山區(qū)陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)對比分析

蘇連虎

（呂梁市交通運(yùn)輸局，山西 呂梁 033000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和西部大開發(fā)政策的落實(shí)，高速公路的建設(shè)浪潮延伸至了西部山區(qū)。西部山區(qū)高速公路建設(shè)的特點(diǎn)是：溝壑密布、山高坡陡、地形地質(zhì)情況復(fù)雜、橋隧比高、勘察設(shè)計(jì)難度大、施工技術(shù)要求高，而目前我們的勘察設(shè)計(jì)規(guī)范還不完善，很多工程問題沒有規(guī)范可依，尚處于理論研究或試驗(yàn)研究階段。為此，如何在現(xiàn)有理論和研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出安全可靠、生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、造型美觀、方案可行的橋梁，既是廣大橋梁設(shè)計(jì)者的職業(yè)追求，更是橋梁建設(shè)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)需要。

本文以一座山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)為背景，結(jié)合當(dāng)前山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)施工現(xiàn)狀，對比分析了兩種橋梁樁基設(shè)計(jì)方案在經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等方面的優(yōu)與劣，為我國當(dāng)前倡導(dǎo)的“生態(tài)公路”建設(shè)提供了參考意義。

1 陡坡段橋梁樁基建設(shè)概況

1.1 陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)概況

我國現(xiàn)行的公路橋梁樁基設(shè)計(jì)規(guī)范是07版本，其適用范圍雖然沒有明確是否包含陡坡段樁基設(shè)計(jì)，但仔細(xì)研究其理論依據(jù)和相關(guān)條款表述，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行《公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》主要適用于地勢平坦情況下的樁基設(shè)計(jì)。與平地上的樁基相比，陡坡處樁基具有更多的復(fù)雜性：

a）樁基除受樁頂荷載組合外，還可能受樁側(cè)順坡向巖土體推力作用。

b）樁基兩側(cè)土體分布不對稱，故其承載機(jī)理與平地樁基不同。

c）樁基兩側(cè)巖土體抗力分布不對稱。

d）樁基施工過程中，受擾動(dòng)陡坡的安全穩(wěn)定性很難確定。

所以，目前陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)，主要是沿著陡坡按邊坡穩(wěn)定坡率要求開挖山體，在坡腳一定寬度的平臺處布置樁基，而直接在陡坡上布設(shè)橋梁樁基的工程實(shí)例比較少見。

事實(shí)上，目前陡坡段橋梁樁基的受力特性與承載機(jī)理尚處于研究階段。2005年，趙明華教授主持的“高陡邊坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)與防護(hù)技術(shù)研究”項(xiàng)目獲得湖南省交通科技項(xiàng)目（200513）資助，2007年，趙明華教授主持的“陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)理論與數(shù)值模擬方法研究”項(xiàng)目獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50578086）資助。經(jīng)過一批又一批學(xué)者的不懈努力，陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)已經(jīng)初步形成了簡化的計(jì)算方法及工程應(yīng)用方法[1]。

1.2 陡坡段橋梁樁基施工概況

由于自然條件所限，山區(qū)陡坡區(qū)域材料運(yùn)輸極為困難，設(shè)備安裝不易操作，過程控制及現(xiàn)場管理極不方便，安全隱患重重。所以根據(jù)不同的情況采用不同的施工方法。

在緩坡區(qū)域或坡腳平臺上，采用鉆孔灌注樁施工，能夠高質(zhì)高效地完成整個(gè)樁基施工過程；陡坡上樁基成孔施工一般有兩種方法：

a）對于覆蓋土層，一般采用風(fēng)鎬進(jìn)行人工挖掘，井口安裝電動(dòng)提升系統(tǒng)，進(jìn)行土方和施工材料運(yùn)輸。

b）對于巖質(zhì)較為堅(jiān)硬的陡坡區(qū)，采用微爆破技術(shù)對巖石進(jìn)行爆破處理，然后用電動(dòng)提升系統(tǒng)進(jìn)行石方和材料運(yùn)輸。

鋼筋籠制作一般采用孔外制作、預(yù)制場制作、孔內(nèi)制作等方式。對于有施工平臺卻運(yùn)輸不方便的地點(diǎn)，采用孔外制作，吊車安裝的方法；對于運(yùn)輸條件較好的地點(diǎn)，采用預(yù)制場預(yù)制，預(yù)制完成后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場吊車進(jìn)行安裝；對于運(yùn)輸條件有限，施工平臺狹小的陡坡上，采用孔內(nèi)制作鋼筋籠的方法[2]。

山區(qū)陡坡一般采用人工挖孔灌注樁，對于積水很少的樁，采用“干灌法”進(jìn)行混凝土澆注；對于孔內(nèi)積水，采用水泥砂漿封底，混凝土快速逐層澆注。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

舊堡大橋位于神池至岢嵐高速公路第TJ1合同段K31+245處，橋梁起訖樁號K31+140.92—K31+349.08，全長208.16 m，前右角90°。上部采用5×40 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺、矩形墩、柱式墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁位于R=3000 m的右偏圓曲線上，墩臺徑向布置。

橋梁跨越深“V”字型黃土沖溝，橋址區(qū)位于黃土高原，屬于黃土丘陵地貌，地形起伏較大，覆蓋層較厚，未見基巖裸露，橋梁小樁號側(cè)山坡坡頂?shù)孛鏄?biāo)高1540.489 m，大樁號側(cè)山坡坡頂?shù)孛鏄?biāo)高1535.420 m，坡腳高程約為1477.376 m，山坡坡勢較陡，平均傾角大于40°，對應(yīng)路段的設(shè)計(jì)高程1535.226～1532.821 m。根據(jù)地勘資料，橋位處主要地層有粉土、粉質(zhì)黏土、卵石。

