山区陡坡段桥梁桩基设计对比分析

2017-10-29苏连虎

山西交通科技 2017年4期

苏连虎

（吕梁市交通运输局，山西吕梁 033000）

随着我国经济的发展和西部大开发政策的落实，高速公路的建设浪潮延伸至了西部山区。西部山区高速公路建设的特点是：沟壑密布、山高坡陡、地形地质情况复杂、桥隧比高、勘察设计难度大、施工技术要求高，而目前我们的勘察设计规范还不完善，很多工程问题没有规范可依，尚处于理论研究或试验研究阶段。为此，如何在现有理论和研究的基础上，设计出安全可靠、生态环保、经济节约、造型美观、方案可行的桥梁，既是广大桥梁设计者的职业追求，更是桥梁建设领域的现实需要。

本文以一座山区高速公路桥梁设计为背景，结合当前山区高速公路桥梁设计施工现状，对比分析了两种桥梁桩基设计方案在经济、安全、环保等方面的优与劣，为我国当前倡导的“生态公路”建设提供了参考意义。

1 陡坡段桥梁桩基建设概况

1.1 陡坡段桥梁桩基设计概况

我国现行的公路桥梁桩基设计规范是07版本，其适用范围虽然没有明确是否包含陡坡段桩基设计，但仔细研究其理论依据和相关条款表述，可以发现现行《公路桥梁地基与基础设计规范》主要适用于地势平坦情况下的桩基设计。与平地上的桩基相比，陡坡处桩基具有更多的复杂性：

a）桩基除受桩顶荷载组合外，还可能受桩侧顺坡向岩土体推力作用。

b）桩基两侧土体分布不对称，故其承载机理与平地桩基不同。

c）桩基两侧岩土体抗力分布不对称。

d）桩基施工过程中，受扰动陡坡的安全稳定性很难确定。

所以，目前陡坡段桥梁桩基设计，主要是沿着陡坡按边坡稳定坡率要求开挖山体，在坡脚一定宽度的平台处布置桩基，而直接在陡坡上布设桥梁桩基的工程实例比较少见。

事实上，目前陡坡段桥梁桩基的受力特性与承载机理尚处于研究阶段。2005年，赵明华教授主持的“高陡边坡段桥梁桩基设计与防护技术研究”项目获得湖南省交通科技项目（200513）资助，2007年，赵明华教授主持的“陡坡段桥梁桩基设计理论与数值模拟方法研究”项目获得国家自然科学基金项目（50578086）资助。经过一批又一批学者的不懈努力，陡坡段桥梁桩基设计已经初步形成了简化的计算方法及工程应用方法[1]。

1.2 陡坡段桥梁桩基施工概况

由于自然条件所限，山区陡坡区域材料运输极为困难，设备安装不易操作，过程控制及现场管理极不方便，安全隐患重重。所以根据不同的情况采用不同的施工方法。

在缓坡区域或坡脚平台上，采用钻孔灌注桩施工，能够高质高效地完成整个桩基施工过程；陡坡上桩基成孔施工一般有两种方法：

a）对于覆盖土层，一般采用风镐进行人工挖掘，井口安装电动提升系统，进行土方和施工材料运输。

b）对于岩质较为坚硬的陡坡区，采用微爆破技术对岩石进行爆破处理，然后用电动提升系统进行石方和材料运输。

钢筋笼制作一般采用孔外制作、预制场制作、孔内制作等方式。对于有施工平台却运输不方便的地点，采用孔外制作，吊车安装的方法；对于运输条件较好的地点，采用预制场预制，预制完成后运输到现场吊车进行安装；对于运输条件有限，施工平台狭小的陡坡上，采用孔内制作钢筋笼的方法[2]。

山区陡坡一般采用人工挖孔灌注桩，对于积水很少的桩，采用“干灌法”进行混凝土浇注；对于孔内积水，采用水泥砂浆封底，混凝土快速逐层浇注。

2 工程实例

2.1 工程概况

旧堡大桥位于神池至岢岚高速公路第TJ1合同段K31+245处，桥梁起讫桩号K31+140.92—K31+349.08，全长208.16 m，前右角90°。上部采用5×40 m先简支后连续预应力混凝土T梁，下部结构采用柱式台、矩形墩、柱式墩和钻孔灌注桩基础。桥梁位于R=3000 m的右偏圆曲线上，墩台径向布置。

