探讨道路桥梁设计构思一体化的方法

探讨道路桥梁设计构思一体化的方法

摘 要：文章作者根据自己在桥梁设计中的构思，结合了路桥一体化的设计理念以及发展趋势，对现有通行桩基沉降计算方法分析比较的基础上，以及路桥一体化设计的关键问题，提出了具体的研究途径。

关键词: 道路桥梁；桩基设计；沉降控制 1 问题的提出

1.1 桥头跳车问题的存在

软土在我国沿海一带分布广泛。由于软土具有高压缩性、高含水量、低透水性、低强度等特征，在道路与桥梁的结合部位，桥坡高填土通常会引起路基的较大沉降。与之相反，桥梁仅产生极小沉降；因此，如何解决因桥头道路与桥梁之间的沉降差而形成的“桥头跳车”现象，成为困扰工程界的大难题。

1.2 传统治理桥头跳车的方法

（1）消极对待，不做处理，发生沉降后对路面进行修补；

（2）从减小工后沉降的角度，采用堆载预压方法；对桥坡软基，进行长时间的堆载预压（或结合真空降水、真空预压等技术），以减小道路通车后桥坡的工后沉降；

（3）从减小软基总沉降的角度，对桥坡软基进行地基处理；通常采用注浆、强夯、深层搅拌桩、碎石桩、砂桩等地基处理技术，提高软上强度与压缩模量，减小软基的总沉降；

（4）从减小附加荷载的角度，对桥坡路堤的填料进行处理；一般采用二灰路堤，EPS 轻质填料等；

（5）设置搭板，作为过渡段，调节路桥的不均匀沉降。对桥坡软基不做处理，如工后沉降过大，后期修补路面的养护费用将很高；若采用堆载预压所需要的时间很长，往往受到工期限制；如果进行深层处理，费用则较高；EPS 轻质填料也因其造价偏高难以推广；单纯设置搭板，桥坡一侧的过大沉降有可能使搭板脱空，产生沉降从而失去作用，此外难以确定适宜的搭板长度。因此，工程中通常组合使用这此处理方法。在处理桥头跳车问题上均花费相当大的资金。

1.3 路桥一体化设计思想的提出

对传统桥头跳车问题治理方法进行分析后不难发现，传统方法的着眼点都集中在问题的一个方面，即如何解决桥坡段的沉降问题；对产生差异沉降的另外一个方面，桥梁，未做任何分析与考虑。这与传统设计体制下“桥归桥，路归路”

的设计模式有关。分割的设计模式使桥梁设计人员不考虑桥梁与道路沉降的衔接问题，桥梁的工后沉降甚微；而道路的设计人员也仅在如何处理道路沉降上下工夫，而不会考虑桥梁的沉降问题。

由此，提出一个新的问题：能不能突破传统的设计模式，综合考虑道路与桥梁的沉降问题，在许可的范围内使桥梁多沉一点，减小路桥沉降差。为改善软土路基上的桥头跳车现象提供一个新的解决途径。

分析后发现，这样做至少有这么几点好处：

（1）减少桥梁桩基础的造价；

（2）减少以后修补路面的维护费用；

（3）减少桥坡段的软基处理费用，缩短工期。

2 路桥一体化设计的基本构思

2.1 一体化设计的指导思想

综合考虑桥梁与桥坡段的沉降。尽可能使桥梁与桥坡沉降协同。

这里的协同有两方面的意思，一个是沉降量，另一个是沉降速率。这就要求设计人员一方面分析桥坡软基的沉降问题，另一方面必须分析桥梁的沉降问题。合理的软基处理方式与适宜的桥梁基础设计相结合，综合分析施工工期、工后沉降等因素，解决沉降协同的问题。

2.2 一体化设计的核心问题一按沉降控制桥梁桩基设计

然而，在传统的路桥设计中，桥梁桩基采用常规桩基础的设计方式。设计指导思想从强度出发，承载力作为设计的控制指标，而沉降作为验算校核指标。此外，在承载力设计中仅考虑桩的承载作用，并给予安全系数为2 的安全度，未考虑承台的持荷作用。因此，在传统强度控制设计思想下，桥梁桩基往往具有大于2 的强度安全储备，并且沉降很小。从经济的角度讲，过多的安全储备，也造成了建造费用的浪费。由于在这样的设计思想下，桥梁沉降很小，因此，对桥梁桩基的沉降，也缺乏充足的实测资料进行分析。

由此不难发现，解决路桥一体化设计的矛盾焦点集中在一个方面，即如何控制桥梁基础沉降，使之满足要求。我们将其称之为按沉降控制桥梁基础设计。

2.3 一体化设计的设计流程

（1）选择技术可行，费用低廉的桥坡软基处理方法；

（2）对处理后软基的沉降量，沉降速率进行分析；

（3）采用按沉降控制的设计思想，设计桥梁桩基础，对桥梁桩基的总沉降量及沉降速率进行计算分析；

（4）较核桥梁桩基的沉降计算与桥坡的沉降计算，调整设计方案，对施工工期做技术上的限定，使沉降差尽可能小。

3 按沉降控制桥梁桩基设计方法的研究

3.1 目前通用桩基沉降计算方法评述

（1）对于群桩沉降，目前常用的计算方法有这么几种：

①等代墩基法；

②按Mindlin 解确定地基土附加应力；

③沉降控制复合桩基的沉降计算方法。

（2）目前沉降计算方法的评述

软土中基础的沉降是一个非常复杂的问题。软土中桩基沉降的实质是由桩身压缩、桩端刺入变形（低承台承台下土体的压缩）和桩端平面以下土层受群桩荷载共同作用所产生的整体压缩变形等多个主要分量组成，并且是一个需要经历数年、甚至更长时间才能完成的过程。即使忽略软土中桩身弹性压缩量，但由于桩端刺人变形和桩与土体之间相互作用机理的复杂性，以及土体参数不确定性，在目前认识水平条件下软上中桩基沉降计算仍不是单纯理论计算所能描述的问题。

