淺談深水基礎(chǔ)發(fā)展對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)體系選擇的影響

文/陸海天 重慶交通大學(xué) 重慶 400074

在橋梁設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的選型尤為重要，它直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的受力性能以及經(jīng)濟(jì)合理性。在跨越江河湖海的橋梁中，跨度成為了設(shè)計(jì)者考慮結(jié)構(gòu)選型的關(guān)鍵因素。由于水下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)者往往會(huì)刻意避免出現(xiàn)大量的水下結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所以對(duì)跨度適中的工程常選取無(wú)水下結(jié)構(gòu)的拱橋體系，對(duì)跨海等超大跨度的橋梁則會(huì)選擇只有2至3個(gè)水下基礎(chǔ)的斜拉橋或懸索橋。由此可見(jiàn)，水下基礎(chǔ)制約了結(jié)構(gòu)體系的選擇，而隨著將來(lái)深水基礎(chǔ)的發(fā)展成熟，跨度很大的橋梁也就有可能像陸地橋梁一樣采用梁式橋的形式，發(fā)揮梁式橋的優(yōu)勢(shì)。故深水基礎(chǔ)的發(fā)展能為橋梁結(jié)構(gòu)體系的選擇提供新的思路。

1、深水基礎(chǔ)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1.1 國(guó)內(nèi)橋梁深水基礎(chǔ)現(xiàn)狀

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)橋梁深水基礎(chǔ)的理論研究有著快速的提升。60年代以前，常用的深水基礎(chǔ)是氣壓沉箱，而1957年建成的武漢長(zhǎng)江大橋首次使用了通過(guò)鋼柱板圍堰的管柱基礎(chǔ)，1968年建成的南京長(zhǎng)江大橋同樣采用了這類管柱基。由此，管柱基礎(chǔ)成為了新的深水基礎(chǔ)中的常用類型。除此之外，在某些特殊的場(chǎng)地條件下，如1985年建成的九江長(zhǎng)江大橋中場(chǎng)地基巖強(qiáng)度較高，并且覆蓋成薄弱，該工程則獨(dú)創(chuàng)性的通過(guò)雙壁鋼沉井圍堰的鉆孔樁基礎(chǔ)，成功實(shí)踐了新的基礎(chǔ)模式。該工程由于其圍堰內(nèi)部無(wú)支撐，簡(jiǎn)化了工序，改善了施工條件，為此后一段時(shí)間的深水基礎(chǔ)形式開(kāi)創(chuàng)了模板，如1995年建成的武漢長(zhǎng)江二橋[1]。

1.2 國(guó)外橋梁深水基礎(chǔ)現(xiàn)狀

國(guó)外修建大跨度橋梁時(shí)間比較早，1950年以來(lái)就在深水及海峽地區(qū)修建了橋梁。國(guó)外的這類橋梁多為斜拉橋和懸索橋，深水基礎(chǔ)主要是主塔結(jié)構(gòu)。這類深水基礎(chǔ)相較國(guó)內(nèi)的發(fā)展而言，其主要優(yōu)點(diǎn)是提升了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大型化和整體化，施工中的材料盡量在工廠預(yù)制，施工多用大型機(jī)械。這種大框架的設(shè)計(jì)思路稱為設(shè)置基礎(chǔ)（placed foundation）[2]。其目的是減少水上施工的周期和工作量，將工作場(chǎng)地放在工廠的預(yù)制上，降低場(chǎng)地的人力，盡量通過(guò)大型的機(jī)械進(jìn)行施工。

2、現(xiàn)行常用的深水基礎(chǔ)

隨著我國(guó)后期突飛猛進(jìn)的發(fā)展，大量中大跨橋梁我修建使我國(guó)積攢了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在深水基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及施工方法上已跟上世界水平。目前常用的深水基礎(chǔ)形式如下：

2.1 管柱基礎(chǔ)

