某黄河大桥基础方案设计及比选

2017-10-29牛东强

山西交通科技 2017年5期

牛东强

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

1 工程背景

某黄河大桥是跨越黄河小北干流，沟通晋、陕两省的高等级公路特大型桥梁，桥位处地形由黄河河谷和一级、二级、三级黄土阶地构成，近4500 m桥长范围内的桥梁高度超过100 m，最大桥高142 m，同时存在软弱地基、强风、强震和强冲刷等诸多不利影响（图1桥位纵断面图）。

本文研究的桥梁方案为初设阶段的推荐方案，主桥上部结构为（ 140+5×180+140）m+4×（ 140+4×180+140）m，为上承式变高度钢桁架连续梁桥，两侧引桥上部结构分别为16×50 m、7×50 m预应力混凝土连续箱梁，桥梁总长为6330 m；下部主墩采用变截面空心墩，单箱双室截面；基础为六边形承台接群桩基础（图2桥型布置图）。

图1 桥位纵断面图

图2 桥型布置图

2 水文、地质条件

2.1 水文

桥位处黄河河道具有“三十年河西，三十年河东”的河道变迁特点，河床宽浅，主流摆动频繁，是典型的堆积游荡性河道，勘设时主河槽水面宽度1170 m，水深一般小于3 m。本桥设计防洪标准为300年一遇洪水，施工期防洪标准为20年一遇洪水。根据《本桥防洪评价报告》，设计洪峰流量为：P0.33%=31800 m3/s，相应设计洪水位为356.809 m。

经水文分析计算，设计洪水位下最大水深hcm=6.97 m，设计洪水位下平均水深hcq=5.65 m，一般冲刷后总深度hp=12.41 m，自然冲刷深度hz=7.1 m，群桩基础局部冲刷深度hb=15.54 m，局部冲刷后总深度h=35.05 m；沉井基础局部冲刷深度hb=38.26 m，局部冲刷后总深度h=57.77 m，详细水文计算结果见表1。

表1 水文成果表

2.2 地质

桥位处的工程地质条件较差，河床及其一级阶地上可见第四纪全新统冲积物，上部为粉质黏土、细砂。二、三级阶地可见更新统冲积物，土体类型为粉质黏土。桥位各土层的物理力学指标较低，且河道内广布的细砂液化等级严重，厚度达20 m（图3桥位地质纵断面图）。

图3 桥位地质纵断面图

3 基础方案

群桩基础及沉井基础作为深基础，在大型桥梁中应用较为广泛，是较常见的基础形式，本文不再对其各自优缺点进行赘述。对于上部结构荷载较大、地质条件较差的软弱地层，以上两种基础形式均有较好的适应性及经济性，针对本桥的结构特点及地质条件，两种基础形式在技术方案上均可行，初设阶段以主桥41号墩为例对两种方案进行了设计，并进行了经济性比较，选取最优方案作为设计方案。

3.1 桩基础方案

3.1.1 桩基础比选

由于本桥桥址地质条件差、河道冲刷深度大，采用桩基础方案时，桩径、桩长、桩基平面布置等设计参数对桩基础的技术经济影响较大。初步设计阶段对不同桩径、桩长、桩基平面布置形式做了专项研究比选工作，承台形式选取了矩形承台、正方形承台及利于破冰和阻水面小的菱形（马蹄形六边形）承台；桩基采用 1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.5 m 和 3.0 m的桩径进行比选；桩基布置形式有常规的纵、横向（方格式）布置及梅花型布置。因篇幅受限，各桩径在不同平面布置下的比选过程不再给出，总结果仅以图表形式体现（如图4、图5）。

图4 桩基根数对比柱形图

图5 桩基混凝土量对比柱形图

由图4、图5可知，桩基根数随着桩径的增加而减少，基础混凝土用量随着桩径的增加而增加。本桥桩基均按摩擦桩设计，承载力容许值基本与桩身周长成正比（桩端提供承载力所占比例较小），周长又与半径成正比，当混凝土体积相同时，桩径越大，桩的表面积越小，所提供的承载力就越低，因此在理论上摩擦桩直径越小越经济。又因本桥河道冲刷近30 m，桩基越短承载效率越低，因此本桥设计桩长宜控制在90 m以上（承载效率大于60%），考虑实际施工过程中钻孔垂直度问题及可能发生的串孔事件，桩基长细比亦不宜过大，综合考虑，本桥桩基直径最终选用2.0 m。

3.1.2 桩基础设计

桩基础采用摩擦型钻孔灌注桩，桩顶接承台，承台平面呈六边形，边长为17.08 m，承台总宽为29.58 m，承台厚度为3～6 m，呈马蹄形状。桩基平面呈梅花型布置，为钢筋混凝土桩，共计37根，桩基直径为2.0 m，桩间距为5 m，设计桩长为100 m，其中有效桩长71.9 m。

图6 桩基平面布置图（单位：cm）

3.2 沉井基础方案

3.2.1 沉井深度

按《公路桥涵地基与基础设计规范》规定：对于非岩石地质的特大型桥梁，河床局部冲刷深度大于20 m时，基底埋置应在局部冲刷线以下4 m[1]。

按《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定：对于特大桥（或大桥）属于技术复杂、修复困难者，基底埋置安全值为3 m加冲刷总深度的10%，根据此规定，沉井基底埋置应在局部冲刷线以下8.8 m。

结合两种规范的规定，并考虑持力层的安全厚度，本桥按铁路规范的要求控制沉井基底埋深，即沉井深度取为河床面以下埋置60 m。

3.2.2 沉井截面形状

沉井基础常用截面形状有圆形、圆端形和矩形，为配合墩底截面形状，本桥沉井不考虑圆形截面；对于圆端形和矩形截面，在圆端直径和矩形阻水宽度相同的情况下，两种截面形式对桥墩冲刷影响无明显差异，考虑矩形截面制造简单、施工便利，本桥沉井截面采用矩形，四角做成倒圆角，沉井长短边比例与墩底截面一致。

3.2.3 沉井构造

沉井平面尺寸为 50.6 m（长边）×44.6 m（短边），四角倒圆半径为6 m；为增加沉井整体刚度，减小井壁的挠曲应力，沉井内设置4道隔墙，使沉井形成9个15 m×13 m的矩形隔室，隔室棱角采用倒圆角和倒方角处理，方便施工取土。沉井标准节段壁厚为1.6 m，底节壁厚1.8 m；为防止冰凌及船舶撞击，沉井盖板以下9 m范围内壁厚增加为2.6 m；沉井隔墙厚1.2 m，同时为保证封底混凝土与井壁良好结合，使井壁与封底混凝土共同受力，在近刃脚处井壁及隔墙设置尺凸。

立面上沉井分12节，底节高6 m，第11节高4 m，其余高均为5 m；刃脚高2 m，封底混凝土厚10 m，盖板厚5 m；除底节采用钢壳沉井外，其余节段均采用钢筋混凝土沉井。

图7 沉井立面

图8 沉井平面

3.2.4 沉井计算

沉井基础的计算，根据它的埋置深度可采用两种不同的计算方法，当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时，这时可以不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设计计算规定，分别验算地基强度、基础稳定性和沉降；当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在土体内较深，不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，在验算地基应力、变形及稳定性时，需考虑基础侧面土体弹性抗力的影响[2]。本桥的埋置深度为9.2 m，为方便对比，两种计算方法均考虑，在满足承载力及构造要求的情况下，沉井自身强度及稳定性计算结果对其工程造价影响较小，本文不再对其计算过程进行阐述。