目前的桩基沉降计算预测有这么几个特点：

①对工程经验的严重依赖性。对于长期沉降的发展历程，几乎完全依赖工程经验。

②计算理念上的简单化。仅考虑易于解决的外部沉降问题（桩端平面下土体的整体压缩变形），抛弃或过于简化地处理内部沉降问题（桩端刺入变形）。

③计算过程的粗糙化。对附加应力的计算，做了过于简化的处理。采用恒定的基于单桩极限承载力分析的端阻分配比，忽略了桩侧摩阻力与桩端阻力随荷载、位移发展的非线形变化特征。这些，使桩基沉降计算预测的准确性受到限制。

3.2 合理桩基沉降计算方法的考虑

合理桩基沉降计算方法应该次完善考虑承台一桩一土体相互作用的基础上

提出，而且应该与桩基承载机理相结合不能采用当前与承载机理完全脱节的方法。对于桩端平面以下土体的整体压缩，采用目前方法，应该是可行的；桩身压缩量由于桩材本身模量很大，所占比例很小，且为瞬时弹性变形，对整个沉降分析的影响不大。因此，沉降分析的核心与难点就集中在桩端的刺入变形量计算预估上。

刺入变形受以下几个因素制约：

①承台下土体的持荷性状与土体特性；

②桩端持力层土体的持荷性状与土体特性；

③侧摩阻力随荷载与沉降的变化特睦。

④基础的几何尺寸，承台的大小、桩长、桩趾。

当然，这几方面的因素具有相关性，相互联系相互制约。

从决定刺入变形的几个因素看，在基础尺寸不占据重要位置后，前三个因素都可以用沉降作为主线联系起来。我们可以分析承台下地基土的沉降一荷载关系；桩侧摩阻力的沉降一荷载关系；持力层的沉降一荷载关系。在给定基础沉降的情况下，将三部分的荷载叠加，就可以方便地得到整个桥梁小承台桩群基础的沉降一荷载关系。有了这个关系后，依据路桥一体化设计的沉降要求及上部荷载水平，即可确定基础设计方案，实现真正意义上的按沉降控制桥梁桩基设计。

3.3 课题的关节点及其解决方法

如前所述，本课题的关键问题在三个方面：承台下地基土的沉降一荷载关系；桩侧摩阻力的沉降一荷载关系；持力层的沉降一荷载关系。采用试验结合理论分析的方法，对这三方面问题进行分析。

通过计算一试验一设计一实测验证一模型试验（数值模拟）一反分析这样一个完备的过程，寻求按沉降控制桥梁桩基可行的设计方法，为研究成果的推广应用打下基础。

4 路桥一体化设计的应用前景

4.1 技术问题

前已叙及，路桥一体化设计的核心在于设计允许桥梁产生相当的沉降以和桥坡沉降协同。而基础设计必须适应上部结构的要求。因此，要从上部结构的分析上探讨路桥一体化设计的应用前景。

从上部结构自身要求来讲，基础的均匀沉降不会对上部结构产生任何不良影

响；

从桥下通行的净空要求来讲，适当提高设计高程，预留桥梁沉降量，也不会对通行净空产生太大的影响；

对于混凝土连续梁桥，须避免相邻墩台不均匀沉降产生的次应力；

由以上的分析来看，在设计方法成熟后，可考虑突破现有规范对总沉降量的规定。在确保桥梁基础均匀沉降的基础上，可以将路桥一体化的设计方法应用于连续梁桥及简支梁桥。在目前摸索阶段，可将此方法先应用于对沉降要求不高的简支梁桥设计上。

4.2 经济价值

桥梁沉降，相应的可以降低对桥坡软基的处理标准，节约桥坡软基的处理费用；

采用复合桩基理念，充分挖掘桥梁小承台桩群的承载能力，以沉降为控制标准，与传统设计相比较，可减少桥梁桩的桩长、桩数，从而降低桥梁桩基造价；

路桥的协同变形，为通车后道路的维护带来方便，可减少后期的道路维护费用；

因此，路桥一体化设计从技术、经济上都是可行的，应该是一种具有前瞻性的，先进的设计理念。

5 结束语

作为具有前瞻性的先进的设计理念，取代目前“桥归桥，路归路”的旧的设计方法，路桥一体化设计应该成为今后设计的趋势。对设计的核心间题，桥梁小承台桩基的按沉降控制设计方法，在经过单桩测试，工程实践长期监测，室内计算分析后，相信会有一个合理可靠的解决方案和美好的发展前景。