邱柏初

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司橋梁院,北京 100055)

1 概述

在多沙河流上修建跨河橋梁,受河道淤積和沖刷的影響,橋墩的沖刷深度是影響橋梁安全的重要參數(shù)之一。黃河下游河段為豫西西部山區(qū)注入東部平原直至渤海入海口的河段,由于河床坡度驟然變緩,河水流速減慢,使黃河攜帶的泥沙在黃河下游河段大量沉淀,并形成地上懸河,歷史上多次發(fā)生大堤決口并改道,其河段是典型的游蕩性河流。黃河下游河段地表主要是第四系堆積物,表層主要以沙性土質(zhì)為主,且厚度極大,由此給跨河橋梁的修建造成極大困難,1949年新中國成立前,在黃河下游河段僅修建了2座鐵路橋梁,新中國成立后至1980年的30年間,黃河下游河段上修建的橋梁也很少。改革開放后,由于我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,對交通運輸?shù)陌l(fā)展提出了更高的要求,為此在黃河下游河段開始修建大量的跨河橋梁工程。

黃河下游河段上修建橋梁一般采用沉井基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ),隨著施工技術(shù)的發(fā)展和施工工期的要求,目前一般采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)設(shè)計的樁長主要受橋墩基礎(chǔ)的沖刷深度以及河床下樁周土極限摩阻力的大小影響。橋墩基礎(chǔ)的沖刷深度越深,相當(dāng)于橋墩越高；橋墩越高,橋墩基礎(chǔ)的受力就越大；河床下樁周土極限摩阻力越小,相應(yīng)承擔(dān)同樣的反力需要的樁長就越長。因此,可以說大型橋梁工程基礎(chǔ)設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性是由橋墩基礎(chǔ)沖刷深度以及樁周土極限摩阻力大小的合理性來決定的。

一般橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計,其橋墩的沖刷深度可根據(jù)水文設(shè)計規(guī)范提供的計算公式進行計算確定,而樁周土極限摩阻力的大小,可根據(jù)橋址地質(zhì)鉆探資料并結(jié)合設(shè)計規(guī)范的取值意見進行確定,設(shè)計取值的合理性取決于設(shè)計工程師的設(shè)計經(jīng)驗。對特大型橋梁,由于其基礎(chǔ)工程規(guī)模大,從安全性和經(jīng)濟性的要求考慮,上述介紹的設(shè)計方法應(yīng)該是不夠的,有必要采用更科學(xué)的手段對設(shè)計進行驗證。

黃河下游河段某新建四線特大型鐵路橋梁,黃河大堤內(nèi)橋長達6 800 m,其中跨越黃河主河槽采用22孔100 m跨徑,跨越邊灘部分采用40 m和32 m普通簡支梁跨；主橋主墩設(shè)計荷載達3.2×105kN,樁基礎(chǔ)設(shè)計采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁方案(圖1),結(jié)合橋梁的安全性和經(jīng)濟性要求,橋梁設(shè)計的同時開展了整體水工模型試驗以及工程試樁檢測試驗,對橋梁基礎(chǔ)設(shè)計的重要參數(shù)進行驗證、分析優(yōu)化。

圖1 主墩結(jié)構(gòu)(單位：cm)

2 橋墩沖刷深度的確定

目前,鐵路和公路橋梁設(shè)計均有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范參考進行橋梁沖刷計算,由規(guī)范條文說明可知,其計算公式是試驗和觀測的經(jīng)驗公式,對黃河下游河段這樣的游蕩性河流,規(guī)范計算公式的條件與黃河實際水流條件是難以相一致的,同時,計算公式的某些參數(shù)通過理論分析進行選用也是與黃河實際水流條件很難相一致。通過水工模型試驗,對計算參數(shù)和橋墩沖刷深度進行校核、對比分析,以確定一個安全和合理的橋墩沖刷深度。

