多沙河流跨河橋梁橋墩基礎設計研究

邱柏初

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁院,北京 100055)

1 概述

在多沙河流上修建跨河橋梁,受河道淤積和沖刷的影響,橋墩的沖刷深度是影響橋梁安全的重要參數之一。黃河下游河段為豫西西部山區注入東部平原直至渤海入?？诘暮佣?由于河床坡度驟然變緩,河水流速減慢,使黃河攜帶的泥沙在黃河下游河段大量沉淀,并形成地上懸河,歷史上多次發生大堤決口并改道,其河段是典型的游蕩性河流。黃河下游河段地表主要是第四系堆積物,表層主要以沙性土質為主,且厚度極大,由此給跨河橋梁的修建造成極大困難,1949年新中國成立前,在黃河下游河段僅修建了2座鐵路橋梁,新中國成立后至1980年的30年間,黃河下游河段上修建的橋梁也很少。改革開放后,由于我國經濟的飛速發展,對交通運輸的發展提出了更高的要求,為此在黃河下游河段開始修建大量的跨河橋梁工程。

黃河下游河段上修建橋梁一般采用沉井基礎或樁基礎,隨著施工技術的發展和施工工期的要求,目前一般采用樁基礎。樁基礎設計的樁長主要受橋墩基礎的沖刷深度以及河床下樁周土極限摩阻力的大小影響。橋墩基礎的沖刷深度越深,相當于橋墩越高；橋墩越高,橋墩基礎的受力就越大；河床下樁周土極限摩阻力越小,相應承擔同樣的反力需要的樁長就越長。因此,可以說大型橋梁工程基礎設計的安全性和經濟性是由橋墩基礎沖刷深度以及樁周土極限摩阻力大小的合理性來決定的。

一般橋梁的基礎設計,其橋墩的沖刷深度可根據水文設計規范提供的計算公式進行計算確定,而樁周土極限摩阻力的大小,可根據橋址地質鉆探資料并結合設計規范的取值意見進行確定,設計取值的合理性取決于設計工程師的設計經驗。對特大型橋梁,由于其基礎工程規模大,從安全性和經濟性的要求考慮,上述介紹的設計方法應該是不夠的,有必要采用更科學的手段對設計進行驗證。

黃河下游河段某新建四線特大型鐵路橋梁,黃河大堤內橋長達6 800 m,其中跨越黃河主河槽采用22孔100 m跨徑,跨越邊灘部分采用40 m和32 m普通簡支梁跨；主橋主墩設計荷載達3.2×105kN,樁基礎設計采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁方案(圖1),結合橋梁的安全性和經濟性要求,橋梁設計的同時開展了整體水工模型試驗以及工程試樁檢測試驗,對橋梁基礎設計的重要參數進行驗證、分析優化。

圖1 主墩結構(單位：cm)

2 橋墩沖刷深度的確定

目前,鐵路和公路橋梁設計均有相應的設計規范參考進行橋梁沖刷計算,由規范條文說明可知,其計算公式是試驗和觀測的經驗公式,對黃河下游河段這樣的游蕩性河流,規范計算公式的條件與黃河實際水流條件是難以相一致的,同時,計算公式的某些參數通過理論分析進行選用也是與黃河實際水流條件很難相一致。通過水工模型試驗,對計算參數和橋墩沖刷深度進行校核、對比分析,以確定一個安全和合理的橋墩沖刷深度。

2.1 規范公式計算

為保證在發生設計洪水時橋梁的安全,橋梁不僅要有足夠的橋孔長度和橋下過水面積, 還必須保證橋墩基礎有足夠的埋置深度,以免因水流沖刷而遭受破壞。橋渡沖刷計算是橋梁設計確定橋梁孔跨以及確定橋梁主槽和邊灘橋墩基礎最小埋置深度的重要內容。按目前行業規范,橋墩總沖刷深度由河床自然演變沖刷、一般沖刷水深以及局部沖刷水深組成。橋梁設計一般可按照《鐵路工程水文勘測設計規范》(TB10017—99)和《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30—2002)的有關公式和推薦方法進行分析計算。

