大直徑樁基在強(qiáng)震區(qū)獨(dú)塔斜拉橋中的應(yīng)用

王文銘

（海南省交通工程建設(shè)局，海南 ?？?570208）

大直徑樁基在強(qiáng)震區(qū)獨(dú)塔斜拉橋中的應(yīng)用

王文銘

（海南省交通工程建設(shè)局，海南 海口 570208）

為解決某大跨徑獨(dú)塔斜拉橋橋址區(qū)地震烈度較高，基礎(chǔ)的縱橫向彎矩及剪力較大，同時(shí)出現(xiàn)上拔力等問(wèn)題，結(jié)合某獨(dú)塔斜拉橋工程，從動(dòng)力特性計(jì)算、抗震計(jì)算和主墩樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面介紹了大直徑樁基在強(qiáng)震區(qū)獨(dú)塔斜拉橋中的應(yīng)用，以期為同類型橋梁工程參考。

獨(dú)塔斜拉橋；強(qiáng)震區(qū)；大直徑樁基

0 引言

獨(dú)塔斜拉橋不僅造型美觀，結(jié)構(gòu)形式豐富多變，而且還能較好地與周圍環(huán)境融合在一起，形成獨(dú)特的景觀效果。同時(shí)獨(dú)塔斜拉橋由于免做對(duì)岸的橋塔，在基礎(chǔ)造價(jià)偏高的情況下，可以有效降低造價(jià)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。由于獨(dú)塔斜拉橋在斜拉橋中剛度相對(duì)較大，且自重主要集中在主塔，在高強(qiáng)地震烈度下，地震動(dòng)通過(guò)承臺(tái)全部傳入地基，使地基承受較大內(nèi)力，因此選擇合適的地基形式對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震具有重要意義。

某大跨徑獨(dú)塔斜拉橋橋址區(qū)地震烈度較高，在計(jì)算E2地震反應(yīng)時(shí)，基礎(chǔ)的縱橫向彎矩及剪力較大，同時(shí)出現(xiàn)上拔力，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件，地基形式采用大直徑鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。本文結(jié)合某獨(dú)塔斜拉橋工程，從動(dòng)力特性計(jì)算、抗震計(jì)算和主墩樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面介紹了大直徑樁基在強(qiáng)震區(qū)獨(dú)塔斜拉橋中的應(yīng)用，以期為同類型橋梁工程參考。

1 橋梁簡(jiǎn)介

本橋?yàn)榭绾＊?dú)塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋?qū)?7.3 m，跨徑布置為（230+230）m，索塔采用倒Y形，過(guò)渡墩采用薄壁空心墩。主墩基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，分離式承臺(tái)，按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁徑4.0 m，C35海工混凝土，鋼護(hù)筒直徑4.3 m。主橋總體布置圖如圖1所示，主塔承臺(tái)及基礎(chǔ)平面圖如圖2所示。

工程地質(zhì)概況：橋址區(qū)位于地殼垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的凹陷盤地邊緣臺(tái)地，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，該區(qū)域目前正處于地震應(yīng)變能主釋放向剩余釋放過(guò)渡階段，推測(cè)未來(lái)仍存在發(fā)生強(qiáng)震的可能。參照《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），橋址區(qū)為8度設(shè)防區(qū)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，本區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.30 g。橋址區(qū)地層為海相新近沉積的細(xì)砂、淤泥質(zhì)土層覆蓋，下伏一定厚度的洪沖積砂礫及卵石層，基巖由第三系地層及花崗巖基底構(gòu)成?？傮w而言，橋位區(qū)基巖埋深淺，基巖面起伏不大，未發(fā)現(xiàn)明顯的地質(zhì)缺陷，工程地質(zhì)條件較好。

2 動(dòng)力特性計(jì)算

動(dòng)力特性分析采用大型通用有限元軟件Midas Civil 2012計(jì)算，主梁和主塔按照實(shí)際空間位置離散為空間梁?jiǎn)卧?，斜拉索離散為桁架單元，如圖3所示，并按照各自的截面特性和材料特性賦值進(jìn)行計(jì)算。

采用Lanczos法進(jìn)行動(dòng)力特性分析，DX、DY、DZ各方向的陣型參與質(zhì)量均達(dá)到99%以上。動(dòng)力計(jì)算特性結(jié)果見表1。

3 抗震計(jì)算

根據(jù)本橋地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，大橋工程場(chǎng)地的地震基本烈度為Ⅷ度。設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度及加速度反應(yīng)譜由以下公式確定：

式中：Amax為設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度；β（T）為設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜；αmax為地震影響系數(shù)最大值。且有

圖1 主橋總體布置圖

圖2 主塔基礎(chǔ)平面圖

圖3 空間動(dòng)力分析模型

表1 動(dòng)力特性結(jié)果

對(duì)應(yīng)于50年超越概率10%、2%的場(chǎng)地地震水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)值見表2。

表2 水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度及反應(yīng)譜（5%阻尼比）參數(shù)值

