大直徑樁基在強震區獨塔斜拉橋中的應用

王文銘

（海南省交通工程建設局，海南 海口 570208）

大直徑樁基在強震區獨塔斜拉橋中的應用

王文銘

（海南省交通工程建設局，海南 海口 570208）

為解決某大跨徑獨塔斜拉橋橋址區地震烈度較高，基礎的縱橫向彎矩及剪力較大，同時出現上拔力等問題，結合某獨塔斜拉橋工程，從動力特性計算、抗震計算和主墩樁基礎設計等方面介紹了大直徑樁基在強震區獨塔斜拉橋中的應用，以期為同類型橋梁工程參考。

獨塔斜拉橋；強震區；大直徑樁基

0 引言

獨塔斜拉橋不僅造型美觀，結構形式豐富多變，而且還能較好地與周圍環境融合在一起，形成獨特的景觀效果。同時獨塔斜拉橋由于免做對岸的橋塔，在基礎造價偏高的情況下，可以有效降低造價，具有較好的經濟性。由于獨塔斜拉橋在斜拉橋中剛度相對較大，且自重主要集中在主塔，在高強地震烈度下，地震動通過承臺全部傳入地基，使地基承受較大內力，因此選擇合適的地基形式對于結構的抗震具有重要意義。

某大跨徑獨塔斜拉橋橋址區地震烈度較高，在計算E2地震反應時，基礎的縱橫向彎矩及剪力較大，同時出現上拔力，結合實際工程地質條件，地基形式采用大直徑鉆孔灌注群樁基礎。本文結合某獨塔斜拉橋工程，從動力特性計算、抗震計算和主墩樁基礎設計等方面介紹了大直徑樁基在強震區獨塔斜拉橋中的應用，以期為同類型橋梁工程參考。

1 橋梁簡介

本橋為跨海獨塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋寬37.3 m，跨徑布置為（230+230）m，索塔采用倒Y形，過渡墩采用薄壁空心墩。主墩基礎形式為鉆孔灌注樁群樁基礎，分離式承臺，按嵌巖樁設計，樁徑4.0 m，C35海工混凝土，鋼護筒直徑4.3 m。主橋總體布置圖如圖1所示，主塔承臺及基礎平面圖如圖2所示。

工程地質概況：橋址區位于地殼垂直運動產生的凹陷盤地邊緣臺地，地質構造復雜，該區域目前正處于地震應變能主釋放向剩余釋放過渡階段，推測未來仍存在發生強震的可能。參照《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），橋址區為8度設防區，設計地震分組為第一組，本區基本地震動峰值加速度為0.30 g。橋址區地層為海相新近沉積的細砂、淤泥質土層覆蓋，下伏一定厚度的洪沖積砂礫及卵石層，基巖由第三系地層及花崗巖基底構成。總體而言，橋位區基巖埋深淺，基巖面起伏不大，未發現明顯的地質缺陷，工程地質條件較好。

2 動力特性計算

動力特性分析采用大型通用有限元軟件Midas Civil 2012計算，主梁和主塔按照實際空間位置離散為空間梁單元，斜拉索離散為桁架單元，如圖3所示，并按照各自的截面特性和材料特性賦值進行計算。

采用Lanczos法進行動力特性分析，DX、DY、DZ各方向的陣型參與質量均達到99%以上。動力計算特性結果見表1。

3 抗震計算

根據本橋地震安全性評價報告，大橋工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度。設計地震動峰值加速度及加速度反應譜由以下公式確定：

式中：Amax為設計地震動峰值加速度；β（T）為設計地震動加速度放大系數反應譜；αmax為地震影響系數最大值。且有

圖1 主橋總體布置圖

圖2 主塔基礎平面圖

圖3 空間動力分析模型

表1 動力特性結果

對應于50年超越概率10%、2%的場地地震水平向設計地震動參數值見表2。

表2 水平向設計地震動峰值加速度及反應譜（5%阻尼比）參數值

本橋時程抗震分析計算采用50年10%及50年2%兩個超越概率水準的水平和豎向加速度時程，每一超越概率取3組時程波進行計算。地震輸入采用兩種方式：縱向＋豎向；橫向＋豎向。計算結果取3組數據結果的最大值。E2地震作用下加速度時程曲線如圖4所示。

