巖溶區(qū)上承式箱型拱橋抗推基礎設計研究

王 亮，余章亮

（1.中冶京誠工程技術有限公司，北京市 100176；2.中冶京誠工程技術有限公司，北京市 100176）

0 引言

在橋梁建設市場中，從經(jīng)濟、施工難易程度等考慮，30～200 m 跨徑的拱橋，往往采用上承式的箱型拱，有推力結構，利用地基土來承擔水平推力。

在非巖石地質(zhì)條件下，建造拱橋往往需要設置大體積的重力式基礎或者大規(guī)模的群樁基礎。大體積的重力式基礎首先是開挖工作面很大，基坑很深，造價很高。群樁基礎由于樁身截面結構尺寸偏小，往往不適用。在一些軟弱土質(zhì)地區(qū)、巖溶地區(qū)修建拱橋往往受到限制，要不就是要花費較大的經(jīng)濟成本來做大做強基礎，要不就是需要改變橋梁結構形式。

國內(nèi)，諸多學者對格柵式地下連續(xù)墻的承載性狀進行了相關研究。孟凡超[1]等在黃土中對橋梁實體基礎與矩形閉合型地下連續(xù)墻基礎開展了對比水平載荷模型試驗和有限元分析，結果表明，地下連續(xù)墻的慣性矩和側表面積較大，具有更好的整體穩(wěn)定性，基礎內(nèi)部土體不提供豎向摩擦力和水平力。羅鑫[2]通過室內(nèi)對比試驗及數(shù)值模擬，考慮墻體內(nèi)土芯的作用，對閉合型地下連續(xù)墻基礎的沉降特性、土芯的負摩阻力、墻體內(nèi)外側摩阻力、端阻力、土芯頂部反力及其荷載分擔比特性等進行分析和研究，探討了矩形閉合型地下連續(xù)墻基礎的墻-土-承臺相互作用過程。戴國亮等[3]對單室型和四室型井筒式地下連續(xù)墻進行了水平靜載荷試驗，研究了不同格室井筒式地下連續(xù)墻基礎的水平承載性狀和破壞特性。吳九江、程謙恭等[4]為分析地下連續(xù)墻的豎向承載力性狀，對單室、兩室地下連續(xù)墻及群樁開展了對比模型試驗，并結合數(shù)值模擬進行了較詳盡的研究，提出了一種基于荷載傳遞法的格柵式地連墻基礎沉降的計算方法。

綜上所述，國內(nèi)部分學者對將地下連續(xù)墻作為基礎使用的方法進行了一定的研究，一般是基本基于均勻土層，主要研究的是其摩阻力和水平承載力。但是，對于巖溶區(qū)區(qū)地下連續(xù)墻作為拱橋抗推基礎少有研究，因此，本項目的設計技術研究很有必要。

1 工程概況

某上承式箱型拱橋橋梁跨徑布置為：10 m（現(xiàn)澆板）+25 m（現(xiàn)澆箱梁）+13 m（簡支空心板）+108 m（鋼筋混凝土拱）+25 m（現(xiàn)澆箱梁）。主拱凈跨105 m，矢高13.125 m，矢跨比為1/8，如圖1 所示。橋梁全寬16.75 m，斷面布置為4.5 m 人行道+11.75 m 行車道+0.58 m 防撞護欄，如圖2 所示。拱肋結構采用箱型結構，梁高2.0 m，寬11.4 m，腹板厚0.5 m。

圖1 上承式拱橋立面圖（單位：cm）

圖2 上承式拱橋橫斷面圖（單位：cm）

設計汽車荷載：公路-Ⅰ級，人群荷載5 kPa。

2 橋址工程區(qū)地層巖性

橋址區(qū)出露地層巖性主要有第四系人工填土（Qml），第四系全新統(tǒng)（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土及卵石土，殘坡積層（Qel+dl）紅黏土，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組（∈1q2）灰?guī)r。

中風化灰?guī)r（∈1q1）：灰白，青灰色，隱晶質(zhì)結構，厚層狀構造，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，由方解石充填，節(jié)理面有大量黑云母片，塊徑1～3 cm，節(jié)長10～60 cm，錘擊聲脆，局部有溶蝕現(xiàn)象。根據(jù)勘察揭露結果，已完成鉆孔54個，共有31個鉆孔發(fā)現(xiàn)溶洞，溶洞最大高度為11.6 m。其中單洞17個，雙洞8個，3 洞4個，4 洞2 個。見洞率57.4%。橋臺、橋墩、及拱腳位置溶洞極為發(fā)育，應考慮其是否有連通的可能性。擬建場地為巖溶復雜地段，巖溶為強發(fā)育。巖土物理力學性質(zhì)及設計參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學性質(zhì)及設計參數(shù)

