蘇通大橋深水群樁基礎(chǔ)沖刷防護實測分析

林明惠，陳志堅

蘇通大橋深水群樁基礎(chǔ)沖刷防護實測分析

林明惠，陳志堅

（河海大學 地球科學與工程學院，南京 210098）

橋墩建在流水中的橋梁幾乎都面臨墩周沖刷的問題，為了研究橋墩發(fā)生沖刷方式及沖刷防護方法，通過對處于長江下游的蘇通大橋主4號大型群樁基礎(chǔ)水深傳感器及樁身軸力實測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該橋梁工程采用的沖刷防護方案不僅有效地防止了主墩處河床沖刷，而且在河床鋪設(shè)砂袋后，進行鋼護筒插打時，砂袋被擠入到松軟的河床底質(zhì)層一定深度范圍內(nèi)，對河床底質(zhì)層和樁周土起到擠密、增密和固結(jié)作用。大大提升了河床表層松散體的極限摩阻力，提高了群樁基礎(chǔ)的承載力。

蘇通大橋；深水群樁基礎(chǔ)；沖刷防護；水深監(jiān)測；樁身軸力監(jiān)測

在我國公路、鐵路橋梁建設(shè)的過程中，建成了一批在國際橋梁工程界都十分突出的跨海、江、河大橋，然而這些橋都或多或少的面臨墩周沖刷穩(wěn)定性問題。據(jù)資料統(tǒng)計,在所有橋梁損毀事故中,水毀的比例最高,占事故的70%以上。河流中橋墩的建造使其附近的水流斷面面積減小，改變了原來的水流及泥沙運動規(guī)律，橋墩周圍水流速度增大，會引起對河床的沖刷。沖刷通常是由自然演變的沖刷、過水斷面的減小而引起的一般沖刷以及橋墩周圍產(chǎn)生的局部沖刷三個部分組成[1]。橋墩沖刷不僅對橋梁本身存在危害，而且對橋墩附近岸坡穩(wěn)定性也有潛在威脅。當主橋墩離岸較遠、地質(zhì)條件較好時危害較小，但當主橋墩離岸較近、地質(zhì)條件較差時，沖刷可能會導致岸坡失穩(wěn)[2]。對于跨江橋梁工程,橋墩或基樁所在的河床經(jīng)沖刷后,墩臺基礎(chǔ)的埋置深度較小,承載力和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度顯著降低,沉降和基礎(chǔ)的固有周期增大,從而嚴重影響橋梁工程的安全穩(wěn)定性和抗震能力[3]。目前國內(nèi)外在這方面的研究方式主要是通過室內(nèi)小比例尺模型試驗和數(shù)值模擬等手段，受限于以上兩種方法自身的局限性——無法完全考慮實際工程活動所受的復雜環(huán)境因素影響，試驗中將一些影響因素進行概化而影響研究結(jié)論的準確性，如地層的不均勻性、河床防護層的不均勻性等。鮮見針對已建大型橋梁工程進行跟蹤觀測以研究河床沖刷防護的實用性和耐久性。本文討論的蘇通大橋進行了嚴密的河床沖刷防護和監(jiān)測工作，彌補了上述研究的不足，經(jīng)過實踐證明了該橋梁的河床沖刷防護工作不僅很好地防止了橋墩附近的沖刷，還改良了主橋墩位置淺層地層性狀，增大了承載力。

1 工程概況

蘇通大橋位于江蘇省南通市和常熟市之間，是沈海高速過長江的重要通道。其南北兩座塔柱高300.4 m，主跨達1 088 m，是全世界第二大跨徑的懸索橋。主橋兩個主墩基礎(chǔ)分別采用131根直徑2.5 m至2.85 m，長約120 m的灌注樁，每個主橋墩平面尺寸為113.75 m×48.1 m，是世界最大規(guī)模的群樁基礎(chǔ)。

蘇通大橋所處水域位于長江下游澄通河段的徐六涇附近，橋位區(qū)江面寬約6 km，主槽居中偏靠南岸。水文氣象條件惡劣，風暴潮問題突出，江面寬闊，水深流急。河床底質(zhì)層為新近沉積的易沖河流淤積物，河床覆蓋層深厚，基巖面在-287～-276 m，基樁屬于典型的摩擦樁。由于摩擦樁主要依靠基樁與樁周土之間的摩擦力提供承載力，且每個主橋墩大約需要承擔10萬噸的巨大荷載，所以該群樁基礎(chǔ)對于河床整體或局部沖刷非常敏感。如若沖刷過大，導致沉降過大或不均勻沉降都會危及大橋整體穩(wěn)定性，因而對主橋墩處進行沖刷防護和監(jiān)測十分必要。