本橋按河段內設計流量為歷史上發生過最大的洪峰流量,根據相關資料確定的主槽、灘地分流比分別為75%、25%,在考慮自然演變沖刷的基礎上,利用規范公式進行計算,得出主槽一般沖刷水深和局部沖刷深度分別為14.83 m和10.72 m,灘地一般沖刷水深和局部沖刷深度分別為9.82 m和2.62 m。

2.2 模型試驗

采用規范公式計算非黏性土河床橋墩沖刷水深時,盡管利用橋梁孔跨布置及橋墩尺寸資料能夠反映建橋后的影響,由于參數選擇對局部沖刷深度計算結果敏感性強,但計算參數的選擇往往與所依據的河道設計斷面關系甚大,而多沙河流游蕩型河段實測斷面因沖淤幅度大,故形態差異很大；參數選擇難以反映水力、泥沙因子的影響,因而不能確切地描述水流泥沙條件變化對橋渡沖刷的影響。有必要通過模型試驗來驗證參數選擇。

灘槽分流比作為一個重要的、敏感的計算參數,與設計洪水過程線和斷面形態密切相關。設計洪水過程線系由已發生洪水的實測作為計算依據,由于多沙河流的河道沖淤變化幅度大,河道演變頻繁,再加上流域經濟社會發展,河道內各種整治工程、取水設施以及跨河建筑不斷涌現,過流邊界條件的改變,使得主槽灘地分流比發生變化,從而流速及河床沖淤變形也相應發生變化,為增加參數選擇的科學性和準確性,特開展橋位河段整體水工模型試驗和正態局部模型試驗,來驗證、確定主槽灘槽分流比,修正規范公式的相關參數進行對比計算。

2.2.1 整體水工模型試驗

根據研究目標和工作開展的需要,先開展整體水工模型試驗。整體水工模型試驗初始地形為現狀實測地形。根據試驗內容要求、橋墩形式及場地情況,動床整體模型采用幾何比尺λl=800,λh=60；整體水工模型模擬了2場典型洪水下的灘槽分流狀況,測驗了灘槽最大單寬流量及其與橋梁軸線的夾角。試驗結果得出,橋位處灘槽分流比隨著洪水漫灘程度、灘槽沖淤變化而不斷變化,洪峰流量達到設計流量時,河道全斷面過流,擬建橋位處,主槽、灘地分流比分別為70%:30%,最大單寬流量分別為44、7.4 m2/s。原設計主槽平均流速為1.68 m/s,根據模型試驗成果計算平均流速為1.57/s。根據模型試驗結果對規范公式中涉及的有關參數選取進行修正后,主槽一般沖刷水深和局部沖刷深度計算結果分別為13.03 m和10.54 m,灘地一般沖刷水深和局部沖刷深度計算結果分別為9.86 m和2.62 m。

2.2.2 局部正態模型試驗

正態模型試驗采用幾何比尺λl=λh=100。根據整體水工模型試驗結果確定的主槽、灘地最大單寬流量分別為44、7.4 m2/s,利用局部正態模型對主槽、灘地的局部沖刷深度進行了驗證試驗。從試驗過程可觀察到：局部沖刷首先從墩頭兩側開始,然后沖刷深度逐漸增加,沖刷坑范圍逐漸加大。由于沖刷坑的出現,在墩前沖刷坑邊緣形成繞橋墩兩側流向下游的馬蹄形旋渦,它是水流在沖刷坑上游邊緣發生分離導致的結果,馬蹄形旋渦通過橋墩兩側向下游發展并逐漸衰變為水流的紊動。隨著沖刷的發展,在墩頭前緣逐漸形成一個漏斗形的沖刷坑,一般在承臺下樁群之間,偏向上游墩頭位置出現最大沖刷深度,見圖2。試驗結果為主槽、灘地局部沖刷深度分別是10.32 m和2.09 m。

