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南水北调中线一期工程跨渠桥梁设计特点_杂志文章
南水北调中线一期工程跨渠桥梁设计特点
发布时间:2020-02-25浏览次数:127返回列表

张 大 勇,尤岭,闫 海 青 (长江勘测规划设计研究院 交通设计处,湖北 武汉 430010)

摘要:丁洼东南跨渠桥是南水北调中线工程总干渠南阳膨胀土试验段上的一座大桥,该桥的设计施工对于其他跨渠桥梁的设计施工具有典型意义。通过对该桥桩基础的理论计算和试验结果的对比分析,得出了膨胀土地区大气影响带范围内桩基础负摩阻力应考虑土层深度;通过桥墩止水方案的研究比选,选定了合理的止水方案;最后,提出了解决桥头跳车问题和桥面排水、防护问题的具体方案。其试验结果为今后膨胀土地区的桥梁建设,特别对于其他待建的南水北调中线工程跨渠桥梁的设计和施工积累了宝贵的经验。

关键词:跨渠桥; 桥墩止水; 膨胀土; 南水北调中线一期工程

中图法分类号: TV67文献标志码: A

南水北调中线一期工程膨胀土南阳试验段是中线总干渠工程的一部分,位于南阳市境内。在试验段上布置一座跨渠公路桥,该桥行车道宽16 m,人行道宽2×7 m,设计车速50 km/h,道路中心线与总干渠中心线交角76°。设计路线全长400 m,桥梁跨径总长100 m。汽车荷载为公路-Ⅰ级,人群荷载为3.5 kN/m2。

1膨胀土地基中桩的负摩阻问题该桥下部结构桩基础按照《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)中对摩擦桩单桩轴向受压容许承载力[Ra]的计算公式为:[Ra]=12(u?ni=1qikli+Apqr)(1)

式中,[Ra]为单桩轴向受压容许承载力,kN;u为桩身周长,m;n为土的层数;li为局部冲刷线以下各土层的厚度,m;qik为与li对应的各土层与桩侧摩阻力标准值,kPa; qr为桩端处土的承载力标准值,kPa; Ap为桩端截面面积,m2。该桥桩基础穿过软弱地基土层,且桩侧软弱土层上有竖向荷载作用,导致桩侧土层的压缩沉降量大于桩身的竖向沉降值,因此需考虑压缩土层对桩身产生向下的负摩阻力。另外,由于该桥大气影响带范围内膨胀土的胀缩对桥台桩基产生了一定的负摩擦力,因此需计算单桩负摩阻力。综合上述两方面,负摩阻力按下面公式进行计算: Nn=u ?ni=1qnili (2)

式中,Nn为单桩负摩阻力,kN; u为桩身周长,m;li为中性点以上各土层的厚度,m;qni为与li对应的各土层与桩侧负摩阻力,kPa。应用PAL型PDA高应变桩基动测仪对桩基进行检测,检测结果为:0号桥台两根桩基础的单桩竖向极限承载力分别为8 402.5 kN和10 637.7 kN,3号桥台的1根单桩竖向极限承载力为10 883.3 kN,而桩基础的理论计算值为6 028 kN。图1为桩侧摩阻力和桩轴力随着桩基入土深度的变化曲线。

图1桩侧摩阻力、桩轴力与桩基入土深度的变化示意由此可以得出以下结论:① 桩基础的承载力满足设计要求;② 膨胀土地区桩基础的施工质量有很大的跳跃性;③ 大气影响带范围内膨胀土的胀缩对桥台桩基产生了一定的负摩阻力,使得当桩基入土深度小于10 m时,实测膨胀土土层桩侧摩阻力普遍不能发挥到地质勘察中的建议值;④ 实测膨胀岩岩层桩侧摩阻力均能达到和超过地质勘察中的建议值;⑤ 在施工中应充分考虑桩基成孔过程中沉渣和泥皮的影响。

2桥墩止水由于南水北调中线总干渠不允许漏水,因此须进行桥墩和渠道衬砌板间的止水设计研究。桥墩止水设计考虑如下2个方案,2个方案的比较见表1。 方案1构造简图如图2所示。在渠道衬砌板下和桥墩之间修建方形混凝土台,并在混凝土台上设置下凹槽,将渠道土工膜翻至凹槽内,用KS胶粘剂粘结并粘牢。然后在凹槽内填充KS胶粘剂密封。在渠道衬砌板和桥墩之间用聚乙烯泡沫塑料板填满,然后再在塑料板上面用2 cm厚聚硫密封胶密封,使渠道衬砌与立柱间圆润平整。 图2方案1构造(单位:cm) 方案2构造简图如图3所示。在渠道衬砌板下和桥墩之间填充1 m厚粘土,将复合土工膜翻转至立柱上用KS胶粘剂粘结并粘牢。在渠道衬砌板和桥墩之间用聚乙烯泡沫塑料板填满,塑料板上面用2 cm厚聚硫密封胶密封,使渠道衬砌与立柱间圆润平整。 经综合比选后,认为方案1的可靠度更高些,将方案1作为推荐方案。目前止水方案尚在试验中,该方案的可靠性依然需要进一步的观察和改进。