橋位區(qū)的地層組成主要是上第三系的半膠結(jié)、半成巖狀態(tài)的粉質(zhì)粘土、砂土、礫石以及三疊系下統(tǒng)（T1）的棕紅色灰?guī)r。第四系地層為一套濱海相、河流相、湖相沉積的淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細砂、中砂、粗砂、礫砂等組成。

2 河床沖刷機理及防護方案

2.1 墩周沖刷機理

橋墩建成必然改變了原有的水流特征，使原有的河床沖刷環(huán)境發(fā)生改變。當水流流經(jīng)橋墩時，因為橋墩阻滯了水流，將使得水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化．橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前水表面渦流、墩前向下切流、馬蹄形渦流和尾跡渦流[4-5]，如圖1所示。

圖 1 墩周沖刷示意圖Fig.1 Schematic diagram of pier scour principle

2.1.1 墩前表面渦流

迎面水流遇到橋墩的阻擋，分成向上和向下兩股水流。向上的一股水流動能轉(zhuǎn)化成勢能。向下的一股水流在樁前形成局部的渦流，不斷將樁前一定范圍內(nèi)的土體淘離河床被水流帶走。

2.1.2 墩前下切水流

當水流沖擊橋墩時，會在橋墩面上產(chǎn)生一定的停滯壓力，且由于垂直流速分部由水面向下遞減，故壓力亦向下遞減而造成壓力梯度，因而形成下切流，造成墩前沖刷[6]。

2.1.3 馬蹄形渦流和尾旋渦流

水流遇到橋墩的阻擋后，在豎直面上也分成兩股水流，分別在墩前及兩側(cè)與土接觸面上形成馬蹄形渦流和尾旋渦流，是造成墩周沖刷的原因之一[7]。

2.2 沖刷防護方案

蘇通大橋規(guī)模宏大的群樁基礎(chǔ)處于主流深水區(qū)，明顯改變了橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)，樁群阻水引起的水流下切和繞流淘刷將產(chǎn)生劇烈的河床面沖刷。局部沖刷試驗表明，蘇通大橋主橋墩沖刷在20年和300年一遇的水流作用下沖刷深度可分別達到21.5 m和27.2 m，且最大沖刷有可能在一次水流的作用下形成[8]。因而主橋墩的沖刷防護方案的提出必須建立在對橋位區(qū)長江水文、地質(zhì)條件及沖刷機理充分認識的基礎(chǔ)上，大橋建設(shè)者們?yōu)榇俗隽舜罅抗ぷ鳌?/p>

圖 2 沖刷防護層結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of sScour protection layer

傳統(tǒng)的沖刷防護方法有：橋墩底部鋪設(shè)粗顆粒或拋石防護層，在河床中鋪設(shè)延伸板或護圈[9]。以達到消減水流能量和鞏固河床的效果。蘇通大橋最終采取的防護措施：通過拋投砂袋、級配碎石、護面塊石等材料，改變基礎(chǔ)區(qū)域河床底質(zhì)，減小沖刷深度，達到抵抗沖刷的目的。將河床分成核心區(qū)、永久防護區(qū)和護坦區(qū)，根據(jù)水流特性對不同區(qū)域防護采用不同防護結(jié)構(gòu)，分層進行防護，保證防護工程的耐久性[10]，防護層結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 主4號墩監(jiān)測方案

3.1 水深傳感器布置

多波束回聲探測儀等現(xiàn)代測深手段，對墩臺外圍區(qū)域效果較好，但對橋墩樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)的核心區(qū)域由于基樁的障礙作用，測深往往達不到預期效果，當承臺澆注完成后，這些方法同樣無法實施。水力傳感器沖刷監(jiān)測技術(shù)具有實時性、連續(xù)性、長期性、精度高的特點。該技術(shù)可有效監(jiān)控河床的動態(tài)變化[3]。

布置水深傳感器的目的是為了監(jiān)測河床面高程的動態(tài)變化。由于橋位區(qū)水深流急、漩渦較多，且水流流向和流速多變，存在形成不均勻沖刷的可能性。所以監(jiān)測點平面位置的有效控制是必要的。而為了監(jiān)測河床沖刷深度的變化，又必須確保水壓力計在高度方向可自由移動，水深傳感器安裝如圖3所示。

為了更好的監(jiān)測主4號墩的沖刷演變，在墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部布置河床沖刷監(jiān)測剖面3條，每條剖面布置3個監(jiān)測點，共布置監(jiān)測點13個，如圖4所示。為了根據(jù)水深監(jiān)測結(jié)果換算河床面的高程，還布置潮位監(jiān)測點1個。

圖 3 水深傳感器安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of installation of water depth sensor

圖 4 樁身軸力與水深監(jiān)測點平面布置圖Fig.4 Pile shaft force and water depth monitoring point plan