管柱基礎(chǔ)首次運(yùn)用于1957的武漢長(zhǎng)江大橋，并在之后的橋梁建設(shè)中不斷豐富和發(fā)展。管柱基礎(chǔ)按照其支撐情況分為兩類，一類是管柱落在堅(jiān)硬的巖石層上，與巖層形成固接或鉸接支座，稱為端承式管柱。另一類管柱則下沉到達(dá)密實(shí)的土層，主要靠柱底端承力和柱周摩擦力共同受力，稱為摩擦式管樁[3]。管樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是可使水下的施工工作全部改到水面上進(jìn)行，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，此外還能減少施工周期，加快工程進(jìn)度。另一方面，管柱基礎(chǔ)能達(dá)到氣壓沉箱不能達(dá)到的水下施工深度，并且水位的變化不會(huì)對(duì)施工造成太大的影響，因此可常年施工。管樁基礎(chǔ)一般適用于深水區(qū)域的無(wú)覆蓋層或厚覆蓋層，其缺點(diǎn)是不適用于有嚴(yán)重缺陷的地區(qū)。

2.2 鉆孔樁基礎(chǔ)

鉆孔樁是20世紀(jì)美國(guó)發(fā)明的基礎(chǔ)方法，我國(guó)第一次將其運(yùn)用于橋梁工程是1963年修建的南省安陽(yáng)馮宿橋[3]，自此我國(guó)橋梁工程開(kāi)始廣泛采用這種基礎(chǔ)形式。橋梁深水樁基礎(chǔ)是深水基礎(chǔ)中最經(jīng)濟(jì)的一種基礎(chǔ)形式。其多用在深度不是很大的情況下。與另外兩類基礎(chǔ)相比，相同深度下樁基礎(chǔ)的用料要節(jié)省40%～60%[4]。相對(duì)的，鉆孔樁的缺點(diǎn)是剛度相對(duì)較小，在大流速和大量沖刷的情況下，樁的直徑必須適當(dāng)?shù)脑龃螅纱藢?dǎo)致造價(jià)的增加，并且對(duì)打樁的機(jī)械提出更大的要求。

3、新形式深水基礎(chǔ)的發(fā)展需求

3.1 現(xiàn)行水下基礎(chǔ)出現(xiàn)的問(wèn)題

深水基礎(chǔ)存在于水中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的環(huán)境相對(duì)其他陸地環(huán)境要惡劣得多。無(wú)論是混凝土材料還是鋼材，都需要能夠經(jīng)受其長(zhǎng)期的水下浸泡和水流沖刷。此外，深水環(huán)境中的高水壓力也對(duì)構(gòu)件抗?jié)B透能力提出了挑戰(zhàn)。由此，現(xiàn)行的深水基礎(chǔ)病害問(wèn)題十分突出，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)水下基礎(chǔ)，比較常見(jiàn)的病害有：混凝土表面脫離、蜂窩、裂縫、露筋、掏空等[5]。

3.2 對(duì)深水基礎(chǔ)發(fā)展的需求

上面列出的深水基礎(chǔ)的病害和原因，使得在橋梁工程對(duì)水下基礎(chǔ)部分的發(fā)展提出了很高的要求。下面主要介紹一種基于真空預(yù)壓機(jī)理的新形式的基礎(chǔ)設(shè)想，來(lái)應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)深水基礎(chǔ)常見(jiàn)的缺陷。

4、基于真空預(yù)壓機(jī)理新形式深水基礎(chǔ)的設(shè)想

4.1 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓最早是在1952年由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院的W.Kjellman提出的，他闡述了在真空預(yù)壓過(guò)程中孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加的正確觀點(diǎn)[7]。在軟土地基中設(shè)置豎向排水通道，然后在地面鋪上一層不透氣的膜，在膜下抽真空形成壓力差，該壓力差稱為“真空度”，真空度通過(guò)豎向的排水通道向下傳遞，從而引起土中孔隙水壓力下降，使得水分滲出，由泵抽出，起到排水固結(jié)的作用。真空預(yù)壓法的關(guān)鍵在于保證密封的環(huán)境條件，另外早期缺少合適的抽真空裝置，難以達(dá)到所需的真空度，因此該方法在當(dāng)時(shí)很難用于實(shí)際工程中。

4.2 水下的真空預(yù)壓法

隨著我國(guó)的發(fā)展，科研的不斷進(jìn)步，再加上機(jī)械發(fā)展給予了真空預(yù)壓法提供了可能條件，通過(guò)不斷的實(shí)踐研究，我國(guó)在陸地上對(duì)真空預(yù)壓技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在國(guó)際上也達(dá)到了先進(jìn)水平。在實(shí)際工程中，該方法主要用于加固軟土地基和回填土。類似與陸地上的應(yīng)用，水下真空預(yù)壓法適用范圍也比較廣泛，可用在港口碼頭的岸坡工程、圍海造池項(xiàng)目、防波堤加固工程等的軟基處理工程，并且在這些工程中已經(jīng)得到了實(shí)踐。

