某黃河大橋基礎(chǔ)方案設(shè)計及比選

牛東強

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程背景

某黃河大橋是跨越黃河小北干流，溝通晉、陜兩省的高等級公路特大型橋梁，橋位處地形由黃河河谷和一級、二級、三級黃土階地構(gòu)成，近4500 m橋長范圍內(nèi)的橋梁高度超過100 m，最大橋高142 m，同時存在軟弱地基、強風(fēng)、強震和強沖刷等諸多不利影響（圖1橋位縱斷面圖）。

本文研究的橋梁方案為初設(shè)階段的推薦方案，主橋上部結(jié)構(gòu)為（ 140+5×180+140）m+4×（ 140+4×180+140）m，為上承式變高度鋼桁架連續(xù)梁橋，兩側(cè)引橋上部結(jié)構(gòu)分別為16×50 m、7×50 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁總長為6330 m；下部主墩采用變截面空心墩，單箱雙室截面；基礎(chǔ)為六邊形承臺接群樁基礎(chǔ)（圖2橋型布置圖）。

圖1 橋位縱斷面圖

圖2 橋型布置圖

2 水文、地質(zhì)條件

2.1 水文

橋位處黃河河道具有“三十年河西，三十年河?xùn)|”的河道變遷特點，河床寬淺，主流擺動頻繁，是典型的堆積游蕩性河道，勘設(shè)時主河槽水面寬度1170 m，水深一般小于3 m。本橋設(shè)計防洪標準為300年一遇洪水，施工期防洪標準為20年一遇洪水。根據(jù)《本橋防洪評價報告》，設(shè)計洪峰流量為：P0.33%=31800 m3/s，相應(yīng)設(shè)計洪水位為356.809 m。

經(jīng)水文分析計算，設(shè)計洪水位下最大水深hcm=6.97 m，設(shè)計洪水位下平均水深hcq=5.65 m，一般沖刷后總深度hp=12.41 m，自然沖刷深度hz=7.1 m，群樁基礎(chǔ)局部沖刷深度hb=15.54 m，局部沖刷后總深度h=35.05 m；沉井基礎(chǔ)局部沖刷深度hb=38.26 m，局部沖刷后總深度h=57.77 m，詳細水文計算結(jié)果見表1。

表1 水文成果表

2.2 地質(zhì)

橋位處的工程地質(zhì)條件較差，河床及其一級階地上可見第四紀全新統(tǒng)沖積物，上部為粉質(zhì)黏土、細砂。二、三級階地可見更新統(tǒng)沖積物，土體類型為粉質(zhì)黏土。橋位各土層的物理力學(xué)指標較低，且河道內(nèi)廣布的細砂液化等級嚴重，厚度達20 m（圖3橋位地質(zhì)縱斷面圖）。

圖3 橋位地質(zhì)縱斷面圖

3 基礎(chǔ)方案

群樁基礎(chǔ)及沉井基礎(chǔ)作為深基礎(chǔ)，在大型橋梁中應(yīng)用較為廣泛，是較常見的基礎(chǔ)形式，本文不再對其各自優(yōu)缺點進行贅述。對于上部結(jié)構(gòu)荷載較大、地質(zhì)條件較差的軟弱地層，以上兩種基礎(chǔ)形式均有較好的適應(yīng)性及經(jīng)濟性，針對本橋的結(jié)構(gòu)特點及地質(zhì)條件，兩種基礎(chǔ)形式在技術(shù)方案上均可行，初設(shè)階段以主橋41號墩為例對兩種方案進行了設(shè)計，并進行了經(jīng)濟性比較，選取最優(yōu)方案作為設(shè)計方案。

3.1 樁基礎(chǔ)方案

3.1.1 樁基礎(chǔ)比選

由于本橋橋址地質(zhì)條件差、河道沖刷深度大，采用樁基礎(chǔ)方案時，樁徑、樁長、樁基平面布置等設(shè)計參數(shù)對樁基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟影響較大。初步設(shè)計階段對不同樁徑、樁長、樁基平面布置形式做了專項研究比選工作，承臺形式選取了矩形承臺、正方形承臺及利于破冰和阻水面小的菱形（馬蹄形六邊形）承臺；樁基采用 1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.5 m 和 3.0 m的樁徑進行比選；樁基布置形式有常規(guī)的縱、橫向（方格式）布置及梅花型布置。因篇幅受限，各樁徑在不同平面布置下的比選過程不再給出，總結(jié)果僅以圖表形式體現(xiàn)（如圖4、圖5）。

圖4 樁基根數(shù)對比柱形圖

圖5 樁基混凝土量對比柱形圖

由圖4、圖5可知，樁基根數(shù)隨著樁徑的增加而減少，基礎(chǔ)混凝土用量隨著樁徑的增加而增加。本橋樁基均按摩擦樁設(shè)計，承載力容許值基本與樁身周長成正比（樁端提供承載力所占比例較小），周長又與半徑成正比，當(dāng)混凝土體積相同時，樁徑越大，樁的表面積越小，所提供的承載力就越低，因此在理論上摩擦樁直徑越小越經(jīng)濟。又因本橋河道沖刷近30 m，樁基越短承載效率越低，因此本橋設(shè)計樁長宜控制在90 m以上（承載效率大于60%），考慮實際施工過程中鉆孔垂直度問題及可能發(fā)生的串孔事件，樁基長細比亦不宜過大，綜合考慮，本橋樁基直徑最終選用2.0 m。