本橋時(shí)程抗震分析計(jì)算采用50年10%及50年2%兩個(gè)超越概率水準(zhǔn)的水平和豎向加速度時(shí)程，每一超越概率取3組時(shí)程波進(jìn)行計(jì)算。地震輸入采用兩種方式：縱向＋豎向；橫向＋豎向。計(jì)算結(jié)果取3組數(shù)據(jù)結(jié)果的最大值。E2地震作用下加速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 加速度時(shí)程曲線（50年2%超越概率）

根據(jù)抗震計(jì)算結(jié)果，在恒載+E2地震工況下，主塔樁基單根樁承受的樁底豎向最大壓力為104 199 kN，樁頂最大豎向拉力為48 438 kN。

4 主墩樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)資料，本橋主墩樁基所在位置地層分布為淤泥質(zhì)土、細(xì)砂、礫砂、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，其中中風(fēng)化花崗巖埋深為11.04～14.81 m，層厚度為0.7～4.0 m，下伏基巖為完整微風(fēng)化花崗巖，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為63.9～103.5 MPa，平均值為83.2 MPa。根據(jù)橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本橋樁基礎(chǔ)的受力主要考慮樁側(cè)摩阻力及樁底豎向承載力兩個(gè)方面，鑒于本橋基礎(chǔ)為嵌巖樁且基巖抗壓強(qiáng)度較大，樁基礎(chǔ)的豎向抗壓承載能力很容易滿足要求，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)由抗拔力控制，下文主要探討樁側(cè)摩阻力是否滿足抗拔要求。

對(duì)于嵌巖樁的抗拔計(jì)算，相關(guān)規(guī)范并沒(méi)有給出明確規(guī)定及計(jì)算公式，計(jì)算時(shí)一般參考摩擦樁的抗拔力計(jì)算公式，下面是公路、鐵路及建筑規(guī)范中對(duì)摩擦樁的抗拔計(jì)算規(guī)定：

（1）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）[1]摩擦樁單樁軸向受拉承載力容許值（第5.3.8條）：

（2）《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.5—2005）[2]摩擦樁軸向受拉容許承載力（第6.2.2-5條）：

（3）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[3]群樁基礎(chǔ)基樁抗拔承載力（第5.4.5條）。

整體破壞：

非整體破壞：

各規(guī)范公式計(jì)算原理基本相同，即抗拔力取為樁自重加樁側(cè)摩阻力，其中樁側(cè)摩阻力由樁徑、土層摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值及土層厚度確定。不同之處在于各規(guī)范采取的安全系數(shù)略有不同。本橋在地震作用下單樁上拔力較大，嵌巖石深度及樁徑的選擇尤為重要。一方面地震作用下砂土液化，樁側(cè)摩阻力主要由混凝土與花崗巖之間的摩擦特性控制。同等條件下樁徑越大，混凝土與花崗巖接觸越充分，樁側(cè)摩阻力分布越均勻，樁與巖石的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越明顯，摩擦力能傳遞的深度也越長(zhǎng)。

另一方面樁徑越大施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn)就越大，綜合考慮后選用直徑4.0 m的群樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)29～38 m，樁長(zhǎng)按嵌巖深度不小于3倍樁徑控制。

根據(jù)地勘資料，本橋所在位置中風(fēng)化花崗巖樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取為900 kPa，微風(fēng)化花崗巖樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取為1 800 kPa，與平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度的線性關(guān)系為

按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算公式，結(jié)合鉆孔資料，單樁抗拔力計(jì)算結(jié)果為89 910～98 261 kN，滿足設(shè)計(jì)要求，并有一定富余。

5 結(jié)語(yǔ)

在高地震烈度地區(qū)獨(dú)塔斜橋的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須充分重視主墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的選取，并結(jié)合地質(zhì)情況對(duì)抗震計(jì)算結(jié)果做實(shí)事求是的分析。目前國(guó)內(nèi)對(duì)超大直徑樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)有限，但隨著施工設(shè)備及施工工藝的不斷改進(jìn)，超大直徑樁基礎(chǔ)的應(yīng)用將越來(lái)越多，特別是跨海大橋。本文依托實(shí)際工程，從動(dòng)力特性計(jì)算、抗震計(jì)算和主墩樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面介紹了大直徑樁基在強(qiáng)震區(qū)獨(dú)塔斜拉橋中的應(yīng)用，以期為同類型橋梁工程參考。

[1]JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]TB 10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4]黃學(xué)漾，宗周紅，夏堅(jiān)，黎雅樂(lè)，夏樟華.強(qiáng)震作用下獨(dú)塔斜拉橋模型的非線性動(dòng)力響應(yīng)分析 [J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015,45（2）:354-359.

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[6]燕斌，杜修力，韓強(qiáng)，賈俊峰.減隔震混合裝置在獨(dú)塔斜拉橋抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè)，2014,44(6):101-106.

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U443.15，U442.5+5

A

1009-7716（2017）09-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.022

2017-04-21

王文銘（1984-），男，海南澄邁人，工程師，從事公路工程建設(shè)管理工作。