桥梁工程地基土体渗透特性研究——以江阴长江大桥北锚碇为例

万 为

（贵州省铜仁公路勘察设计院，贵州 铜仁 554300）

0 引言

随着我国基础交通设施的快速发展，各类桥梁工程已经成为我国公路交通网络中不可或缺的组成部分之一。而近年来，由于桥梁地基而引发的施工质量事故频见报端，因此，加强对桥梁工程地基土体渗透特性的研究工作是桥梁施工单位热议的课题之一。在我国大河、大江的中下游，普遍分布有松散的河床覆盖层且其深度较大，在这个地区建造的桥梁工程其地基多为深厚的软土，比如江阴长江大桥，下面就以该桥为例对地基土体渗透特性进一步研究。

1 工程概况

江阴长江大桥[1]主体由引桥、塔墩、锚碇、箱梁、主缆组成，其中位于长江北岸漫滩之上的是北引桥、北锚碇以及北塔墩。勘探资料数据显示，北锚碇所在区域的地面高程2.4m左右，其地基组成为厚河床覆盖层，厚度为78～86m，属多元化复杂结构的土体层。其基岩为三叠系灰岩，0.65～1.35m的地下水埋深。北锚碇主要作用是在大桥投入运营后，承载散索鞍反力2.04kN×105kN与主缆拉拔力6.41kN×105kN，同时向地基岩土体传递这些应力。同时由于北锚碇所在区域的特点是浅表面土体层深，其透水性与物理学性质均较差，因此北锚碇工程的施工始终要解决的主要问题包括抗滑稳定、承载力、水平位移、不均匀沉降等。

面对这些问题，本工程采用的地基施工方法为大体积沉井施工技术，取土体中的含砾中粗砂层作为持力层；北锚碇采用的是钢筋混凝土现浇大体积重力锚形式，锚体重量在1.6kN×106kN左右。除此之外，出于安全考虑，还必须限制碇散索鞍的位移范围小于10cm，沉降范围小于20cm。

2 地基土孔隙水

江阴长江大桥沉井基底持力层的水文地质条件相对较为封闭，而以勘探资料数据显示，长江河床中存在出露的基底持力层，该出露点距北锚碇为1 080m，而长江水与孔隙水存在着一定程度上的联系。长江江阴段为感潮河段，对于沉井基础与北锚碇的稳定性及沉降来说，江水位的波动都会对其造成直接影响，而影响的程度则由地基土层渗透[2]性决定。另外，地基土固结效应也会受到地基土渗透性的影响。因此研究江水水力与孔隙水的联系以及地基土渗透性的研究具有非常重要的现实意义。

该工程对地基土体监测工作是，先在沉井封底之前，埋设9个振弦式渗压计算观测点于基底土层中，随后实施对长江水位与孔隙水的联动监测，以深入研究两者之间的水力关系。其中4个点的监测结果如图1所示。

图1 沉井基底孔隙水与长江水位的联动观测曲线

从图中可以看出，两者之间的水力关系非常密切，但是具体参考还需要考虑监测的时间滞后与水力损失问题。

3 地基土渗透参数反演计算

在获取了监测资料参数以后，便开始对该工程地基土渗透参数[3]进行反演计算，其基本思路为：将监测结果资料输入后，利用土工有限元正程序对沉井与锚体及地基土各点孔压、位移在各个时间段和各种工程情况下的响应量进行计算，把相对应的观测时间、观测点数据代入公式。得到目标函数值后，将其代入收敛判别式中，如果能够使判别公式的条件得到满足，则计算所使用的参数能够视为与实际孔压渗透参数相符；如果不能得到满足，则应对参数进行合理调整，然后重复计算步骤，直到最终得到与实际孔压渗透参数相符的计算结果，即相应的实测孔压渗透参数。北锚碇沉井地基土的初始计算参数见表1和表2。

其中第四土层，即含砾中粗砂层对沉井基础与北锚碇的稳定性与沉降的影响最大，而本工程所埋设的观测点同样位于第四层，因此本工程反演计算针对的对象就是第四层土体，其初始值的确定依据为室内试验与抽水试验，值为180m/d。最终得到的反演计算结果为，第四土层在北锚碇施工技术应用后，其渗透参数能够合理下降23%，即41m/d。

表1 混凝土计算参数

表2 地基土层材料参数

4 反合理性检验

对反结果产生影响的主要问题就是结果的合理性与唯一性。本工程对反演所得的第四土层渗透参数的合理性与正确性进行验证时，所采用的依据是完成锚碇浇筑后所得到的沉降监测值。向正算程序中将反结果得到的参数代入，便能够得到相应的位移结果；再比较监测结果与实际监测值，即可得出合理性比较值（见表3）。

表3 沉井基础位移计算结果与实测沉降值的比较

通过表中数据可以看出，实际沉井基础的监测值较为接近计算值，其相差值只有8%且不大于35%；而实测结果表明，计算值与实测值差异最大的部位是沉井南部，而差异最小的则是沉井北部。造成这种情况的主因是分区封底技术的实施，即沉降多的区域先封底，而沉降少的区域则是后封底的，从而造成沉井南北向的不均匀沉降产生。而本工程计算所采用的参数则是整体完成沉井封底时的参数。除此之外，第一土层至第三土层未进行实测与计算也是出现数据差异的原因之一。计算结果与反检验结果表明，该工程计算所得到的土体渗透参数是唯一且合理的。

5 结语

综上所述，当桥梁工程所处区域下伏土层中有强渗透性、饱和的砂土层存在时，会因上部静荷载所导致土体应力变化后的应力与位移变化而减小地基土体的渗透性，其减小的幅度取决于砂土层渗透性与应力状态等因素。换言之，调整土体应力状态会改变渗透参数，地基土体的排水条件越好，则渗透参数越小，其基础稳定性就越佳。

对于我国桥梁工程来说，地基的稳定性与安全性是决定桥梁使用寿命的关键因素。而我国地质条件复杂，加之桥梁工程所在的地质条件多为大厚度软土，因此研究桥梁地基土体渗透特性是保证桥梁安全的前提与基础。随着科学技术的快速发展，各类新材料、新技术在桥梁工程中的应用，也会使桥梁地基处理更为科学、合理。

[1]李筱艳，董学武，陈志坚，孙英学.长江下游桥梁工程地基土体渗透特性研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（10）：73-75.

[2]李少龙，朱国胜，定培中，张文三.堤防土体渗透系数的概率分布研究[J].长江科学学院院报，2009，26（4）：90-91.

[3]宋志宇，李斌，宋海亭.基于神经网络的土体渗透参数反演研究[J].人民黄河，2009，31（11）：65-67.