3种大跨拱桥拱座地连墙基础适用性研究

查俊, 邵羽,3, 马少坤, 韦壹翔, 周延洁

(1.广西交通设计集团有限公司, 广西 南宁 530029；2.广西大学 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530004；3.广西新发展交通集团有限公司, 广西 南宁 530029)

0 引言

地连墙基础具有施工机械化程度高、环保、高效、地基适用范围广等优点,成为目前地下工程领域重要的深基础备选形式。目前国内基建工程所采用的地连墙多以利用其优良的挡土及防渗性能为主,较少发挥其竖向及水平承载性能,而地连墙以其较好的整体刚度、稳定性及与土体密着性好等优点,也可满足大跨桥梁上部结构对基础性能的各项要求[1]。目前,地连墙基础在日本桥梁工程中已被广泛使用[2-3]。

对于地连墙基础在桥梁工程领域中的应用及其相关理论的研究,日本较早开始了地下连续墙基础在桥梁工程领域中的应用及其相关理论方面的研究。1979年,矩形闭合式地连墙基础首次在日本新干线饭坂街道高架桥中使用[4]。据不完全统计,目前日本已完成了404处地连墙基础的建设工作，其中主塔采用六室型地连墙基础的青森大桥为目前截面尺寸最大的地连墙基础。在我国,将这种闭合型地连墙基础用于桥梁基础工程的案例报道较少[5-8]。对于地连墙基础承载性能及荷载传递机理,国内学者已开展了不少有意义的研究。李涛等[5]采用自平衡法对黄土地区井筒式地连墙基础开展了静载试验。文华等[9-11]采用室内缩尺模型试验对浸水湿陷后黄土地基中矩形闭合地连墙的竖向承载力、负摩阻力分布特征、墙体-土-承台相互作用机理进行了研究。Wu等[12]采用理论分析方法对矩形闭合地连墙的荷载传递基础,并据此提出了一种上部荷载作用下多层地基中矩形闭合地连墙沉降预测方法。

以上研究中地连墙基础多被应用于以竖向荷载为主的桥梁基础,而对于其在以水平推力为主,同时承担竖向荷载和横桥向弯矩的大跨拱桥基础中的应用鲜有报道。本文以目前世界最大跨径钢管混凝土拱桥——平南三桥北岸拱座“地连墙+混凝土承台”复合基础工程为背景,对其在上部结构组合荷载作用下的变形及承载性能进行计算分析。针对依托项目桥址处工程地质情况,提出了2种适用于深厚覆盖层地区超大跨径拱桥的新型格构式筒型地连墙基础形式,对其在承受相同荷载工况下的变形及承载性能进行了分析,并从施工工艺、耗材等方面对这3种基础形式进行了综合评价。

1 工程概况

平南三桥是一座位于广西壮族自治区平南县境内横跨浔江的一座特大型桥梁,主桥采用主跨575 m中承式钢管混凝土拱桥。大桥南岸拱座基础采用明挖扩大基础,北岸拱座基础采用“地连墙+混凝土承台”复合基础(图1),拱座基础外围为外径60 m的环性地连墙,高度为31.5～37.5 m,厚度为1.2 m,墙体底部嵌入中风化泥灰岩不小于4 m。拱座基础持力层为采用袖阀管注浆加固后的卵石层。

图1 北岸拱座地连墙基础示意图

北岸拱座地连墙区域水文地质条件及岩溶分布图如图2所示,施工区域地层主要由第四系冲洪积层(Q4al+pl)和泥盆系中统郁江阶(D2y)中风化泥灰岩组成。土层至上而下的分布状态及渗透性见表1。地连墙施工区域岩层有小型溶洞分布。桥址区上层滞水埋藏浅,与地表水体水力联系较弱。卵石层属强透水层,含水体具有承压性,卵石孔隙水与河水呈互补关系,与浔江有较强的水力联系。

图2 北岸拱座地连墙区域水文地质条件及岩溶分布图

表1 岩土层分布情况

2 2种新型格构式筒型地连墙基础

综合考虑超大跨径拱桥上部结构对位移的严苛要求,并结合平南三桥北岸拱座区域水文地质条件,参考地连墙基础在国内外桥梁中的应用情况,在保证上部拱座尺寸相同的条件下提出了2种新型格构式筒型地连墙基础。如图3、4所示,新型基础1由左、右两侧的格构式筒型地连墙、连梁、纵向承台及拱座上部结构组成,其中左、右两侧的格构式筒型地连墙由横桥向的外横墙、内横墙及纵桥向的纵墙组成。新型基础2由左、右两侧的格构式筒型地连墙、纵向承台、横连结构及拱座上部结构组成,其中左、右两侧的格构式筒型地连墙与新型基础1的相同,横连结构由横连承台、横连横墙和横连纵墙组成。