3.1.2 樁基礎(chǔ)設(shè)計

樁基礎(chǔ)采用摩擦型鉆孔灌注樁，樁頂接承臺，承臺平面呈六邊形，邊長為17.08 m，承臺總寬為29.58 m，承臺厚度為3～6 m，呈馬蹄形狀。樁基平面呈梅花型布置，為鋼筋混凝土樁，共計37根，樁基直徑為2.0 m，樁間距為5 m，設(shè)計樁長為100 m，其中有效樁長71.9 m。

圖6 樁基平面布置圖（單位：cm）

3.2 沉井基礎(chǔ)方案

3.2.1 沉井深度

按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：對于非巖石地質(zhì)的特大型橋梁，河床局部沖刷深度大于20 m時，基底埋置應(yīng)在局部沖刷線以下4 m[1]。

按《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：對于特大橋（或大橋）屬于技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)困難者，基底埋置安全值為3 m加沖刷總深度的10%，根據(jù)此規(guī)定，沉井基底埋置應(yīng)在局部沖刷線以下8.8 m。

結(jié)合兩種規(guī)范的規(guī)定，并考慮持力層的安全厚度，本橋按鐵路規(guī)范的要求控制沉井基底埋深，即沉井深度取為河床面以下埋置60 m。

3.2.2 沉井截面形狀

沉井基礎(chǔ)常用截面形狀有圓形、圓端形和矩形，為配合墩底截面形狀，本橋沉井不考慮圓形截面；對于圓端形和矩形截面，在圓端直徑和矩形阻水寬度相同的情況下，兩種截面形式對橋墩沖刷影響無明顯差異，考慮矩形截面制造簡單、施工便利，本橋沉井截面采用矩形，四角做成倒圓角，沉井長短邊比例與墩底截面一致。

3.2.3 沉井構(gòu)造

沉井平面尺寸為 50.6 m（長邊）×44.6 m（短邊），四角倒圓半徑為6 m；為增加沉井整體剛度，減小井壁的撓曲應(yīng)力，沉井內(nèi)設(shè)置4道隔墻，使沉井形成9個15 m×13 m的矩形隔室，隔室棱角采用倒圓角和倒方角處理，方便施工取土。沉井標準節(jié)段壁厚為1.6 m，底節(jié)壁厚1.8 m；為防止冰凌及船舶撞擊，沉井蓋板以下9 m范圍內(nèi)壁厚增加為2.6 m；沉井隔墻厚1.2 m，同時為保證封底混凝土與井壁良好結(jié)合，使井壁與封底混凝土共同受力，在近刃腳處井壁及隔墻設(shè)置尺凸。

立面上沉井分12節(jié)，底節(jié)高6 m，第11節(jié)高4 m，其余高均為5 m；刃腳高2 m，封底混凝土厚10 m，蓋板厚5 m；除底節(jié)采用鋼殼沉井外，其余節(jié)段均采用鋼筋混凝土沉井。

圖7 沉井立面

圖8 沉井平面

3.2.4 沉井計算

沉井基礎(chǔ)的計算，根據(jù)它的埋置深度可采用兩種不同的計算方法，當(dāng)沉井埋置深度在最大沖刷線以下較淺僅數(shù)米時，這時可以不考慮基礎(chǔ)側(cè)面土的橫向抗力影響，而按淺基礎(chǔ)設(shè)計計算規(guī)定，分別驗算地基強度、基礎(chǔ)穩(wěn)定性和沉降；當(dāng)沉井基礎(chǔ)埋置深度較大時，由于埋置在土體內(nèi)較深，不可忽略沉井周圍土體對沉井的約束作用，在驗算地基應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性時，需考慮基礎(chǔ)側(cè)面土體彈性抗力的影響[2]。本橋的埋置深度為9.2 m，為方便對比，兩種計算方法均考慮，在滿足承載力及構(gòu)造要求的情況下，沉井自身強度及穩(wěn)定性計算結(jié)果對其工程造價影響較小，本文不再對其計算過程進行闡述。

表2 承載力計算表 kPa

4 經(jīng)濟性比較

以主橋41號墩為例，由于橋址區(qū)常水位時，水深小于3 m，因此在進行樁基礎(chǔ)設(shè)計時未考慮施工期間圍堰的費用。

表3 樁基礎(chǔ)與沉井基礎(chǔ)經(jīng)濟性對比表

通過以上對群樁基礎(chǔ)及沉井基礎(chǔ)的設(shè)計和經(jīng)濟性對比，不難看出，由于沉井基礎(chǔ)的沖刷深度大，沉井埋置較深，造成沉井基礎(chǔ)工程規(guī)模遠大于樁基礎(chǔ)，經(jīng)濟性相對處于劣勢，因此本橋的基礎(chǔ)方案推薦采用樁基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

群樁基礎(chǔ)及沉井基礎(chǔ)作為深基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于各種橋型結(jié)構(gòu)的大型橋梁建設(shè)中，是較常見的基礎(chǔ)形式。當(dāng)橋梁的上部荷載較大，地質(zhì)條件較差時，兩種基礎(chǔ)形式均具有較好的適用性，因此在進行此類橋梁的初步設(shè)計時要進行深度比較，擇優(yōu)選取適合的基礎(chǔ)形式。