大跨度公路橋梁中下部結構設計要點之研究

金建鵬

摘 要：在我國公路橋梁建設中，大跨度橋梁的建設里程非常驚人。據此，為了進一步推進我國大跨度公路橋梁建設事業的健康發展，本文筆者結合甘肅××工程，探究大跨度公路橋梁下部結構設計要點，即從樁基計算、橋墩選型兩個方面展開具體的討論。

關鍵詞：大跨度橋梁；樁基計算；橋墩選型；負摩阻力

中圖分類號：U448.14 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0184-02

1 工程概況

2 樁基計算

依據JTGD63-2007的規定，若土層的濕陷系數≥0.015，則可認定其為濕陷性黃土。在案例工程中，橋址土層的濕陷系數與非自重濕陷系數分別為0.021～0.085、0.015～0.022，則可判定該土層為濕陷性黃土，因此要求在樁基設計時考慮到負摩阻力的影響。

2.1 樁長計算

在黃土地區，樁長的確定首先要求算得忽略黃土濕陷時樁的長度，即在計算時不考慮負摩阻力的影響。依據JTGD63-2007，樁長的計算公式為：

其中：[Ra]（kN）為鉆（挖）孔灌注樁單樁軸向受壓容許承載力；u（m）為樁身周長；n為土層數量；qik（kPa）為樁側與li對應土層的摩阻力標準值；li（m）為承臺局部沖刷線或底面以下土層的厚度；Ap（m2）為樁端截面面積；qr（kPa）為樁端土的容許承載力。

2.2 確定中性點位置

在實際工程中，計算負摩阻力的關鍵是確定中性點的位置。目前，中性點位置一般采用估算方法或依據試驗得到的經驗值進行確定，即：先假定中性點的位置，并算出相應的負摩阻力，再加到樁的荷載中，并算出樁的彈性壓縮，而后采用分層總和法算出樁底土層與樁周土層的壓縮變形，并繪制樁身土層位移曲線與樁側土層下沉曲線，選取兩條曲線的交點作為中性點位置，最后通過比較計算值與假定值來進行驗算。通過分析試驗結果，可結合經驗來估算負摩阻力深度h1（m），即：h1=0.77h2-0.80h2（h2為自重濕陷黃土層或軟弱壓縮層的厚度）。

2.3 軟粘土層負摩阻力強度計算

2.4 負摩阻力計算

關于樁身總的負摩阻力Pnf，其計算公式為：Pnf=fAnf，其中Anf=2πrh1（r為樁的截面半徑，m）。需要強調的是，由以上公式算得的Pnf值不應比單樁樁周的下沉土重大。

2.5 驗算單樁承載

關于單樁承載的驗算，若將負摩阻力看作外荷載，則單樁容許承載力[P]的計算應僅考慮正摩阻力，可描述為：

其中：P（kN）為樁頂的軸向荷載；PF（kN）為樁側的極限正摩阻力；PE（kN）為樁底的極限阻力。

2.6 負摩阻力的控制

鑒于負摩阻力會增加樁基的下沉量或引起不均勻沉降，則有效控制負摩阻力是保證橋梁結構安全的重要手段，具體控制方法包括：

（1）對于預制混凝土樁與鋼樁，最好以涂層的方法來控制負摩阻力，即對插入濕陷性土層等軟弱土層的樁身涂抹軟瀝青土層。

（2）對于灌注樁，可在沉降地層插入預制混凝土樁段（直徑比鉆孔小5～10cm），并在樁段外圍填充高稠度的膨潤土泥漿進行隔離；在泥漿護壁成孔時，可在下段混凝土澆注結束后先填充高稠度的膨潤土泥漿，再插入預制混凝土樁段；在干作業成樁時，可先在鉆孔沉降土層中放置雙層筒形塑料薄膜，再澆筑混凝土，以使塑料薄膜形成隔離層并可在孔壁與樁身間隙自由滑動。

3 橋墩選型

由于案例工程的跨度大且所處地區的地質環境復雜，則在橋墩選型上可能涉及多種型式，即：

3.1 柱式橋墩

在甘肅境內高速公路橋梁中，柱式橋墩的使用頻度非常高，因其具有施工工期短、施工難度低、結構輕盈、自重輕、受力明確及外形美觀等優點。在實際應用中，橋梁高度<15m、跨徑<30m及橋址地形平緩的橋墩一般選擇雙柱或是三柱式橋墩。對于案例工程而言，1～4#橋墩都為柱式橋墩，樁、柱徑分別為1.8m和1.6m；蓋梁高度為1.5m。

3.2 T型薄壁墩

當橋梁的高度>15m、跨徑30m且依山而建時，其橋墩一般選擇T型薄壁墩，從而克服了柱式墩后期耐久性差、剛度低及景觀效應差的缺點。在案例工程中，10～24#高墩全部選擇了T型薄壁墩（見圖1），薄壁厚度、寬度分別為1.8m和4.7m；蓋梁高度為2.3m。

研究表明，T型薄壁墩樁基的受力非常明確，即在樁底嵌入基巖后，可與承臺組成剛性體，然后再與蓋梁、墩身連接，從而改善了橋梁下部結構的受力狀態；嵌巖樁的使用可消除濕陷性黃土對基礎、承臺的影響；分幅安排橋墩，可減小橋墩的上部荷載和蓋梁尺寸，且不用設置預應力蓋梁，同時T型薄壁墩可與同類橋墩同步施工，從而縮短了施工工期。

3.3 大跨徑門式墩

在橋梁的第八、九跨處存在線路交叉現象。對此，若橋墩選擇T型薄壁墩，則橋墩會擠占另一線路的建設用地，而若選擇雙柱橋墩，則會影響另一線路的改線和布設。鑒于此，實地勘測決定選擇大跨徑門式墩。其中，為了滿足跨越的實際需要，墩間距設計為18m；橋墩蓋梁設計為變截面預應力大蓋梁；預應力鋼束的使用優化了蓋梁的高度，其最小值為2.3m，從而保證了橋墩外形的美觀、輕盈。與其他橋墩型式相比，大跨徑門式墩的施工工藝非常復雜，且造價較高，但面對道路交叉的特殊狀況，大跨徑門式墩無疑是最佳的選擇。

3.4 全幅雙柱大挑橋墩

為了減少橋墩施工土方的開挖量，案例工程的5/6/7/9#橋墩因橋梁較高、地形變化劇烈而設計為全幅雙柱大挑橋墩，橋墩長度、厚度分別為2.7m和1.8m；蓋梁高度為2.7m。研究表明，與T型薄壁墩相比，全幅雙柱大挑橋墩減少了水平方向視野的遮擋范圍，從而增加了交叉線路的行車視距。

4 結 語

在大跨徑公路橋梁中，下部結構的安全使用與樁基計算、橋墩選型息息相關。因此，為了保證大跨徑公路橋梁下部結構的安全，要求明確下列內容：

（1）在濕陷性黃土分布區，橋梁樁基會在浸水后產生一個負摩阻力，從而增加了樁基施工的安全隱患。為此，在大跨度公路橋梁樁基計算時，應充分考慮到負摩阻力的影響。

（2）對于橋址地質環境復雜的工程，要求從道路的選線、布孔及與山谷、河道、其他線路交叉等方面綜合考慮橋墩的選型，從而保證橋墩的選型合理及橋梁工程下部結構的安全。

參考文獻

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收稿日期：2018-6-25