(a)平面图

(a)平面图

3 模拟分析方案

3.1 模型构建

模型尺寸及网格如图5所示,为了避免边界效应的影响,3个模型的长度和宽度均为300 m,其尺寸大于3种基础长边尺寸的5倍；模型高度为70 m,其尺寸为3种基础高度的2倍。建模时将实际场地上覆粉质黏土视为一层土体,模型中土层分为3层,其厚度分别为13.0、17.5、39.5 m。

图5 模型尺寸及网格

如图6所示,为3种基础形式的网格划分图,均采用实体单元进行模拟,土体与3种基础的接触面采用耦合约束。模型四周采用水平铰支座,模型底部采用固定支座。

(a)环形地连墙基础

3.2 土体本构模型及参数选取

表2 土体本构模型参数

表3 墙体参数

3.3 计算模拟方案

本文重点关注3种基础承受上部结构荷载作用下的变形及承载性能。模拟计算过程见表4。实际建模分析时对3种基础施工阶段的模拟进行了简化,即在地层初始地应力场施加完成且位移清零后,采用改变材料属性的方法模拟3种形式的基础,待位移清零后,于拱座结构处施加拱桥上部结构传递的荷载,并在拱座桥墩位置处施加交界墩柱荷载。上述所施加的荷载分为5次施加,且每次荷载增量均相等。拱座区外加荷载值见表5,为大桥设计阶段计算分析所得大桥竣工后上部结构传递至拱脚处的荷载值和拱座区域处交界墩柱上部结构传递给拱座的竖向荷载值。

表4 模拟计算过程

表5 拱座区外加荷载值

4 计算结果分析

4.1 拱座基础变形

为了使3种基础受上部结构荷载作用后所致水平位移和竖向位移具有可比性,选取3种基础的左侧拱座顶部边线中点为位移关注点，位移关注点如图7所示。

图7 位移关注点

如图8所示为拱座上部荷载各加载阶段3种形式基础的水平位移。随着上部结构巨大荷载作用的逐步增大,3种基础的水平位移与荷载呈线性递增,但是当拱座上部荷载施加完成后,3种基础的水平位移差异较小,总体而言,环形基础承受拱座上部水平荷载的能力稍强于2种格构式筒型基础。

图8 各加载阶段3种基础形式水平位移

如图9所示为拱座上部荷载各加载阶段3种形式基础的竖向位移。随着上部结构巨大荷载作用的逐步增大,3种基础的竖向位移均与荷载呈线性递增的关系,但是2种格构式筒型基础的竖向承载能力明显强于环形基础的。其主要是因为环形基础主要由注浆加固后的砂卵石层承受上部巨大的竖向荷载,而2种格构式筒型基础则由上部承台、墙体和内部土体共同承担拱座上部竖向荷载,从而使得基础整体承担竖向荷载的能力优于注浆加固后的砂卵石层的竖向荷载能力。

图9 各加载阶段3种基础形式竖向位移

结合3种基础的水平位移和竖向位移变形图可知,在拱座上部荷载作用下,因3种形式的基础巨大的刚度,使得其均呈现整体式倾倒变形(图10)。表6给出了3种形式基础受力后墙体的倾斜角度值,可知环性基础的整体抗倾覆能力优于2种新型格构式筒型基础的。

图10 基础变形

表6 拱座基础受力后倾斜角度

值得注意的是,对比2种新型格构式筒型基础在拱座上部荷载作用下的水平位移、竖向位移和基础倾角可知,将中间连梁替换为横连承台+横连墙体后的新型基础2的承载性能不仅没有提升,反而有所降低,其原因可能是新型基础2中间横连承台+横连墙的存在,使得筒型基础墙体间的“群墙效应”[16]更加明显,导致新型基础2的承载性能较新型基础1的有所降低。

4.2 墙体应力

选取拱座上部荷载施加完成后3种基础墙体的应力分布图(图11),对拱座上部荷载作用下3种基础的应力分布规律进行分析,相对于2种新型格构式筒型基础,环形地连墙基础墙体的应力分布更为均匀。2种新型格构式筒型基础的应力集中现象更为严重,两者墙体的应力最大值分别为9.7、6.6 MPa，远大于环形地连墙基础墙体的应力最大值3.9 MPa,且在中部连梁或横连墙体与两侧纵向地连墙连接部分存在较为严重的应力集中，故此,两者新型格构式筒型基础对施工工艺及施工质量要求较高。从结构设计的角度分析,环形地连墙基础的结构布局较2种新型格构式筒型基础更为合理。

