=1 Zijαij-Z(i-1) α(i-1) j Esi （1）
式中：s——桩基最终沉降量（mm）；
s'——按分层综合法计算出的桩基沉降量（mm）；
Ψ——桩基沉降计算经验系数；
Ψe——桩基等效沉降系数；
m——角点法计算点对应的矩形荷载分块数；
p0j——角点法计算点对应的第j块矩形底面长期效应组合的附加压力（KPa）；
n ——桩基沉降计算深度范围内所划分的土层数；
Esi——等效作用底面以下第i层土的压缩模量（MPa）；
zij、Z(i-1)j——桩端平面第j块荷载至第i层土、第i-1层底面的距离（m）；
αij、α(i-1)j——桩端平面第j块荷载计算点至第i层土、第i-1层上底面深度范围内平均附加应力系数。
通过以上公式计算得到，以砂砾为填土层的桩基沉降量为0.248m，即桥台的沉降量。这与台背填土的沉降是不同步的，而事实上台背填土与桥台是一起下沉，显然，存在着一种拖曳关系，这主要表现在填土的水平静止土压力上，这种水平压力转化成了竖向压力，拖曳着桥台下沉。
根据E=KγH2/2,可计算出静止土压力［2］，式中E为水平静止土压力；K为土的静止土压力系数，可通过经验公式K=1-sinφ′来确定，φ′为土的有效内摩擦角，该填土取为30°；γ为土的重度，取23 KN/m3；H为填土高度，为9.874m。根据坡度，竖向压力与水平压力的比值为1:1.5。从而将其作为附加荷载转换为桥台的沉降量，计算后为0.029m。桥台的总沉降量为0.277m。由此表明，台背填土与桥台的沉降基本一致，这种拖曳作用力是存在的。
计算结果说明了填土对桥台的拖曳作用，而根据观测资料和施工过程，能更直接的说明这种作用：
3.3.1 根据现场观测及分析，桥台在靠近路堤的一侧沉降量要大于远离路堤的一侧，桥台发生了不均匀沉降。其示意图如下(图1)。
图1 桥台沉降示意图
3.3.2 实际上在桥台施工前，对桥台地基采取了一定的加固处理措施，在同等条件下，其沉降量相对于台背填土要小，这更说明这种拖曳关系的存在。
3.4轻质路堤。
换填轻质路堤，用与砂砾路堤同样的计算方法，即用重度为15KN/m3的低密度粉煤灰［3］作为路堤填土层，计算结果见表4。
同样不考虑路堤自身的沉降，根据计算结果，基准期内路堤的残余沉降量为0.184m。而换填后的桥台桩基沉降量为0.224m。由此可以看出，总沉降量较砂砾填土的要小，不仅改善了路堤的过量沉降，而且有效地控制了桥台的拖曳下沉现象。而对于台背与桥台的这种沉降差异，在台背和路堤过渡带进行加固后，固结收缩提高强度的过程将其基本消除，使路堤与桥台保持平衡。
3.5 拖曳沉降病害控制分析。
在工程中，由于多种因素的影响，台背填土拖曳桥台下沉的病害时有发生。针对该区的工程实际，采用减载和在桥台与路堤过渡带进行加固的方法是可行的。
3.5.1 减载。通过换填台背填土，达到减轻荷载，减少台后土压力。采用轻质材料粉煤灰换填砂砾层。但要注意的是，在卸载时，为了防止地基回弹，避免底鼓现象发生，卸载速率不宜大于2.5m/d，台背卸载长度应以20～30m为宜。
3.5.2 桥台和路堤过渡带加固。在桥台的前缘和两侧进行地基加固处理，使其与灌注桩共同承担上覆荷载。
4. 结论
4.1 灌注桩桩身过量沉降是由于相邻台背填土静止土压力所致，同时由于台背地基过量沉降，拖曳承台下沉。
4.2 在类似工程项目中，施工前对台背填土材料进行选择时，建议采用轻质路堤材料，如粉煤灰等，作为台背路堤填土层，以控制类似病害的发生；若此类病害已发生，可将原路堤卸载，换填轻质路堤，在换填轻质路堤的同时，对承台的前缘和两侧采取必要的地基处理措施，使其与灌注桩共同承担上覆荷载。
［文章编号］1006-7619（2011）04-10-333
［作者简介］ 马学红，2010年毕业于长安大学，工作单位：保定市公路工程质量监督站。
【关键词】高速公路；桥台；拖曳作用；填土压力
Analyze highway bridge abutment filling station's dragging function
Ma Xue-hong
(Baoding Highway Engineering Quality Supervision Station Baoding Hebei 071000)
【Abstract】According to the field of engineering geology and hydrogeological conditions,statistical analysis in the study area foundation soil test data to determine the settlement of abutment fill,while the settlement of the abutment checking,comparing the two results show that the settlement Taiwan abutment backfill the existence of drag on the role of the level of filling converted into the vertical earth pressure drag force.Back of the different packing density,the drag effect produced significantly different,based on field measured settlement data also proved this law.In a similar site conditions,select the embankment fill,consider the light material as fill soil.
