大跨度公路桥梁中下部结构设计要点之研究

2018-10-21金建鹏

大科技·D版 2018年7期

金建鹏

摘要：在我国公路桥梁建设中，大跨度桥梁的建设里程非常惊人。据此，为了进一步推进我国大跨度公路桥梁建设事业的健康发展，本文笔者结合甘肃××工程，探究大跨度公路桥梁下部结构设计要点，即从桩基计算、桥墩选型两个方面展开具体的讨论。

关键词：大跨度桥梁；桩基计算；桥墩选型；负摩阻力

中图分类号：U448.14 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0184-02

1 工程概况

2 桩基计算

依据JTGD63-2007的规定，若土层的湿陷系数≥0.015，则可认定其为湿陷性黄土。在案例工程中，桥址土层的湿陷系数与非自重湿陷系数分别为0.021～0.085、0.015～0.022，则可判定该土层为湿陷性黄土，因此要求在桩基设计时考虑到负摩阻力的影响。

2.1 桩长计算

在黄土地区，桩长的确定首先要求算得忽略黄土湿陷时桩的长度，即在计算时不考虑负摩阻力的影响。依据JTGD63-2007，桩长的计算公式为：

其中：[Ra]（kN）为钻（挖）孔灌注桩单桩轴向受压容许承载力；u（m）为桩身周长；n为土层数量；qik（kPa）为桩侧与li对应土層的摩阻力标准值；li（m）为承台局部冲刷线或底面以下土层的厚度；Ap（m2）为桩端截面面积；qr（kPa）为桩端土的容许承载力。

2.2 确定中性点位置

在实际工程中，计算负摩阻力的关键是确定中性点的位置。目前，中性点位置一般采用估算方法或依据试验得到的经验值进行确定，即：先假定中性点的位置，并算出相应的负摩阻力，再加到桩的荷载中，并算出桩的弹性压缩，而后采用分层总和法算出桩底土层与桩周土层的压缩变形，并绘制桩身土层位移曲线与桩侧土层下沉曲线，选取两条曲线的交点作为中性点位置，最后通过比较计算值与假定值来进行验算。通过分析试验结果，可结合经验来估算负摩阻力深度h1（m），即：h1=0.77h2-0.80h2（h2为自重湿陷黄土层或软弱压缩层的厚度）。

2.3 软粘土层负摩阻力强度计算

2.4 负摩阻力计算

关于桩身总的负摩阻力Pnf，其计算公式为：Pnf=fAnf，其中Anf=2πrh1（r为桩的截面半径，m）。需要强调的是，由以上公式算得的Pnf值不应比单桩桩周的下沉土重大。

2.5 验算单桩承载

关于单桩承载的验算，若将负摩阻力看作外荷载，则单桩容许承载力[P]的计算应仅考虑正摩阻力，可描述为：

其中：P（kN）为桩顶的轴向荷载；PF（kN）为桩侧的极限正摩阻力；PE（kN）为桩底的极限阻力。

2.6 负摩阻力的控制

鉴于负摩阻力会增加桩基的下沉量或引起不均匀沉降，则有效控制负摩阻力是保证桥梁结构安全的重要手段，具体控制方法包括：

（1）对于预制混凝土桩与钢桩，最好以涂层的方法来控制负摩阻力，即对插入湿陷性土层等软弱土层的桩身涂抹软沥青土层。

（2）对于灌注桩，可在沉降地层插入预制混凝土桩段（直径比钻孔小5～10cm），并在桩段外围填充高稠度的膨润土泥浆进行隔离；在泥浆护壁成孔时，可在下段混凝土浇注结束后先填充高稠度的膨润土泥浆，再插入预制混凝土桩段；在干作业成桩时，可先在钻孔沉降土层中放置双层筒形塑料薄膜，再浇筑混凝土，以使塑料薄膜形成隔离层并可在孔壁与桩身间隙自由滑动。

3 桥墩选型

由于案例工程的跨度大且所处地区的地质环境复杂，则在桥墩选型上可能涉及多种型式，即：

3.1 柱式桥墩

在甘肃境内高速公路桥梁中，柱式桥墩的使用频度非常高，因其具有施工工期短、施工难度低、结构轻盈、自重轻、受力明确及外形美观等优点。在实际应用中，桥梁高度<15m、跨径<30m及桥址地形平缓的桥墩一般选择双柱或是三柱式桥墩。对于案例工程而言，1～4#桥墩都为柱式桥墩，桩、柱径分别为1.8m和1.6m；盖梁高度为1.5m。

3.2 T型薄壁墩

当桥梁的高度>15m、跨径30m且依山而建时，其桥墩一般选择T型薄壁墩，从而克服了柱式墩后期耐久性差、刚度低及景观效应差的缺点。在案例工程中，10～24#高墩全部选择了T型薄壁墩（见图1），薄壁厚度、宽度分别为1.8m和4.7m；盖梁高度为2.3m。

研究表明，T型薄壁墩桩基的受力非常明确，即在桩底嵌入基岩后，可与承台组成刚性体，然后再与盖梁、墩身连接，从而改善了桥梁下部结构的受力状态；嵌岩桩的使用可消除湿陷性黄土对基础、承台的影响；分幅安排桥墩，可减小桥墩的上部荷载和盖梁尺寸，且不用设置预应力盖梁，同时T型薄壁墩可与同类桥墩同步施工，从而缩短了施工工期。

3.3 大跨径门式墩

在桥梁的第八、九跨处存在线路交叉现象。对此，若桥墩选择T型薄壁墩，则桥墩会挤占另一线路的建设用地，而若选择双柱桥墩，则会影响另一线路的改线和布设。鉴于此，实地勘测决定选择大跨径门式墩。其中，为了满足跨越的实际需要，墩间距设计为18m；桥墩盖梁设计为变截面预应力大盖梁；预应力钢束的使用优化了盖梁的高度，其最小值为2.3m，从而保证了桥墩外形的美观、轻盈。与其他桥墩型式相比，大跨径门式墩的施工工艺非常复杂，且造价较高，但面对道路交叉的特殊状况，大跨径门式墩无疑是最佳的选择。

3.4 全幅双柱大挑桥墩

为了减少桥墩施工土方的开挖量，案例工程的5/6/7/9#桥墩因桥梁较高、地形变化剧烈而设计为全幅双柱大挑桥墩，桥墩长度、厚度分别为2.7m和1.8m；盖梁高度为2.7m。研究表明，与T型薄壁墩相比，全幅双柱大挑桥墩减少了水平方向视野的遮挡范围，从而增加了交叉线路的行车视距。

4 结语

在大跨径公路桥梁中，下部结构的安全使用与桩基计算、桥墩选型息息相关。因此，为了保证大跨径公路桥梁下部结构的安全，要求明确下列内容：

（1）在湿陷性黄土分布区，桥梁桩基会在浸水后产生一个负摩阻力，从而增加了桩基施工的安全隐患。为此，在大跨度公路桥梁桩基计算时，应充分考虑到负摩阻力的影响。

（2）对于桥址地质环境复杂的工程，要求从道路的选线、布孔及与山谷、河道、其他线路交叉等方面综合考虑桥墩的选型，从而保证桥墩的选型合理及桥梁工程下部结构的安全。

参考文献

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