根據(jù)水深傳感器和潮位傳感器的實時觀測值，可按式（1）確定水深傳感器設(shè)置區(qū)域的河床面高程。

式中，H為水深傳感器埋設(shè)位置的河床面（沖刷面）標高（m）；h0為潮位傳感器設(shè)置點的標高（m）；h1和h分別為潮位傳感器和水深傳感器的實測水深（m），均由式（2）確定。

式中，h為實測的水深（m）；K為傳感器系數(shù)（kPa/ Hz2）；f0和f分別為初始頻率和實測頻率（Hz）。

3.2 樁身軸力傳感器布置

需要指出的是，布置樁身軸力傳感器的最初目的并不是為了監(jiān)測河床沖刷，而是為了了解軸力沿樁身方向的分布。以達到監(jiān)測基樁各個樁段荷載分布情況、樁身是否發(fā)生破壞以及不同深度土層的摩阻力。筆者在分析樁身軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測數(shù)據(jù)對于定性分析樁周是否發(fā)生大深度沖刷和防護層是否失效具有一定的參考價值。

主4號墩的基樁樁身軸力監(jiān)測系統(tǒng)由10根監(jiān)測樁組成，即上游承臺的1＃、29＃、64＃邊樁以及承臺中心的32＃樁和臨近系梁區(qū)的36＃樁，下游承臺的77＃、100＃、122＃、126＃邊樁以及承臺中心部位的104＃樁，如圖4所示。每個基樁設(shè)置監(jiān)測8個監(jiān)測斷面，斷面高程分別為-12.0、-25.0、-30.0、-45.0、-55.0、-75.0、-95.0和-123.0 m，斷面編號由上至下為第一至八斷面。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 水深傳感器數(shù)據(jù)分析

蘇通大橋從2008年7月1日通車運營到2013年12月底，北主墩群樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床共進行1.6萬次跟蹤觀測。結(jié)果表明，在通車運營過程中核心區(qū)河床沖淤總體處于平衡狀態(tài)，下面僅給出2012年3月17日、2013年9月15日、2013年12月21日、2013年3月17日觀測結(jié)果，如圖5至圖8所示。

圖5 2012年3月17日主4號墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.5 River contour map of main pier No. 4 in March 17, 2012

圖6 2012年9月15日主4號墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.6 River contour map of main pier No. 4 in September 15, 2012

由圖5至圖8可知，主4號墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部未出現(xiàn)大深度沖刷，在每年長江處于汛期的春夏季節(jié)，樁基礎(chǔ)內(nèi)部大多存在1.2 m左右的沖刷，但是在枯水季節(jié)的秋冬季被沖刷的位置又會出現(xiàn)1 m左右的回填。使得主4號墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部總體處于平衡狀態(tài)。下面給出處于承臺中心區(qū)的32號樁2012年一整年每隔10天的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，如圖9所示。

圖7 2012年12月21日主4號墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.7 River contour map of main pier No. 4 in December 21, 2012

圖8 2013年3月17日主4號墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.8 River contour map of main pier No. 4 in March 17, 2013

圖9 2012年主4號墩第32號樁沖刷實測圖Fig.9 The main pier No. 4 pier No. thirty-second pile scour in 2012

從圖9可以看出，32號樁所處河床面高程在-25～-27 m。整體上看32號樁年沖刷變化趨勢和圖6至圖8所給出的觀測結(jié)果相一致。可見該橋墩沖刷防護方案有效地避免了河床的大深度沖刷，確保了群樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。但是在長江的汛期內(nèi)，還存在小的波動。考慮到長江中下游的氣候條件——春夏多雨，且雨量集中出現(xiàn)在諸如臺風、暴雨天氣中，造成長江水量在短時間內(nèi)變化較大，因而出現(xiàn)波動。

4.2 樁身軸力觀測數(shù)據(jù)分析

從10根處于承臺不同位置的樁身軸力觀測數(shù)據(jù)上看，沿樁長方向軸力分布規(guī)律基本相同。只是由于所處位置不同，受群樁效應(yīng)的影響，不同樁相同斷面間的軸力值大小有所差異。由于位于承臺中心32號樁即布置了水深傳感器又布置有樁身軸力觀測儀器，便于兩個監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的相互對比。故這里給出2012年32號樁的軸力觀測結(jié)果，如圖10所示。

結(jié)合圖9可知，第二斷面位于河床面以上的自由段，第三斷面已經(jīng)穿過河床防護層。樁身軸力在穿過河床防護層后迅速減小。在第二斷面至第三斷面這5 m范圍內(nèi)的土層承擔了大量荷載，由此換算得到的摩阻力值遠遠大于河床表面松散體極限摩阻力值。因而可知防護層對河床表面的松散體有明顯的改良作用，大大提高了松散體的極限摩阻力值。

