大跨徑拱橋軟弱地基的地下連續墻應用可行性研究

劉 聰

(廣西荔玉高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

近年來，隨著材料技術的發展，超大跨徑拱橋的經濟效益愈發明顯，尤其是鋼管混凝土拱橋[1-4]。其利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中相互作用，充分發揮了材料優點，提高構件承載能力。超大跨徑鋼管混凝土拱橋的剛度是同規模斜拉橋、懸索橋的幾倍至十幾倍，可減少造價1/3左右，在公路及高速鐵路橋梁等領域均有重要的推廣應用價值。由于大跨徑拱橋拱腳處具有很大的豎向荷載和水平荷載，且拱橋上部結構對拱腳處位移較為敏感，要求拱橋地基不僅要具有較高的承載力，還需有較大的變形模量及與基礎間較高的摩擦系數，因此大部分拱橋都選擇將基礎置于堅硬的巖層上[5]。而對于具有深厚軟弱覆蓋層的地區，若將拱橋基礎置于巖層，基坑開挖及基礎建造將會大幅增加工程成本[6]。地下連續墻因其施工噪音低、振動小、墻體剛性大、對土體擾動相對小，同時可將擋土、承重和防水功能“三合一”等優點被廣泛應用于車站、水壩等軟土地基的加固中[7]。本文以平南三橋北岸基礎設計為依托，利用ABAQUS通用有限元軟件[8-9]，分析地下連續墻加固軟弱地基條件下大跨徑拱橋基礎的設計方案可行性，為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

平南三橋位于廣西貴港市平南縣，是荔玉高速公路平南北互通連接線上的一座大橋，采用推力拱結構，主橋為中承式鋼管混凝土拱橋，引橋為現澆預應力混凝土連續梁橋，全長1 035 m，主橋575 m，建成時為世界第一跨度拱橋。主橋北岸側覆蓋層達到30 m，由上層約15 m黏土與粉質黏土和下層約16 m砂卵石層構成，其下為灰巖。

2 拱座基礎設計方案

參與分析論證的基礎設計方案共有三個，分別簡述如下。

方案一：圓形地下連續墻淺基礎，主要由地下連續墻和底板(基礎)構成，其地基為卵石層。首先建造外徑60 m、壁厚1.2 m的圓形地下連續墻，地下連續墻深入巖層≥4 m，接著進行基坑開挖并采用逆作法逐層建造地下連續墻內襯結構，內襯厚度1.5 m。基坑開挖僅至卵石層面即可，開挖深度約為15.5 m。基坑開挖完成后，在卵石層上澆筑厚度6 m的鋼筋混凝土底板作為拱座基礎。方案設計如圖1所示。

圖1 方案一設計簡圖(cm)

方案二：普通淺基礎，此方案大體與方案一相同，僅將作為基坑圍擋結構的地下連續墻取消。方案設計如圖2所示。

圖2 方案二設計簡圖(cm)

方案三：圓形地下連續墻深基礎，主要由地下連續墻和填芯(基礎)構成，其地基為巖層。施工設計同方案一，首先建造一外徑60 m、壁厚1.2 m的圓形地下連續墻，地下連續墻深入巖層≥4 m，接著進行基坑開挖并采用逆作法逐層建造地下連續墻內襯結構，內襯厚度1.5 m，提供內支撐，基坑開挖至巖層后(深度約31.5 m)，坑內采用混凝土填芯，填芯厚度約為24 m，填芯同時作為拱座基礎，此方案設計如圖3所示。

圖3 方案三設計簡圖(cm)

3 拱座基礎設計方案有限元模型

3.1 拱橋基礎設計要求

拱橋上部結構對拱腳處位移比較敏感，較小的位移會帶來上部結構較大的內力變化，對上部結構產生不利影響，為確保承載安全，要求拱座基礎的沉降及水平位移均控制在一定范圍。平南三橋的控制要求為：主拱基礎的容許地基水平位移≤10 mm、豎向位移≤15 mm。

3.2 有限元方案分析

僅建立土層、地下連續墻及拱座基礎(填芯或底板)有限元模型，并將上部結構荷載換算為拱座底部的均布應力，由于拱座剛度較大，如此簡化帶來的誤差可忽略不計。拱座結構及荷載左右幅相互對稱，為降低計算成本，取一半結構建模。為降低邊界條件的影響，土體平面尺寸取地下連續墻平面尺寸的4倍，即240 m×120 m，厚度取：黏土層15.5 m、卵石層16.0 m、巖層20.0 m，其余結構按照方案實際尺寸建立。土體、地下連續墻和基礎之間設置接觸。為盡可能精確地模擬實際情況，分析步驟根據實際施工步驟設置，主要步驟有：地應力平衡、地下連續墻單元激活、基坑分層開挖并激活相應內襯單元、基礎單元激活、施加荷載，其中基坑開挖等利用ABAQUS的單元生死功能實現。方案二中，基坑開挖時，限制坑壁的水平位移以簡化模擬支擋情況。

3.3 有限元分析模型及參數

土體覆蓋層本構模型選用Mohr-Coulomb模型，巖層及混凝土選用線彈性模型，材料參數根據平南三橋相關地勘資料及規范取值[10]，如下頁表1所示。接觸面選用法向硬接觸，切向罰函數接觸模型，摩擦系數如下頁表2所示。單元類型為C3D8R。方案一與方案三的幾何模型如下頁圖4所示。拱腳處水平荷載125 460.0 kN，豎向荷載130 463.5 kN，彎矩499 000.0 kN·m(使基礎向水平荷載的負方向傾覆)，拱座在基礎的投影面積為514.7 m2，將荷載換算為投影區域分布應力為：水平荷載243.76 kPa，豎向荷載569.20 kPa(加拱座自重)，彎矩943 790 kN·m(方案一、二，使基礎向水平荷載方向傾覆，下同)，692 870 kN·m(方案三)。