(a)环形地连墙基础墙体应力分布图

4.3 施工工艺对比分析

基础的施工工艺、施工难易程度、施工质量是决定某种基础形式是否具有竞争力的重要影响因素之一。图12给出了本文所涉及的3种基础形式的施工流程图。从施工质量和施工难易程度的角度分析,影响环形地连墙施工质量的关键施工环节为墙体各槽段的连接施工和砂卵石层的注浆施工,此2项的施工质量将是环形地连墙整体刚度和砂卵石层竖向承载能力的决定性因素。影响新型基础1和新型基础2施工质量的关键环节为墙体各槽段的连接施工和横墙与纵墙的连接施工,这是影响2种格构式地连墙基础整体承载性能的关键因素。

图12 3种形式基础施工流程图

耗材量也是在方案比选阶段衡量不同基础形式是否可行的重要考核指标。不计基础上部拱座钢筋混凝土的方量,3种形式基础所需钢筋混凝土综合方量如下：环形地连墙基础为30 754.6 m3，新型基础1为12 171.1 m3，新型基础2为13 328.7 m3。可知,环形地连墙基础的钢筋混凝土耗材量分别为2种新型格构式筒型基础的2.53、2.30倍,且砂卵石注浆处治过程中注浆材料的用量也是环形基础施工时的主要耗材之一。从施工难易程度和耗材量分析可知,新型基础1较其他2种基础具有一定的优越性。

5 3种基础形式综合性能对比探讨

表7给出了3种不同基础形式承载性能、施工难易程度、耗材、工期等各项指标的对比情况。结合之前的分析可知,新型基础1的承载性能、施工难易程度、耗材量及工期等指标均优于其他2种基础形式的,但是此基础形式的墙体存在明显的应力集中现象,给设计和施工工作提出了更高的要求。同时,其抗倾覆性能也较环形基础形式弱。相对于新型基础1而言,新型基础2因其中间横连墙及横连承台的存在提高了施工难度和耗材量,但是,其承载性能及抗倾覆性能不仅没有提升,反而有所下降。

表7 3种基础形式各项指标对比

值得一提的是,在平南三桥北岸拱座基础形式比选阶段,新型基础1和新型基础2为2种备选方案,经专家论证后2种基础并未采纳,其原因如下：①地连墙基础同时承受上部巨大水平推力和竖向荷载的案例,目前在国内外尚无先例,将其作为超大跨径拱桥的基础风险较大；②目前关于此种基础形式承载力方面的设计计算方法、荷载传递机理等尚处于研究阶段；③墙体各槽段间的连接强度和施工质量是影响这2种基础形式承载性能的关键因素,目前的施工工艺和水平还有待提高。最终采纳环形基础。

虽然依托工程未采纳新型基础1这种格构式筒型地连墙基础形式,但就本文所选择的几种指标对比分析结果可知,在保证基础整体性及刚度的基础上,新型基础1较其他2种基础形式更具优势,可对其相关的设计计算方法、荷载传递机理、破坏模式、关键施工技术开展进一步研究工作。

6 结语

本文以在建世界最大跨径钢管混凝土拱桥平南三桥北岸环形地连墙基础为工程背景,同时提出了2种新型格构式筒型地连墙基础,通过对此3种基础的承载性能、施工工艺、耗材量进行对比分析,得到以下结论：

① 在拱座上部荷载作用下,3种形式的基础均呈现整体式倾倒变形,且环形基础的水平承载性能较其他2种新型格构式筒型地连墙基础更优,但是新型基础1的竖向承载性能优于其他2种基础形式；

② 因新型基础2中间横连承台+横连墙体及两侧纵墙的存在,加剧了“群强效应”,使得新型基础2的承载性能不仅没有提升,反而有所降低；

③ 虽然新型基础1在拱座上部巨大荷载作用下其墙体局部存在一定的应力集中现象,但是,在保证其整体性及刚度的情况下,新型基础1具有承载能力好、耗材量少、施工难度小、工期短等优势,较其他2种基础形式更具竞争力,可对其设计计算方法、荷载传递机理、破坏模式、关键施工技术开展进一步研究工作。