4.3 32號樁水深傳感器實測數(shù)據(jù)和樁身軸力實測數(shù)據(jù)對比分析

以32號樁為例，理論上來說，當樁周發(fā)生沖刷時，則第二和第三斷面間的持力土層變薄，該層的承載力降低，此時兩者間所測的軸力差將變小。當樁周發(fā)生淤積時，第二和第三斷面間的持力土層變厚，承載力提高，兩者間軸力差值將變大。然而實測數(shù)據(jù)并沒有表現(xiàn)出上述特點。第二和第三斷面實測軸力值及二者的差（第二斷面軸力值減去第三斷面軸力值）如圖11所示。

圖10 主4號墩32號樁樁身軸力實測圖Fig.10 The main pier No. 4 of No. 32 pile shaft axial force test chart

圖11 第二和第三斷面實測值Fig.11 Measured values of second and third sections

結(jié)合圖9水深傳感器的實測數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)在春夏汛期沖刷變深的情況下，第二和第三斷面的軸力差反而變大。分析認為在汛期發(fā)生的沖刷并沒有發(fā)生在防護層內(nèi)，而是防護層上部松散河流淤積層發(fā)生沖刷。由于防護層對河床表面松散層承載性的改良作用，增加了其極限摩阻力，當上部荷載增加時，樁與樁周土的相對位移增大，摩阻力變大，使得第二和第三斷面間的軸力差增大。這也證明了防護層有效的防止樁基礎(chǔ)內(nèi)發(fā)生沖刷。由此可知，可以通過分析河床上自由斷面軸力值和穿過防護層的第一個斷面的軸力差值來定性的分析樁基礎(chǔ)內(nèi)是否發(fā)生涉及防護層的沖刷，防護層是否已經(jīng)失效。例如：當兩者的差值變?yōu)樨撝禃r，則說明防護層以下的第一個斷面已經(jīng)被沖刷揭露而變成自由面。此時荷載必然向更深的地層傳遞，沉降量也將相應(yīng)增大。隨著沖刷的不斷發(fā)展，最終可危及整個橋梁的安全。

5 結(jié)論

1）2008年至2013年這段時間內(nèi)，蘇通大橋主4號墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部總體上處于沖刷平衡狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)危機樁基安全的沖刷。在長江汛期水量增大，流速加快的情況下，防護層也未見破壞。

2)蘇通大橋所使用的分層次大面積沖刷防護方案，經(jīng)過實踐證明了其是科學、有效的。效果顯著地防止了群樁基礎(chǔ)內(nèi)部的沖刷，對于維持樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性有突出效果。

3)先進行防護層袋裝砂袋拋投，再進行鋼護筒的插打。這種施工方法將砂袋較深的擠入松軟的河床底流層，從而確保了防護砂袋的著床效果和沖刷防護效果。同時大量的成片的砂袋被機械擠入，是樁周土層產(chǎn)生強烈的擠密和增密作用，透水性良好的砂袋也增強、加快了地基土的排水固結(jié)作用，從而在較大程度上提高了群樁基礎(chǔ)的承載性和整體性。

4)水深感應(yīng)器監(jiān)測系統(tǒng)，能夠快速、較高精度地觀測埋設(shè)樁底部一定范圍內(nèi)沖刷情況。能夠克服多波束雷達等高科技觀測技術(shù)無法在成橋后準確觀測樁基礎(chǔ)內(nèi)部的弱點。

5)樁身軸力監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、高精度的觀測樁身各樁段的軸力大小。能夠定性地了解河床防護層是否發(fā)生較大沖刷，且該系統(tǒng)多布置在承臺邊緣的邊樁或者角樁，這些樁位應(yīng)該是最容易發(fā)生大深度沖刷的，是對水深觀測系統(tǒng)的補充。

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（責任編輯 王利君）

Experimental analysis of scour protection of deep water group pile foundation of Su Tong Bridge

LIN Minghui，CHEN Zhijian
(School of Earth Science and Enginiering,Hohai University,Nanjing 211100 China)

For those bridge piers built in water, almost all faced with the problem of pier scour. Based on the analysis of water depth sensor and axial force sensor test data of the No.4 main pile of Sutong Bridge in the Yangtze Rive downstream, we found that the scour protection scheme used on the bridge not only prevented the pier scour, and many protective sand bags had been squeezed into the soft riverbed material layer within a certain depth when the steel tube was inserted, which greatly enhanced the ultimate friction resistance of loose bed surface, improved the bearing capacity of pile foundation. The practice proved that the scour protection scheme is scientific and effective, and has important reference value for the design of construction engineering.

sutong bridge;deep water pile;foundation scour protection;the water depth monitoring system;pile shaft force monitoring system

U446

A

1673-9469（2017）02-0050-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.010

2016-08-28

江蘇省政策引導類計劃（BY2015002-05）

林明惠(1991-)，男，福建寧德人，碩士，研究方向為地質(zhì)工程與地質(zhì)資源。