图3方案2构造(单位:cm)

3桥头跳车问题桥头跳车是指由于桥跨结构与路堤衔接处因刚度不同而出现高低不一致的台阶(或称“桥头错台”)所致。其产生的原因主要有:① 台后填土的压实度不够; ② 在填土自重作用下,桥头地基所受附加应力增大,地基产生了一定位移,从而导致了桥头路堤的沉降; ③ 路堤下地基土中的孔隙水不能迅速排除,需要很长时间才能完成土的固结,同时桥台下地基与路堤下地基的沉降量和沉降速度不一致,因此导致台后填土沉降。避免桥台、台后填土沉降的关键是如何保证填土达到压实度要求。由于台后不能上压路机,台后填土一般很难达到压实度要求,所以台后的填料需特殊考虑,如可考虑填砂或砂砾,采用分层填筑并洒水,同时用振动棒振动。该桥在桥台后12 m范围内采用加筋土挡墙,同时又在路基中铺设土工格栅,土工格栅采用单向拉伸型,设计抗拉强度不小于80 kN/m,幅宽2 m,土工格栅纵、横向搭接长度不小于0.3 m,并用高强度的土工棒连接,采取以上措施后即可大大减少桥头跳车的发生机率。第16期张大勇,等:南水北调中线一期工程跨渠桥梁设计特点 人民长江2010年

4桥面排水和安全防护

4.1桥面排水南水北调中线一期工程输水总干渠(含天津干渠)全长约1 432 km,沿线路渠交叉建筑物有1 400多座,桥梁在运营阶段会产生一定的污水,如果不对跨渠桥梁的污水加以引导,不仅对桥梁结构的耐久性造成影响,同时势必造成南水北调总干渠的水质污染,因此,必须对桥面的污水采取排水措施,以保证总干渠的水质优良。为了将桥面的污水及时排走,该桥的桥面排水采取桥面纵坡和桥面有组织排水相结合的方式。首先污水被桥梁横坡分流到桥梁的两侧,通过设置在人行道旁的?100 mmPVC泄水管排走,再通过?200 mmPVC的集水管排入引道路堤两侧的排水沟内,其中,泄水管的过水面积按每平方米桥面上不小于3 cm2来设置。

4.2安全防护南水北调中线一期工程输水总干渠跨渠桥梁密度高,平均1座/km,较易发生安全事故,因此,必须设置护栏,以防止发生交通事故时车辆跌落至总干渠内。桥梁护栏主要用在无人行道的封闭式桥梁上,行车速度较快时,它具有吸收碰撞能量,迫使失控车辆改变方向并恢复到原有行驶方向的趋势。桥梁护栏按构造可分为梁柱式护栏、钢筋混凝土墙式护栏和组合式桥梁护栏。但由于梁柱式护栏吸收碰撞能量小,组合式桥梁护栏后期维护费用较多,所以,该桥采用钢筋混凝土墙式护栏。在护栏设计时,应考虑护栏高度对车辆倾翻的影响。从车辆碰撞护栏的事故中发现,很多护栏被车辆突破翻越,不是护栏强度不够,而是护栏有效高度不够。护栏的有效高度与设计车型直接相关,但是各种车型相差悬殊,本次设计采用了根据美国车辆与护栏碰撞试验分析和野外统计调查得出的护栏有效高度:61 cm(817 ~2 043 kg小汽车)、86.3 cm(9 080 kg轿车)和76.2 cm(14 530 kg公共汽车)。

5结 语南水北调中线跨渠桥梁即将进入到全面实施阶段,该桥的试验结果为其他位于膨胀土区域的跨南水北调总干渠的桥梁设计施工提供了宝贵的经验。(1) 在膨胀土地区施工桥梁时,必须要考虑大气影响带范围内膨胀土的胀缩对桩基产生的负摩阻力,根据目前的试验结果,宜考虑10 m深的影响。(2) 在桥头引道路基施工时,宜采用分层填筑振捣和加筋土挡墙等措施来防止桥头路基的沉降,保证桥梁在运营时不发生桥头跳车的问题。(3) 为有效地保护总干渠的水质,桥面排水应采取桥面纵坡和桥面有组织排水相结合的方式。(4) 为了保证跨渠桥上的行车安全和南水北调总干渠的正常输水,应在跨渠桥梁上设置具有有效高度的桥梁护栏。 (编辑:郑 毅)

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