巖溶區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。在一些軟弱土質地區、巖溶地區修建拱橋往往受到限制，要不就是要花費較大的經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，諸多學者對格柵式地下連續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，地下連續墻的慣性矩和側表面積較大，具有更好的整體穩定性，基礎內部土體不提供豎向摩擦力和水平力。羅鑫[2]通過室內對比試驗及數值模擬，考慮墻體內土芯的作用，對閉合型地下連續墻基礎的沉降特性、土芯的負摩阻力、墻體內外側摩阻力、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]為分析地下連續墻的豎向承載力性狀，對單室、兩室地下連續墻及群樁開展了對比模型試驗，并結合數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，國內部分學者對將地下連續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，對于巖溶區區地下連續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（現澆板）+25 m（現澆箱梁）+13 m（簡支空心板）+108 m（鋼筋混凝土拱）+25 m（現澆箱梁）。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 橋址工程區地層巖性

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

中風化灰巖（∈1q1）：灰白，青灰色，隱晶質結構，厚層狀構造，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，節理裂隙較發育，由方解石充填，節理面有大量黑云母片，塊徑1～3 cm，節長10～60 cm，錘擊聲脆，局部有溶蝕現象。根據勘察揭露結果，已完成鉆孔54個，共有31個鉆孔發現溶洞，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，巖溶為強發育。巖土物理力學性質及設計參數見表1。

表1 巖土物理力學性質及設計參數

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。

根據地勘資料2 號拱腳處溶洞非常發育，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律可以發現，該地層巖溶基本聯通呈層狀，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，同時采用常規樁基礎來承擔豎向力，形成樁基和地下連續墻組合體系來分擔豎向力和水平力。地下連續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。地下連續墻內部挖除頂部雜填土，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

計算內容主要確定地下連續墻和基巖的應力分布規律和變形分布規律，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，地下連續墻墻體水平向變形規律沿高度逐漸減小，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墻結構具有縱向結構的連續性，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，在地質不良地區尤其是巖溶地區修建存在一定的難度，常規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，利用地下連續墻承擔水平力，充分發揮了各自結構的受力能力。

（2）地下連續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。