圖4 加速度時程曲線（50年2%超越概率）

根據抗震計算結果，在恒載+E2地震工況下，主塔樁基單根樁承受的樁底豎向最大壓力為104 199 kN，樁頂最大豎向拉力為48 438 kN。

4 主墩樁基礎設計

根據地質資料，本橋主墩樁基所在位置地層分布為淤泥質土、細砂、礫砂、中風化花崗巖、微風化花崗巖，其中中風化花崗巖埋深為11.04～14.81 m，層厚度為0.7～4.0 m，下伏基巖為完整微風化花崗巖，飽和單軸抗壓強度為63.9～103.5 MPa，平均值為83.2 MPa。根據橋梁自身的結構特點，本橋樁基礎的受力主要考慮樁側摩阻力及樁底豎向承載力兩個方面，鑒于本橋基礎為嵌巖樁且基巖抗壓強度較大，樁基礎的豎向抗壓承載能力很容易滿足要求，設計樁長由抗拔力控制，下文主要探討樁側摩阻力是否滿足抗拔要求。

對于嵌巖樁的抗拔計算，相關規范并沒有給出明確規定及計算公式，計算時一般參考摩擦樁的抗拔力計算公式，下面是公路、鐵路及建筑規范中對摩擦樁的抗拔計算規定：

（1）《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63—2007）[1]摩擦樁單樁軸向受拉承載力容許值（第5.3.8條）：

（2）《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》（TB 10002.5—2005）[2]摩擦樁軸向受拉容許承載力（第6.2.2-5條）：

（3）《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[3]群樁基礎基樁抗拔承載力（第5.4.5條）。

整體破壞：

非整體破壞：

各規范公式計算原理基本相同，即抗拔力取為樁自重加樁側摩阻力，其中樁側摩阻力由樁徑、土層摩阻力標準值及土層厚度確定。不同之處在于各規范采取的安全系數略有不同。本橋在地震作用下單樁上拔力較大，嵌巖石深度及樁徑的選擇尤為重要。一方面地震作用下砂土液化，樁側摩阻力主要由混凝土與花崗巖之間的摩擦特性控制。同等條件下樁徑越大，混凝土與花崗巖接觸越充分，樁側摩阻力分布越均勻，樁與巖石的相對運動趨勢越明顯，摩擦力能傳遞的深度也越長。

另一方面樁徑越大施工難度及施工風險就越大，綜合考慮后選用直徑4.0 m的群樁基礎，設計樁長29～38 m，樁長按嵌巖深度不小于3倍樁徑控制。

根據地勘資料，本橋所在位置中風化花崗巖樁側摩阻力標準值取為900 kPa，微風化花崗巖樁側摩阻力標準值取為1 800 kPa，與平均單軸飽和抗壓強度的線性關系為

按《公路橋涵地基與基礎設計規范》的計算公式，結合鉆孔資料，單樁抗拔力計算結果為89 910～98 261 kN，滿足設計要求，并有一定富余。

5 結語

在高地震烈度地區獨塔斜橋的基礎設計過程中，必須充分重視主墩基礎結構形式的選取，并結合地質情況對抗震計算結果做實事求是的分析。目前國內對超大直徑樁基礎的設計及施工經驗有限，但隨著施工設備及施工工藝的不斷改進，超大直徑樁基礎的應用將越來越多，特別是跨海大橋。本文依托實際工程，從動力特性計算、抗震計算和主墩樁基礎設計等方面介紹了大直徑樁基在強震區獨塔斜拉橋中的應用，以期為同類型橋梁工程參考。

[1]JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[2]TB 10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].

[3]JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[4]黃學漾，宗周紅，夏堅，黎雅樂，夏樟華.強震作用下獨塔斜拉橋模型的非線性動力響應分析 [J].東南大學學報（自然科學版），2015,45（2）:354-359.

[5]肖勇剛，鄧舒文.大跨徑鋼桁梁斜拉橋主梁線形敏感性分析[J].公路與汽運，2014(2):162-165.

[6]燕斌，杜修力，韓強，賈俊峰.減隔震混合裝置在獨塔斜拉橋抗震設計中的應用[J].橋梁建設，2014,44(6):101-106.

[7]李新平，王沸仁.基于MIDAS的斜拉橋成橋索力優化方法[J].公路與汽運，2014(6):149-151.

[8]左新黛.獨塔斜拉橋靜力分析及整體穩定性研究 [D].長沙：長沙理工大學，2005.

U443.15，U442.5+5

A

1009-7716（2017）09-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.022

2017-04-21

王文銘（1984-），男，海南澄邁人，工程師，從事公路工程建設管理工作。