【Key words】Highway;Bridge abutment;Drag effect;Filling pressure
1. 前言
桥梁和填土路基是高速公路工程的重要组成部分，在公路工程中起着不可或缺的作用。因此，对于桥梁和填土路基，都应具备足够的稳定性和耐久性，尤其是在填土路基与桥台衔接段，应能承受行车的反复荷载作用和抵御各种自然因素的影响。但是，由于场地工程地质条件、填土材料及施工质量等多种因素的影响，在填土与桥台衔接处往往达不到预期的目的，桥头路基填土引起下卧土层沉降而拖曳桥台下沉，对桥台甚至桥梁上部结构不利。在公路建设项目中，类似上述因路基沉降而拖曳桥台下沉的病害情况时有发生，这些病害严重危及高速公路的安全，使其使用品质受到影响。因而对路基填土与桥台间的作用分析显得尤为重要。本文以某主线桥台为例，对台背沉降而拖曳桥台下沉的问题进行了探讨。
2. 场地工程地质及水文地质条件
桥台附近钻孔最大高差约为0.08m。属冲、洪积平原地貌。根据勘察，钻孔深度内见地下水。稳定水位埋深约17.7～18.2m，属孔隙潜水，主要受大气降水渗入补给，根据多年水位观测资料，地下水年变幅约1～2m。由此，对桥台进行分析时，可不考虑地下水的影响。桥址所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。场地内无液化土层，可不考虑地基土的液化问题。
3. 台背填土对桥台的拖曳沉降分析
3.1 原地基土的性质参数。
根据土工试验，原地基土的各层物理力学性质指标参数统计如表1所示。
各级压力下的孔隙比(e)值如表2所示。
3.2 台背填土沉降分析。
根据设计，确定桥头路堤主要参数为：路堤高度为9.874m，边坡坡度1:1.5，路堤宽度按路堤高度和路堤边坡坡度计算后确定；采用分层总和法计算地基沉降量。工后沉降基准期取15年来考虑；沉降经验修正系数取1.2。针对桥台地基的具体地质条件,并根据以上地基性质参数及路堤参数，计算桥头填土的沉降量。
该路段路堤填土主要为砂砾层，属高密度填土，其重度为23KN/m3，计算结果见表3。
不考虑路堤自身的沉降，路堤沉降量可认为就是路堤以下地基的沉降量。根据计算结果，基准期内路堤的残余沉降量为0.283m。
3.3 桥台沉降分析。
若不考虑填土的拖曳作用力，桥台地基的沉降应与其上覆荷载和自重应力有关。以下将对其沉降量进行分析。
桥台的主要参数如下：承台长31m，宽4m，厚2m，其下灌注桩桩径为1.2m，其上桩径为1.0m。经计算，最终将其转化为桥台桩基沉降。
根据桩基［1］沉降计算公式
s=ψ•ψe•s'=ψ•ψe•∑m j=1 P0j ∑ n i=1 Zijαij-Z(i-1) α(i-1) j Esi （1）
式中：s——桩基最终沉降量（mm）；
s'——按分层综合法计算出的桩基沉降量（mm）；
Ψ——桩基沉降计算经验系数；
Ψe——桩基等效沉降系数；
m——角点法计算点对应的矩形荷载分块数；
p0j——角点法计算点对应的第j块矩形底面长期效应组合的附加压力（KPa）；
n ——桩基沉降计算深度范围内所划分的土层数；
Esi——等效作用底面以下第i层土的压缩模量（MPa）；
zij、Z(i-1)j——桩端平面第j块荷载至第i层土、第i-1层底面的距离（m）；