桥梁跨越深“V”字型黄土冲沟，桥址区位于黄土高原，属于黄土丘陵地貌，地形起伏较大，覆盖层较厚，未见基岩裸露，桥梁小桩号侧山坡坡顶地面标高1540.489 m，大桩号侧山坡坡顶地面标高1535.420 m，坡脚高程约为1477.376 m，山坡坡势较陡，平均倾角大于40°，对应路段的设计高程1535.226～1532.821 m。根据地勘资料，桥位处主要地层有粉土、粉质黏土、卵石。

2.2 常规方法设计

1号墩、4号墩桩系梁，2号墩、3号墩承台，须埋置在地面线以下，因此需要开挖山体，桩柱和矩形墩的设计见图1旧堡大桥桥型布置图；1号墩、4号墩采用桩柱式结构，1号墩直径1.8 m，墩高19.98 m，桩径 2.0 m，桩长 50 m，4号墩直径 1.6 m，墩高12.35 m，桩径1.8 m，桩长55 m；2号墩、3号墩采用矩形墩结构，桩径1.5 m，桩长34 m。1号、2号、3号、4号桥墩施工，边坡开挖土方量大约28574 m3；0号、5号桥台施工，土方开挖量大约9856 m3。

边坡土层均为粉土，开挖后形成了大约5760 m2的山体裸露，为了防治水土流失和地质灾害的发生，同时为了环保绿化和景观需求的考虑，需要对挖方边坡进行植草护坡机械液压喷播植草防护，此外，还需要进行排水设计，边坡坡脚需要设置总长约400 m浆砌片石排水沟。

图1 旧堡大桥常规方法设计桥型布置图

2.3 坡桩基设计

陡坡桩基设计既是人类改造自然与尊重和保护自然相协调的新理念，又是经济节约，建设生态公路的新方法；既体现了“依山就势、顺应自然”的“天人合一”东方哲学理念，又是广大科技工作者和工程从业人员不懈努力拼搏的智慧新结晶。

湖南省张家界至花垣高速公路保靖段泗溪河一桥，采用了高陡边坡桩基设计方法[3]，并明确了边坡荷载的影响。本文以旧堡大桥为例，借鉴泗溪河一桥桩基设计方法，并对2号墩、3号墩承台进行了锚固，以消除桩顶位移过大和桩身弯矩过大的不利影响。

采用陡坡段桥梁桩基设计方法，1号桥墩、4号桥墩桩间系梁埋置在自然地面以下，2号、3号墩承台半埋置自然地面以下，墩高变低，桩长稍有加长，但陡坡段桥梁桩基设计方法无须大面积、大体量开挖山体，不存在上万方量挖方弃土、运输和大面积挖方形成的边坡防护问题。

旧堡大桥采用陡坡段桥梁桩基设计桥型布置图详见图2。

图2 旧堡大桥陡坡段桥梁桩基设计桥型布置图

3 对比分析

陡坡段桥梁桩基设计与常规方法桩基设计相比，具有显著的经济效益和社会效益，现对比如下。

3.1 工程量比较

两种设计方案，工程量存在明显差异，详细数据对比见表1。

表1 工程量比较表

1号墩直径1.8 m，墩高6.98 m，桩径2.0 m，桩长 52 m；4号墩直径 1.6 m，墩高 2.35 m，桩径1.8 m，桩长58 m；2号墩、3号墩仍采用矩形墩结构，桩径1.5 m，2号墩桩长34 m，3号墩桩长36 m。2号墩、3号墩承台属于半埋置承台，为增强承台对桩的侧向约束力，靠近山体侧，承台与山体间须用锚杆加固连接，同时承台施工完成后，对承台底土体注浆，增强承台与底面土体间的摩擦力。承台背离山体侧，为防止桩基或承台底缘裸露，需用浆砌片石进行防护。

下部结构混凝土用量，陡坡段桩基设计方法比常规设计方法节约混凝土大约730 m3，节约钢筋大约40 t。

3.2 经济性比较

两种设计方案，陡坡段桩基设计方案显现出更好的经济型，详细数据对比见表2。

表2 经济性比较表

通过表1、表2对比可以发现，陡坡段桥梁桩基设计方法与常规设计方法相比，不仅钢筋混凝土用量减少，而且可以节省约近51%的弃土运输、防护和加固费用，下部结构节约造价约9%，经济效益可观，而且，陡坡段桥梁桩基设计方法避免了弃土运输过程对环境带来的污染和扰民等问题，更好地实现了节能环保，建设生态公路的目标。