超高填土肋板式桥台台前土压力分析

李中华， 谌 海

（1.中机中联工程有限公司，重庆 400039；2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410200）

随着我国交通行业的快速发展，桥梁建设随之增多，有时因地形或周边路网等现场条件限制，需设置超高桥台。肋板式桥台除具有结构纵向刚度大、材料用量较少[1]的优点外，桥台自身承受土压力也相对较小，被广泛应用于各级道路跨线桥。桥台作为桥梁的重要组成部分，不仅承受上部结构传递来的支反力等作用；还需承担因桥台前后填土不对称，实际施工中台前填土压实质量难以保证等造成的不平衡水平土压力。在中低填土桥台设计中因土压力不大，往往不考虑台前土压力的有利作用；而在高超填土桥台设计中土压力往往是控制设计的关键性因素，不平衡土压力使桥台及桩基产生水平位移，若水平位移过大，将危及桥梁结构安全，此时如何考虑台前土压力的有利作用对结果有较大影响。

本文以某台后填土达18.5 m的肋板式桥台为背景，采用Midas有限元分析软件建立桥台模型，对不同比例台前土压力模型的背墙位移、桩基位移、桩顶裂缝等结果进行分析，并与该桥台施工中观测位移进行对比，对高桥台台前土压力的计算提出可参考的建议。

1 工程概况

某桥梁受地形及周边路网等条件限制，桥面距现状地面高度达18.5 m。采用肋板式桥台，为改善肋板受力，承台底提高至现状地面以上2.5 m，桥台采用砂砾石回填，台前采用1∶1.5 两级放坡结合重力式挡土墙处理。见图1。

图1 台背路基处理

桥台单幅宽22.99 m，横向采用3 道肋板，肋板高8.8 m、宽1.4 m，单幅横桥向设3 排ϕ160 mm 桩基，间距7.825 m；顺桥向设2 排ϕ160 mm 桩基，间距为4.0 m。桩基为嵌岩桩，嵌入中风化花岗岩。见图2。

图2 桥台

2 台前土压力计算

2.1 水平土压力计算[2]

1）填土引起的荷载集度

式中：γ为土的重度，kN/m3；B为桥台的计算宽度，m；H为计算土层高度，m；φ为土的内摩擦角，（°）；β为填土表面与水平面的夹角，（°）；α为桥台背墙与竖直面的夹角，（°）；δ为台背与填土间的内摩擦角，可取δ=φ/2，（°）。

2）台后车辆荷载引起的荷载集度

式中：h 为汽车荷载的等代均布土层厚度，m；∑G为布置在B×l0面积内的车辆总重力，kN；l0为台后填土的破坏棱体长度，m。

2.2 模型建立

采用有限元分析软件Midas Civil，梁单元模拟桥台各构件，共有136个单元，148个节点。见图3。

图3 计算模型

桥台桩基的桩土效应根据“m 值法”[3]采用节点弹性支撑进行模拟，考虑到填土压实度影响，仅对现状地面以下桩基考虑桩土效应，台后土压力计算至现状地面线处。

桩身周边土弹簧K=hibmzi

式中：hi为各土层厚度，m；b 为桩的计算宽度，m；m 为地基土水平向抗力系数的比例系数；zi为各层土中点到地面距离，m。

分析发现台背土压力随台后填土高度增加呈二次方递增关系[4]，因此超高填土时土压力非常大；此时如完全不考虑台前土压力的有利作用，将对计算结果非常不利。考虑到台前土实际施工质量及压实困难等问题，若完全考虑台前土的有利作用则对设计偏不安全[5]；因此如何考虑台前土的作用是一个值得分析和研究的问题，本文对台前土压力作用分5 种工况分别分析计算。

1）工况1。台后土压力考虑至现状地面，不考虑填土对承台及桩基的约束，不考虑台前土压力。

2）工况2。考虑25%的台前土压力，其余同上。

3）工况3。考虑50%的台前土压力，其余同上。

4）工况4。考虑75%台前土压力，其余同上。

5）工况5。考虑100%台前土压力，其余同上。

计算结果见表1。

表1 桥台土压力计算kN/m

3 计算结果分析

以桩顶位移(限值10 mm)、桩基裂缝宽(限值0.2 mm)及桩顶力（不出现负反力）作为评定桥台结构是否满足设计要求的主要指标并且把背墙位移作为参考指标，计算结果见图4。

图4 桥台构件受力结果

计算结果表明：是否考虑台前土压力的作用对计算结果影响很大，不同比例的台前土压力对计算结果的影响呈线性分布；当考虑50%的台前土压力时，桩顶位移（9.8 mm）及桩基裂缝宽度（0.16 mm）均可满足设计要求，背墙顶位移（19.3 mm）也相对适中。根据计算，桩底力在5 种工况作用下，均未出现负反力，满足设计要求；因此本文不做详细论述。

超高填土桥台计算中因台后土压力特别大，若完全不考虑台前土压力的有利作用虽然计算结果偏于安全，但过于保守的设计会造成资源浪费；结合以往设计、施工经验本文认为在桥台设计中考虑50%的台前土压力是适宜的，也是能保证结构安全的。

在后续施工中，通过对桥台背墙顶水平位移的观测发现，背墙实际发生水平位移约为16 mm，处于考虑50%～75%台前土压力之间，进一步验证了在超高填土桥台设计中考虑50%的台前土压力是较为适宜的。

4 结论与建议

1）超高填土桥台设计中是否考虑台前土压力的有利作用对计算结果有较大影响，经过对比分析建议考虑50%的台前土压力；但具体项目中受限于现场情况及施工质量，台前土压力的考虑不宜一概而论，应根据项目实际情况而定，本文仅提供一定参考。

2）桥台土压力计算中若承台或桩基高出原始地面线，建议土压力计算至原始地面线且不考虑原地面以上填土部分的桩-土作用。

3）计算是基于台前溜坡稳定的前提，若不能保证台前溜坡稳定则不应考虑台前填土的有利作用；因此施工中应加强台前溜坡的压实稳定。

4）加强桥台处防排水措施。台后填土的防排水能力不足，会改变台后土体的内摩擦角、黏聚力等，增大其土压力，特别是高填土桥台，计算参数的变化会导致下部荷载显著增加。