αij、α(i-1)j——桩端平面第j块荷载计算点至第i层土、第i-1层上底面深度范围内平均附加应力系数。
通过以上公式计算得到，以砂砾为填土层的桩基沉降量为0.248m，即桥台的沉降量。这与台背填土的沉降是不同步的，而事实上台背填土与桥台是一起下沉，显然，存在着一种拖曳关系，这主要表现在填土的水平静止土压力上，这种水平压力转化成了竖向压力，拖曳着桥台下沉。
根据E=KγH2/2,可计算出静止土压力［2］，式中E为水平静止土压力；K为土的静止土压力系数，可通过经验公式K=1-sinφ′来确定，φ′为土的有效内摩擦角，该填土取为30°；γ为土的重度，取23 KN/m3；H为填土高度，为9.874m。根据坡度，竖向压力与水平压力的比值为1:1.5。从而将其作为附加荷载转换为桥台的沉降量，计算后为0.029m。桥台的总沉降量为0.277m。由此表明，台背填土与桥台的沉降基本一致，这种拖曳作用力是存在的。
计算结果说明了填土对桥台的拖曳作用，而根据观测资料和施工过程，能更直接的说明这种作用：
3.3.1 根据现场观测及分析，桥台在靠近路堤的一侧沉降量要大于远离路堤的一侧，桥台发生了不均匀沉降。其示意图如下(图1)。
图1 桥台沉降示意图
3.3.2 实际上在桥台施工前，对桥台地基采取了一定的加固处理措施，在同等条件下，其沉降量相对于台背填土要小，这更说明这种拖曳关系的存在。
3.4轻质路堤。
换填轻质路堤，用与砂砾路堤同样的计算方法，即用重度为15KN/m3的低密度粉煤灰［3］作为路堤填土层，计算结果见表4。
同样不考虑路堤自身的沉降，根据计算结果，基准期内路堤的残余沉降量为0.184m。而换填后的桥台桩基沉降量为0.224m。由此可以看出，总沉降量较砂砾填土的要小，不仅改善了路堤的过量沉降，而且有效地控制了桥台的拖曳下沉现象。而对于台背与桥台的这种沉降差异，在台背和路堤过渡带进行加固后，固结收缩提高强度的过程将其基本消除，使路堤与桥台保持平衡。
3.5 拖曳沉降病害控制分析。
在工程中，由于多种因素的影响，台背填土拖曳桥台下沉的病害时有发生。针对该区的工程实际，采用减载和在桥台与路堤过渡带进行加固的方法是可行的。
3.5.1 减载。通过换填台背填土，达到减轻荷载，减少台后土压力。采用轻质材料粉煤灰换填砂砾层。但要注意的是，在卸载时，为了防止地基回弹，避免底鼓现象发生，卸载速率不宜大于2.5m/d，台背卸载长度应以20～30m为宜。
3.5.2 桥台和路堤过渡带加固。在桥台的前缘和两侧进行地基加固处理，使其与灌注桩共同承担上覆荷载。
4. 结论
4.1 灌注桩桩身过量沉降是由于相邻台背填土静止土压力所致，同时由于台背地基过量沉降，拖曳承台下沉。
4.2 在类似工程项目中，施工前对台背填土材料进行选择时，建议采用轻质路堤材料，如粉煤灰等，作为台背路堤填土层，以控制类似病害的发生；若此类病害已发生，可将原路堤卸载，换填轻质路堤，在换填轻质路堤的同时，对承台的前缘和两侧采取必要的地基处理措施，使其与灌注桩共同承担上覆荷载。
［文章编号］1006-7619（2011）04-10-333
［作者简介］ 马学红，2010年毕业于长安大学，工作单位：保定市公路工程质量监督站。