基于山區(qū)淺覆蓋層花崗巖地質(zhì)橋梁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

吳輝

（華設(shè)設(shè)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(wǎng)中一條重要的聯(lián)絡(luò)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(nèi)厝鎮(zhèn)下沙溪村，南接建設(shè)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(lián)盟高速轉(zhuǎn)換樞紐互通。

巷東互通地形高差較大，大部分區(qū)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(guī)橋梁多采用樁基礎(chǔ)形式。由于受制于地質(zhì)條件及工期等因素，常規(guī)樁基礎(chǔ)施工難度大、工期長。本文通過分析，對巷東互通橋梁基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察及現(xiàn)場調(diào)查，巷東互通所在場地原始地貌為丘陵山地，巖土層構(gòu)成較簡單，互通區(qū)無活動性斷裂帶通過，區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較好。但場區(qū)位于大規(guī)模采石場內(nèi)，經(jīng)長期采石開挖，原始地形地貌已遭受嚴重破壞，開采區(qū)四周形成高聳陡崖，隨處可見危巖、掉塊、小型坍塌等地質(zhì)災(zāi)害；開采區(qū)內(nèi)部受無序開采影響，分布有大小深度不一的采石坑區(qū)。

場地主要由局部填土及大面積直接裸露的強風(fēng)化巖、中微風(fēng)化巖構(gòu)成[1]。

3 橋梁結(jié)構(gòu)形式

巷東互通為翔安機場高速公路北段與泉州城市聯(lián)盟高速轉(zhuǎn)換樞紐互通，主線橋選用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁結(jié)構(gòu)，匝道橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，本文選擇對巷東互通典型匝道橋E 匝道橋第三聯(lián)（跨度組合為35.4 m+36 m+2×35 m）進行分析。原設(shè)計下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩，承臺樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。互通內(nèi)橋墩高度為8～16 m，基礎(chǔ)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(jù)互通區(qū)微地形設(shè)計，對場地微地形處理后，部分橋位處于開挖后的微風(fēng)化花崗巖范圍內(nèi)，項目施工中，存在如下問題：

1）巖層強度高，樁基礎(chǔ)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(chǔ)設(shè)計進行優(yōu)化。

5 橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

因基礎(chǔ)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(yōu)化設(shè)計考慮將原有橋梁樁基礎(chǔ)優(yōu)化為擴大基礎(chǔ)，以降低施工難度，縮短施工工期。根據(jù)試算，初步擬定擴大基礎(chǔ)的尺寸為8 m×8 m×2.5 m，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

6 結(jié)構(gòu)受力分析

經(jīng)優(yōu)化后的基礎(chǔ)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(jié)果

下部結(jié)構(gòu)考慮的作用有上部結(jié)構(gòu)的重力、橋墩的重力、基礎(chǔ)重力、支座摩阻力、W1風(fēng)荷載、W2風(fēng)荷載等。

組合Ⅰ：上部結(jié)構(gòu)荷載+橋墩、基礎(chǔ)重力+汽車荷載+支座摩阻力+W1風(fēng)荷載；

組合Ⅱ：上部結(jié)構(gòu)荷載+橋墩、基礎(chǔ)重力+W2風(fēng)荷載。

經(jīng)計算，荷載及荷載組合對基礎(chǔ)底部產(chǎn)生的內(nèi)力匯總見表1。

表1 荷載及荷載組合對基礎(chǔ)底部產(chǎn)生的內(nèi)力匯總

6.2 抗震計算結(jié)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(shè)定為局部系X 方向，橫橋向設(shè)定為局部系Y 方向，豎向設(shè)定為全局系Z 方向。

圖3 抗震計算模型

抗震計算基礎(chǔ)底效應(yīng)組合見表2。

表2 抗震計算基礎(chǔ)底效應(yīng)組合

由計算結(jié)果可知，在地震作用下，對于固結(jié)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(jié)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(chǔ)計算結(jié)果分析

1）抗傾覆穩(wěn)定性。抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算見表3。

表3 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算

由計算可知，固結(jié)墩橋墩在E2 地震作用下抗傾覆系數(shù)為0.83＜1.3，不滿足規(guī)范要求，因此，固結(jié)墩仍采用樁基礎(chǔ)。對于一般墩，E2 地震作用下抗傾覆系數(shù)為4.3＞1.3，滿足規(guī)范要求。因此，固結(jié)墩不滿足優(yōu)化條件，僅對一般墩進行優(yōu)化。

2）基底應(yīng)力計算。經(jīng)計算，基底應(yīng)力最大為380 kPa,應(yīng)力小于持力層承載能力，滿足要求。對于中風(fēng)化花崗巖持力層，承載力遠大于設(shè)計基底應(yīng)力，因此，對于此類巖層，較適合采用擴大基礎(chǔ)。

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(chǔ)配筋。經(jīng)計算，基底配置79 根φ22 mm 鋼筋，滿足要求。

5）基礎(chǔ)抗剪計算：

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

6）基礎(chǔ)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(yīng)于Aj上的凈反力設(shè)計值；am為沖切椎體最不利一側(cè)計算長度；h0為沖切破壞椎體有效高度。經(jīng)計算，基礎(chǔ)沖切計算滿足要求。

經(jīng)以上分析，對于固結(jié)墩，基礎(chǔ)由樁基礎(chǔ)調(diào)整為擴大基礎(chǔ)，抗傾覆穩(wěn)定性無法滿足要求，對于一般墩，基礎(chǔ)由樁基礎(chǔ)調(diào)整為8 m×8 m×2.5 m 的擴大基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)受力滿足要求，因此，僅對一般墩基礎(chǔ)進行優(yōu)化，對固結(jié)墩，維持原有樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

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(yù)留基礎(chǔ)一定深度范圍內(nèi)采用非爆破開挖，以免破壞持力層巖石結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)受力。

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

8 結(jié)論

1）選取典型匝道橋35.4 m+36 m+2×35 m 預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)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(jié)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(jié)墩在E2 地震作用下抗傾覆驗算不滿足要求，仍采用樁基礎(chǔ)，對于匝道橋一般墩基礎(chǔ)，由樁基礎(chǔ)優(yōu)化為擴大基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

3）優(yōu)化基礎(chǔ)后，施工速度較快、施工難度降低，同時節(jié)省了造價。

4）目前，巷東互通已完成箱梁施工，優(yōu)化后實施效果良好，可為山區(qū)橋梁基礎(chǔ)提供借鑒。