圖2 沖刷坑形態

2.3 橋墩沖刷深度的分析確定

以上規范公式計算結果、模型試驗成果見表1。

表1 設計流量下沖刷水深及正態局部模型計算結果

分析認為模型試驗是在現狀地形邊界條件下施放設計流量過程,確定的分流比相對比較接近實際,因此橋梁設計中采用模型試驗后修正相應參數后計算成果值13.03 m和9.86 m作為主槽墩和灘地墩一般沖刷水深是合理和安全的。

利用規范公式計算的局部沖刷深度大于利用正態局部模型試驗的局部沖刷深度,為安全考慮,設計采用根據模型試驗結果修正相應參數后的計算成果值10.54 m和2.62 m作為主槽墩和灘地墩的局部沖刷深度更為合理。

設計最終推薦采用的主槽、灘地橋墩總沖刷深度分別為23.57 m和12.48 m。

3 樁基設計樁周土極限摩阻力取值分析

橋梁鉆孔樁設計時,應準確分析河槽沖刷,合理取用樁周土極限摩阻力f值,使樁基設計做到安全、經濟、合理。本河段地質主要為細砂、粉土、粉質黏土,橋梁樁基按摩擦樁設計,樁長一般較長,對施工設備要求較高。

主橋樁基礎樁周土極限摩阻力f值,按照各土層加權平均的方法計算。局部沖刷線至一般沖刷線之間的土層,為沖刷后的淤積土層,不計摩阻力,不考慮負摩阻作用。

樁周土極限摩阻力f的取值,直接影響樁長的計算結果。鐵路橋梁樁基設計,樁周土極限摩阻力f值一般參照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB 10002.5-2005)提供的建議值并根據地質鉆探資料進行分析選取。本橋樁基礎設計樁長很長,各土層由上至下分別按規范取值的下限值、均值、上限值分別進行計算,其計算樁長偏差較大,由于本橋規模大,若全按保守取值,將對工程量產生很大的影響。因此,合理選取樁周土極限摩阻力f值對本橋的樁基設計尤為重要。結合現場條件,本橋開展了1組(3根)工程試樁試驗,對樁周土的樁側摩阻力進行了靜載荷試驗,實測樁周土極限摩阻力f值。由于工程試樁數量相對較少,也無法對各層土均進行測試,設計完全采用實測值進行計算也是不合理的和不安全的；實際設計采用值根據試樁成果進行調整是必要的和合理的。

表2為橋址各土層樁周土極限摩阻力f的規范建議值、原設計取值、試樁測試值、設計采用值。由表2可知,樁周土極限摩阻力f設計采用值是合理和有安全保證的,其值并沒有超出規范上限值,而其對本橋的樁長設計卻有較大的影響。本橋主墩樁基礎設計采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁,原樁周土極限摩阻力f取值設計計算樁長已達100 m,根據試樁成果調整樁周土極限摩阻力f值后,設計計算樁長降為90～91 m,降幅接近10%,基礎工程量節省可觀,實際施工將大大降低鉆孔樁施工難度,不僅保證了設計的科學性、安全性,也降低橋梁工程造價。

表2 橋址各土層樁周極限摩阻力f值設計比較分析 kPa

4 橋梁樁基礎設計

橋梁樁基設計時,需將基礎作用的主力、附加力以及特殊荷載分別按規范規定進行最不利荷載組合進行計算。

本橋位于7度地震區,橋址場地類別為Ⅲ,根據橋址地震安評報告,地震動峰值加速度為0.16g,地震動反應譜特征周期為0.55 s；場地地震參數：動力放大系數β值3.0,綜合阻尼比0.04。本橋屬于地震抗震不利地段,實際設計地震破壞力大于其他一般7度地震區地震破壞力。

本橋屬A類抗震設防橋梁工程,地震作用重要性系數采用1.7,本橋基礎結構設計由“主力+地震力”工況控制設計。

橋梁樁基礎根據承臺座板設置高程的不同,一般可分低樁式基礎和高樁式基礎。承臺座板位于地面以下或沖刷線以下樁基布置通常稱低樁承臺；反之,稱為高樁承臺。本橋主墩樁基礎設計采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁,承臺底位于一般沖刷線3 m以上,為典型的高樁承臺布置。