表1 有限元模型材料參數表

表2 接觸面摩擦系數表

(a)方案一有限元模型

4 設計方案可行性分析

4.1 基礎變形分析

基礎變形直接影響拱座位移，進而影響上部結構內力分布，是決定拱橋承載安全的重要參數。本文通過模擬計算，得到三種方案中基礎的變形情況。方案一水平最大位移值約為4.9 mm，方案二約為16.6 mm，方案三約為0.5 mm。方案一中基礎沉降最大值出現在基礎前緣中間部位，約為9.1 mm；方案二最大沉降值出現在基礎后緣中間部位，約為25.2 mm；方案三基礎沉降最大值出現在拱座區域后緣，約為0.9 mm。

由計算結果分析可知，對比方案一和方案二，由于地下連續墻的約束作用，方案一中基礎位移較方案二有很大改善，最大值僅為方案二的1/3，說明地下連續墻不僅在基坑開挖階段具有支擋作用，而且在整個基礎施工與運營期間對基礎的變形有明顯的限制作用。而方案三的變形值遠遠小于方案一的變形值，表明在地下連續墻作用下，將基礎直接置于巖層可極大程度地避免基礎變形，其水平方向和豎直方向位移均≤1 mm，對拱橋上部結構最為有利，也表明使用C30混凝土替換主橋北岸側覆蓋層中的卵石層可以獲得很好的變形控制能力。三種方案中，方案二的基礎變形超過控制值(水平10 mm，豎向15 mm)。

4.2 基礎應力分析

由卵石層地基應力計算結果可知，方案一較方案二應力分布更加均勻、對稱，更加有利于減小基礎的不均勻沉降。如圖5所示為基底應力沿基礎縱向中心線分布情況，方案一中地基最大應力約為475 kPa，方案二中約為647 kPa，已超過卵石層地基的承載力基本容許值(500 kPa)。上述情況的根本原因是方案二中地下連續墻的組成材料C35混凝土和6 m厚C30鋼筋混凝土底板的彈性模量較大，而泊松比較小，在相同應力下的基礎變形值小，使應力分布均勻，有利于地基穩定性。同理，由C35混凝土作為連續墻，24 m厚C30混凝土作為拱座底板的方案三，因為組成材料的彈性模量較大，且控制深度更深，變形值更小，應力值分布也更加均勻。上述分析表明地下連續墻對基底應力分布和土體應力分布均有較好的改善作用。

圖5 基底應力分布曲線圖

4.3 方案優選

上述分析表明，方案一與方案二相比，顯示出了“地下連續墻+鋼筋混凝土底板”結構的優良效果，其位移值遠低于控制值，且應力分布更加均勻，避免了應力集中，提供了可靠的穩定性。而方案三與方案一相比對拱橋上部結構更為有利，表明使用C30混凝土替換主橋北岸側覆蓋層中的卵石層可以獲得很好的變形控制能力。但根據方案一和三的設計圖(見圖1、圖3)可知，使用方案三需要挖掘場地原有覆蓋層31.5 m，比方案一多16.0 m，且要多使用18.0 m的C30混凝土和22.0 m的C35混凝土。最終，考慮工程施工的人力、機械、材料和時間成本，本工程最終采用方案一的設計方案。綜上，根據本工程案例的模擬結果和最終方案確定的結果表明，在科學意義上，方案三“地下連續墻(35.0 m)+C30混凝土填芯(24.0 m)”的變形性質遠遠優于方案一“地下連續墻(35.0 m)+鋼筋混凝土底板(6.0 m)+原有卵石(16.0 m)”，但在工程意義上，考慮到工程施工的人力、機械、材料和時間成本，且都滿足變形控制標準時，選用方案一更加合理。平南三橋已于2020-12-28建成通車，北岸拱基選用了方案一“地下連續墻+鋼筋混凝土底板”。

4.4 地下連續墻質量控制要求

通過上述分析可知，地下連續墻對拱基強度的增加起到關鍵作用，這就對地下連續墻的施工可靠性和成墻后的穩定性提出了較高要求，根據施工經驗，需要從以下三個方面保證地下連續墻施工可靠性和成墻后的穩定性：

(1)施工過程中的設備選型、導墻制作、泥漿工藝、成槽施工、鋼筋籠制作及吊裝、水下混凝土灌筑等過程要設置嚴格的質量控制標準，保證施工的可靠性。

(2)施工中可能出現的問題要提前計劃并設置好對策，如地下連續墻基巖部分可能有溶洞等不利地質層問題，需處理突發漏漿問題，在粉質黏土中鉆進極易產生坍塌的問題等。

(3)地下連續墻施工完成后，要設計合理科學的檢測手段，進行墻體質量檢測，保證墻體具有足夠的強度和穩定性。

5 結語

(1)在合理設計的前提下，將軟弱地層作為大跨徑拱橋基礎持力層是可行的。

(2)在大跨徑拱橋基礎設計中，合理深度的地下連續墻不僅可以作為基坑開挖的支擋結構，而且能夠在一定范圍內減小基礎位移和變形，改善基底與周圍土體應力分布。

(3)本文中“地下連續墻+鋼筋混凝土底板”和“地下連續墻+混凝土填芯”的拱橋基礎設計方案在類似地質情況下具有普遍適用性。

(4)平南三橋選用了“地下連續墻+鋼筋混凝土底板”作為拱座基礎結構，而在地質條件更差的條件下，可選用“地下連續墻+混凝土填芯”作為建筑基礎。