基于山區淺覆蓋層花崗巖地質橋梁基礎優化設計

吳輝

（華設設計集團股份有限公司廈門分院，福建廈門 361000）

1 引言

翔安機場高速公路是福建省高速公路網中一條重要的聯絡線，屬于“六縱十橫”中的一部分。項目分北段、南段及大嶝島段3 段施工，北接沈海高速，起于內厝鎮下沙溪村，南接建設中的翔安機場。其中，巷東互通為翔安機場高速公路北段與泉州城市聯盟高速轉換樞紐互通。

巷東互通地形高差較大，大部分區域需要“大挖大填”，土石方量巨大，達1×106m3以上。而對于開挖后的巷東互通場地，大部分為裸露的花崗巖，常規橋梁多采用樁基礎形式。由于受制于地質條件及工期等因素，常規樁基礎施工難度大、工期長。本文通過分析，對巷東互通橋梁基礎進行優化設計。

2 工程地質條件

根據工程地質勘察及現場調查，巷東互通所在場地原始地貌為丘陵山地，巖土層構成較簡單，互通區無活動性斷裂帶通過，區域地質穩定性較好。但場區位于大規模采石場內，經長期采石開挖，原始地形地貌已遭受嚴重破壞，開采區四周形成高聳陡崖，隨處可見危巖、掉塊、小型坍塌等地質災害；開采區內部受無序開采影響，分布有大小深度不一的采石坑區。

場地主要由局部填土及大面積直接裸露的強風化巖、中微風化巖構成[1]。

3 橋梁結構形式

巷東互通為翔安機場高速公路北段與泉州城市聯盟高速轉換樞紐互通，主線橋選用裝配式預應力混凝土T 梁結構，匝道橋采用預應力混凝土現澆箱梁，本文選擇對巷東互通典型匝道橋E 匝道橋第三聯（跨度組合為35.4 m+36 m+2×35 m）進行分析。原設計下部結構采用花瓶墩，承臺樁基礎結構。互通內橋墩高度為8～16 m，基礎為滿足彈性樁要求，最短樁長9～12 m，橋梁標準橫斷面如圖1 所示。

圖1 橋梁標準橫斷面（單位：cm）

4 實際實施時遇到的問題

根據互通區微地形設計，對場地微地形處理后，部分橋位處于開挖后的微風化花崗巖范圍內，項目施工中，存在如下問題：

1）巖層強度高，樁基礎施工極其困難，對鉆孔機具要求高，且易損壞。

2）施工速度慢，鉆進困難時，1 d 只能鉆進10 cm，無法滿足省重點項目的工期要求[2]。

考慮到實際施工存在的問題，亟須對橋梁基礎設計進行優化。

5 橋梁結構優化

因基礎處于花崗巖持力層，巖面較完整，巖石飽和抗壓強度高，地基承載力能滿足要求，優化設計考慮將原有橋梁樁基礎優化為擴大基礎，以降低施工難度，縮短施工工期。根據試算，初步擬定擴大基礎的尺寸為8 m×8 m×2.5 m，如圖2所示。

圖2 基礎優化結構圖（單位：cm）

6 結構受力分析

經優化后的基礎需滿足橋梁抗傾覆、地基承載力、偏心距等要求。

6.1 靜力計算結果

下部結構考慮的作用有上部結構的重力、橋墩的重力、基礎重力、支座摩阻力、W1風荷載、W2風荷載等。

組合Ⅰ：上部結構荷載+橋墩、基礎重力+汽車荷載+支座摩阻力+W1風荷載；

組合Ⅱ：上部結構荷載+橋墩、基礎重力+W2風荷載。

經計算，荷載及荷載組合對基礎底部產生的內力匯總見表1。

表1 荷載及荷載組合對基礎底部產生的內力匯總

6.2 抗震計算結果

采用橋梁博士V4.3 建立模型進行抗震分析（見圖3），以空間桿系模型進行。主橋縱橋向設定為局部系X 方向，橫橋向設定為局部系Y 方向，豎向設定為全局系Z 方向。

圖3 抗震計算模型

抗震計算基礎底效應組合見表2。

表2 抗震計算基礎底效應組合

由計算結果可知，在地震作用下，對于固結墩，墩高越低，橋墩受力越不利；對于一般墩，墩高越高，橋墩受力越不利。因此，對于固結墩，墩高按8 m 進行控制計算；對于一般墩，墩高按16 m 進行控制計算[3]。

6.3 基礎計算結果分析

1）抗傾覆穩定性。抗傾覆穩定系數計算見表3。

表3 抗傾覆穩定系數計算

由計算可知，固結墩橋墩在E2 地震作用下抗傾覆系數為0.83＜1.3，不滿足規范要求，因此，固結墩仍采用樁基礎。對于一般墩，E2 地震作用下抗傾覆系數為4.3＞1.3，滿足規范要求。因此，固結墩不滿足優化條件，僅對一般墩進行優化。

2）基底應力計算。經計算，基底應力最大為380 kPa,應力小于持力層承載能力，滿足要求。對于中風化花崗巖持力層，承載力遠大于設計基底應力，因此，對于此類巖層，較適合采用擴大基礎。

3）偏心距計算。以一般墩在E2 地震作用下進行分析，最不利偏心距e0=0.93＜[e0]=1.914，滿足要求。

4）基礎配筋。經計算，基底配置79 根φ22 mm 鋼筋，滿足要求。

5）基礎抗剪計算：

式中，βhs為剪切高度影響系數；Vs為剪力設計值；ft為抗拉強度設計值；A0為驗算截面有效面積。經計算，截面抗剪驗算滿足要求。

6）基礎抗沖切計算：

式中，Pj為地基土單位面積凈反力；Aj為沖切驗算取用基底面積；Fl為相應于Aj上的凈反力設計值；am為沖切椎體最不利一側計算長度；h0為沖切破壞椎體有效高度。經計算，基礎沖切計算滿足要求。

經以上分析，對于固結墩，基礎由樁基礎調整為擴大基礎，抗傾覆穩定性無法滿足要求，對于一般墩，基礎由樁基礎調整為8 m×8 m×2.5 m 的擴大基礎，結構受力滿足要求，因此，僅對一般墩基礎進行優化，對固結墩，維持原有樁基礎結構。

7 施工措施建議

本項目開挖土石方量較大，大部分采用爆破開挖，建議預留基礎一定深度范圍內采用非爆破開挖，以免破壞持力層巖石結構，影響結構受力。

基坑開挖完成，需清除基坑內松散石塊，建議用高壓水槍沖洗干凈，清理后的基坑應露出完整、干凈的巖石，以保證地基與基礎連接緊密。

8 結論

1）選取典型匝道橋35.4 m+36 m+2×35 m 預應力混凝土現澆箱梁進行分析，分別以8 m 墩高和16 m 墩高進行計算分析。對于固結墩，墩高按8 m 進行控制計算；對于一般墩，墩高按16 m 進行控制計算。

2）匝道橋固結墩在E2 地震作用下抗傾覆驗算不滿足要求，仍采用樁基礎，對于匝道橋一般墩基礎，由樁基礎優化為擴大基礎，結構受力滿足要求。

3）優化基礎后，施工速度較快、施工難度降低，同時節省了造價。

4）目前，巷東互通已完成箱梁施工，優化后實施效果良好，可為山區橋梁基礎提供借鑒。