利用水下真空預(yù)壓機(jī)理于工程中最大的用途就是處理軟土地基問(wèn)題，其代表的處理方法就是排水固結(jié)法。排水固結(jié)法的原理就是在施工區(qū)域設(shè)置排水系統(tǒng)，采用真空施壓系統(tǒng)，通過(guò)改善排水的邊界條件，使海地的土層固結(jié)成塊，提高土地的密實(shí)度，減少土層的沉降。盡管卸載后土體會(huì)產(chǎn)生一定程度的反彈，但與固結(jié)前的相比則已經(jīng)處于超壓密狀態(tài)，從而也就提高了水下地基的承載能力，同時(shí)也減少了土層的沉降量[8]。

與傳統(tǒng)的加壓壓密的方式不同，真空預(yù)壓法對(duì)于加固前后上部的總應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生變化，它是通過(guò)真空技術(shù)將原孔隙水壓力中的上覆水壓力降低后形成的水壓力使得土體排水后固結(jié)。目前經(jīng)常使用的抽真空設(shè)備基本可以滿足水下真空預(yù)壓施工的要求，可以在密封膜下面的砂石墊層中形成負(fù)壓邊界，達(dá)到加固效果[8]。

4.3 新形深水基礎(chǔ)的設(shè)想

基于真空預(yù)壓法的機(jī)理，下面提出一種新形深水基礎(chǔ)的設(shè)想。由于深水環(huán)境中，水壓力十分巨大，利用高強(qiáng)度的水壓力以及抽真空的真空度，所能達(dá)到的壓強(qiáng)是十分可觀的。由此，設(shè)想一種類似真空預(yù)壓裝置的空間塊狀基礎(chǔ)，開(kāi)口倒扣于土層上，土層上鋪上平整的沙礫，再覆蓋一層不透氣的膜，通過(guò)抽真空使得該塊狀基礎(chǔ)像吸盤(pán)一樣吸附在土層上。由于水壓隨著深度的增加而上升，附著在基礎(chǔ)上部向下的壓力也隨著深度的增大而上升，再加上真空本身的真空度，使得基礎(chǔ)產(chǎn)生抗拉力以及抗彎距性能。滿足上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載。

這種設(shè)想的基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)十分明顯：

（1） 施工上十分簡(jiǎn)單，不再需要混凝土材料，工期大大縮減，提高了施工效率，減少了水下工作時(shí)間；

（2） 該設(shè)想所用的材料只需滿足密閉性已經(jīng)自身的各個(gè)力學(xué)性能上，因此不再局限于傳統(tǒng)的建筑材料，可以往新興的其他材料上尋求突破；

（3） 在環(huán)保上，施工階段不污染海洋環(huán)境，減少對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)作物的影響；

（4） 從大的方向上，該設(shè)想如果運(yùn)用實(shí)際，將改變橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)深水基礎(chǔ)的傳統(tǒng)觀念，在設(shè)計(jì)選型上將打破固有局限，產(chǎn)生新的突破。

結(jié)合實(shí)際情況下，此種設(shè)想的深水基礎(chǔ)也有很多的局限性，其中最主要的就是它只能處理較為平整而且很厚的土層，對(duì)巖石類的場(chǎng)地，其壓強(qiáng)差引起的吸附作用有待研究；基礎(chǔ)作為長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需要保證長(zhǎng)達(dá)50年甚至上百年發(fā)揮作用，所以抽真空也將伴隨這個(gè)過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，并且要對(duì)真空度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控；另外，該理論只保證了與場(chǎng)地土地的高強(qiáng)度加壓吸附作用，但對(duì)土體的橫向并沒(méi)有約束，水平移動(dòng)產(chǎn)生的影響不容忽視。

總結(jié)：

深水基礎(chǔ)能否向陸地上的基礎(chǔ)一樣可靠方便，將成為橋梁設(shè)計(jì)階段對(duì)橋型的選擇以及橋墩數(shù)的決定性因素。而隨著交通系統(tǒng)的發(fā)展，將來(lái)的橋梁勢(shì)必更多的橫跨大跨度的江河湖海，對(duì)深水基礎(chǔ)提出了更高的要求。總之，深水基礎(chǔ)的研究將是未來(lái)橋梁發(fā)展的關(guān)鍵課題，它也將直接影響以后橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。