2.2 常規(guī)方法設(shè)計(jì)

1號墩、4號墩樁系梁，2號墩、3號墩承臺，須埋置在地面線以下，因此需要開挖山體，樁柱和矩形墩的設(shè)計(jì)見圖1舊堡大橋橋型布置圖；1號墩、4號墩采用樁柱式結(jié)構(gòu)，1號墩直徑1.8 m，墩高19.98 m，樁徑 2.0 m，樁長 50 m，4號墩直徑 1.6 m，墩高12.35 m，樁徑1.8 m，樁長55 m；2號墩、3號墩采用矩形墩結(jié)構(gòu)，樁徑1.5 m，樁長34 m。1號、2號、3號、4號橋墩施工，邊坡開挖土方量大約28574 m3；0號、5號橋臺施工，土方開挖量大約9856 m3。

邊坡土層均為粉土，開挖后形成了大約5760 m2的山體裸露，為了防治水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)為了環(huán)保綠化和景觀需求的考慮，需要對挖方邊坡進(jìn)行植草護(hù)坡機(jī)械液壓噴播植草防護(hù)，此外，還需要進(jìn)行排水設(shè)計(jì)，邊坡坡腳需要設(shè)置總長約400 m漿砌片石排水溝。

圖1 舊堡大橋常規(guī)方法設(shè)計(jì)橋型布置圖

2.3 坡樁基設(shè)計(jì)

陡坡樁基設(shè)計(jì)既是人類改造自然與尊重和保護(hù)自然相協(xié)調(diào)的新理念，又是經(jīng)濟(jì)節(jié)約，建設(shè)生態(tài)公路的新方法；既體現(xiàn)了“依山就勢、順應(yīng)自然”的“天人合一”東方哲學(xué)理念，又是廣大科技工作者和工程從業(yè)人員不懈努力拼搏的智慧新結(jié)晶。

湖南省張家界至花垣高速公路保靖段泗溪河一橋，采用了高陡邊坡樁基設(shè)計(jì)方法[3]，并明確了邊坡荷載的影響。本文以舊堡大橋?yàn)槔梃b泗溪河一橋樁基設(shè)計(jì)方法，并對2號墩、3號墩承臺進(jìn)行了錨固，以消除樁頂位移過大和樁身彎矩過大的不利影響。

采用陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)方法，1號橋墩、4號橋墩樁間系梁埋置在自然地面以下，2號、3號墩承臺半埋置自然地面以下，墩高變低，樁長稍有加長，但陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)方法無須大面積、大體量開挖山體，不存在上萬方量挖方棄土、運(yùn)輸和大面積挖方形成的邊坡防護(hù)問題。

舊堡大橋采用陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)橋型布置圖詳見圖2。

圖2 舊堡大橋陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)橋型布置圖

3 對比分析

陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)與常規(guī)方法樁基設(shè)計(jì)相比，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，現(xiàn)對比如下。

3.1 工程量比較

兩種設(shè)計(jì)方案，工程量存在明顯差異，詳細(xì)數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 工程量比較表

1號墩直徑1.8 m，墩高6.98 m，樁徑2.0 m，樁長 52 m；4號墩直徑 1.6 m，墩高 2.35 m，樁徑1.8 m，樁長58 m；2號墩、3號墩仍采用矩形墩結(jié)構(gòu)，樁徑1.5 m，2號墩樁長34 m，3號墩樁長36 m。2號墩、3號墩承臺屬于半埋置承臺，為增強(qiáng)承臺對樁的側(cè)向約束力，靠近山體側(cè)，承臺與山體間須用錨桿加固連接，同時(shí)承臺施工完成后，對承臺底土體注漿，增強(qiáng)承臺與底面土體間的摩擦力。承臺背離山體側(cè)，為防止樁基或承臺底緣裸露，需用漿砌片石進(jìn)行防護(hù)。

下部結(jié)構(gòu)混凝土用量，陡坡段樁基設(shè)計(jì)方法比常規(guī)設(shè)計(jì)方法節(jié)約混凝土大約730 m3，節(jié)約鋼筋大約40 t。

3.2 經(jīng)濟(jì)性比較

兩種設(shè)計(jì)方案，陡坡段樁基設(shè)計(jì)方案顯現(xiàn)出更好的經(jīng)濟(jì)型，詳細(xì)數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 經(jīng)濟(jì)性比較表

通過表1、表2對比可以發(fā)現(xiàn)，陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)方法與常規(guī)設(shè)計(jì)方法相比，不僅鋼筋混凝土用量減少，而且可以節(jié)省約近51%的棄土運(yùn)輸、防護(hù)和加固費(fèi)用，下部結(jié)構(gòu)節(jié)約造價(jià)約9%，經(jīng)濟(jì)效益可觀，而且，陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)方法避免了棄土運(yùn)輸過程對環(huán)境帶來的污染和擾民等問題，更好地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，建設(shè)生態(tài)公路的目標(biāo)。

4 結(jié)論

陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)方法理論研究逐漸成熟，工程應(yīng)用也在逐步推廣中，其顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益不僅得到了廣大橋梁建設(shè)者的認(rèn)可和推崇，而且陡坡段橋梁樁基設(shè)計(jì)方法倡導(dǎo)了一種節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)和綠色交通的新理念，為今后山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)提供了借鑒作用。