3 拱腳基礎設計方案

橋梁上部結構采用平面桿系有限元進行計算，拱腳約束采用固結約束，主橋有限元模型如圖3 所示。

圖3 拱橋上部結構有限元模型

經(jīng)計算，標準組合作用下拱腳最大水平支反力為72 931 kN，豎向力為37 030 kN。

根據(jù)地勘資料2 號拱腳處溶洞非常發(fā)育，溶洞呈串珠狀，且厚度較厚，從0 號臺、1 號墩和2 號拱腳基礎鉆孔柱狀圖中的溶洞規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，該地層巖溶基本聯(lián)通呈層狀，這對于拱腳的受力極為不利。

首先，由于底層卵石土層和黏土層較厚，地基承載力較小，2 號拱腳基礎不適用重力式基礎。然后，考慮群樁基礎，群樁基礎穿過溶洞承擔拱腳豎向力是可行的；但是由于溶洞的存在，樁基橫斷面面積小，缺少足夠的側向支撐，無法承擔巨大的水平推力。因此，需要選擇一種基礎形式具有較大縱向剛度和較大橫向面積，以抵抗拱腳水平推力。

地下連續(xù)墻基礎縱橫向可成框架體系，縱向剛度和橫向面積均較大，是合適的拱腳抗推基礎形式，同時采用常規(guī)樁基礎來承擔豎向力，形成樁基和地下連續(xù)墻組合體系來分擔豎向力和水平力。地下連續(xù)墻與樁基礎承臺之間設置豎向隔離層，保證自由沉降，以確保受力分工明確。地下連續(xù)墻內(nèi)部挖除頂部雜填土，挖至巖層，設置抗剪齒塊，保證水平向力的傳遞。2 號拱腳基礎一般構造如圖4 和圖5 所示。

圖4 拱腳基礎立面圖（單位：cm）

圖5 拱腳基礎平面圖（單位：cm）

4 拱腳基礎有限元計算

本文采用ANSYS 實體有限元模型進行計算分析，結構和巖體采用Soild45 單元進行模擬。由于本橋上覆雜填土覆蓋層，且存在串珠狀溶洞，計算偏安全的不考慮上部雜填土的抗力，不考慮溶洞填充部分的抗力，有限元模型如圖6 所示。

圖6 基礎實體有限元模型

計算內(nèi)容主要確定地下連續(xù)墻和基巖的應力分布規(guī)律和變形分布規(guī)律，計算應力如圖7 所示，計算變形如圖8 所示。

圖7 基礎順橋向正應力云圖（單位：P a）

從圖7 可以看出，在水平力作用下，地下連續(xù)墻基礎的正應力從受力點到基礎巖層呈45°斜向傳遞，除去去應力集中點位值，最大正應力約2 110 kPa，小于中風化巖層水平向承載力4 500 kPa。

從圖8 可以看出，在水平力作用下，地下連續(xù)墻墻體水平向變形規(guī)律沿高度逐漸減小，其中拱腳作用點位置約1.6 mm，小于拱橋上部結構計算采用值5 mm。

圖8 基礎順橋向變形云圖（單位：m）

由此可以看出地下連續(xù)墻結構具有縱向結構的連續(xù)性，具有較大的縱向剛度，計算應力和變形均較小，可以滿足方案設計要求。

5 結論

（1）上承式箱型拱橋拱腳水平推力很大，在地質(zhì)不良地區(qū)尤其是巖溶地區(qū)修建存在一定的難度，常規(guī)的重力式基礎和樁基礎方案適用性存在一定的問題；因此，創(chuàng)新的研究出一種新型的抗推組合結構，利用樁基承擔豎向力，利用地下連續(xù)墻承擔水平力，充分發(fā)揮了各自結構的受力能力。

（2）地下連續(xù)墻作為拱橋抗推基礎具有較大的縱向剛度和橫向受力面積，可以起到應力從上到下傳遞的作用，可以對應力進行有效擴散。地下連續(xù)墻對于拱橋拱腳的縱向變位有利，其較大的縱向剛度決定了其縱向變位很小。

（3）地下連續(xù)墻可同時作為基坑的維護結構，避免了基坑的大面積開挖，減少了安全風險。