根據《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)(2009年版)規定,“主力+地震力”工況按一般沖刷線進行設計。對樁基礎按高樁承臺進行布置的橋梁,在“主力+地震力”工況下,樁的自由長度由一般沖刷線算起；因此,本橋一般沖刷深度對橋梁樁基設計影響很大。

由表1可知,本橋主墩按規范公式計算的一般沖刷深度與根據水工模型試驗后修正計算參數確定的一般沖刷深度相差1.8 m。根據水工模型試驗成果調整相應設計參數后,樁基設計計算自由長度為3.85 m,其樁身結構設計采用C30水下混凝土、主筋采用HRB335鋼筋即可滿足抗震設計要求。若采用按規范公式計算確定的一般沖刷深度,其樁基設計的自由長度達5.65 m,根據抗震計算,采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁,樁身鋼筋與混凝土應力檢算已無法滿足抗震設計要求,根據樁基平面布置方案,樁基礎需增加至少2根樁才能滿足抗震設計要求。由此說明,本橋根據水工模型試驗成果確定的一般沖刷深度,使橋梁基礎設計在滿足安全要求的前提下基礎工程更加經濟。

5 橋梁樁基礎施工

根據橋位處地質勘探報告,由于黃河地質地層以細砂、粉砂層、黏土層為主,黏土層中常伴有較大直徑的姜石、風化石等。根據以往黃河橋樁基施工經驗調查,使用的鉆機基本為傳統的旋轉鉆機鉆孔,此種鉆機雖然工藝比較成熟,但對于孔徑較大、鉆孔深度較深、地質軟硬不均,以及較硬地層樁基鉆孔施工時速度慢、易造成斜孔、難以鉆進等問題,這些均難以保證主橋樁基礎的工期要求。因此,在樁基施工機械選型時必須考慮滿足質量及工期要求的設備。目前國內新引進開發先進的大型旋挖鉆機能滿足本橋鉆孔樁施工需求。

本橋原設計樁長達100 m,加上承臺厚以及承臺覆土厚,實際鉆孔深達110 m以上。目前國內大型旋挖鉆機雖然能勉強達到鉆深要求,但在此鉆深時由于其鉆桿伸出太長,自上向下鉆桿剛度逐漸變小,鉆桿柔度逐漸變大,遇到較硬地層時極易造成斜孔、卡鉆、鉆桿扭斷等情況,造成鉆孔事故概率增多,成樁質量隱患大。根據橋位處地質情況及此種鉆機鉆孔經驗,為保證成孔質量,此種鉆機實際鉆深宜控制在100 m內。本橋通過對橋位實體水工模型試驗以及樁周土極限摩阻力試樁試驗,結合2項試驗成果,對主橋樁基礎樁長進行了全面設計優化,減小了設計樁長,減短后最大鉆孔深度已控制在105 m以內,較好地滿足了此種大型旋挖鉆機在本橋主墩樁基礎施工的質量以及工期要求。

6 結論與建議

橋梁的基礎設計是橋梁安全的根本,對特大型橋梁,由于其橋梁跨度大,設計者往往更多從安全性方面考慮,基礎設計偏于安全,而由于基礎工程規模大,橋梁設計的經濟性相對較差。因此,結合橋梁的安全性和經濟性要求,在多沙河流上合理選擇設計參數尤為重要。通過分析,得出如下幾點結論和建議：

(1)對大型橋梁工程,應采取工程試驗與計算分析相結合的設計方法進行橋墩基礎設計,以保證橋梁基礎設計的安全性和經濟性；

(2)在多沙河流上,對大型橋梁工程應進行水工模型試驗,驗證并合理確定橋梁的沖刷深,以確保橋梁基礎的安全性；

(3)在多沙河流上,對設計樁長超過50 m的大型橋梁工程,有條件應開展工程試樁試驗,合理確定樁周土極限摩阻力f值,使橋梁基礎設計在確保安全性的前提下達到工程設計的經濟性。

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