2.1 規(guī)范公式計算

為保證在發(fā)生設(shè)計洪水時橋梁的安全,橋梁不僅要有足夠的橋孔長度和橋下過水面積, 還必須保證橋墩基礎(chǔ)有足夠的埋置深度,以免因水流沖刷而遭受破壞。橋渡沖刷計算是橋梁設(shè)計確定橋梁孔跨以及確定橋梁主槽和邊灘橋墩基礎(chǔ)最小埋置深度的重要內(nèi)容。按目前行業(yè)規(guī)范,橋墩總沖刷深度由河床自然演變沖刷、一般沖刷水深以及局部沖刷水深組成。橋梁設(shè)計一般可按照《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(TB10017—99)和《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2002)的有關(guān)公式和推薦方法進行分析計算。

本橋按河段內(nèi)設(shè)計流量為歷史上發(fā)生過最大的洪峰流量,根據(jù)相關(guān)資料確定的主槽、灘地分流比分別為75%、25%,在考慮自然演變沖刷的基礎(chǔ)上,利用規(guī)范公式進行計算,得出主槽一般沖刷水深和局部沖刷深度分別為14.83 m和10.72 m,灘地一般沖刷水深和局部沖刷深度分別為9.82 m和2.62 m。

2.2 模型試驗

采用規(guī)范公式計算非黏性土河床橋墩沖刷水深時,盡管利用橋梁孔跨布置及橋墩尺寸資料能夠反映建橋后的影響,由于參數(shù)選擇對局部沖刷深度計算結(jié)果敏感性強,但計算參數(shù)的選擇往往與所依據(jù)的河道設(shè)計斷面關(guān)系甚大,而多沙河流游蕩型河段實測斷面因沖淤幅度大,故形態(tài)差異很大；參數(shù)選擇難以反映水力、泥沙因子的影響,因而不能確切地描述水流泥沙條件變化對橋渡沖刷的影響。有必要通過模型試驗來驗證參數(shù)選擇。

灘槽分流比作為一個重要的、敏感的計算參數(shù),與設(shè)計洪水過程線和斷面形態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計洪水過程線系由已發(fā)生洪水的實測作為計算依據(jù),由于多沙河流的河道沖淤變化幅度大,河道演變頻繁,再加上流域經(jīng)濟社會發(fā)展,河道內(nèi)各種整治工程、取水設(shè)施以及跨河建筑不斷涌現(xiàn),過流邊界條件的改變,使得主槽灘地分流比發(fā)生變化,從而流速及河床沖淤變形也相應(yīng)發(fā)生變化,為增加參數(shù)選擇的科學(xué)性和準(zhǔn)確性,特開展橋位河段整體水工模型試驗和正態(tài)局部模型試驗,來驗證、確定主槽灘槽分流比,修正規(guī)范公式的相關(guān)參數(shù)進行對比計算。

2.2.1 整體水工模型試驗

根據(jù)研究目標(biāo)和工作開展的需要,先開展整體水工模型試驗。整體水工模型試驗初始地形為現(xiàn)狀實測地形。根據(jù)試驗內(nèi)容要求、橋墩形式及場地情況,動床整體模型采用幾何比尺λl=800,λh=60；整體水工模型模擬了2場典型洪水下的灘槽分流狀況,測驗了灘槽最大單寬流量及其與橋梁軸線的夾角。試驗結(jié)果得出,橋位處灘槽分流比隨著洪水漫灘程度、灘槽沖淤變化而不斷變化,洪峰流量達到設(shè)計流量時,河道全斷面過流,擬建橋位處,主槽、灘地分流比分別為70%:30%,最大單寬流量分別為44、7.4 m2/s。原設(shè)計主槽平均流速為1.68 m/s,根據(jù)模型試驗成果計算平均流速為1.57/s。根據(jù)模型試驗結(jié)果對規(guī)范公式中涉及的有關(guān)參數(shù)選取進行修正后,主槽一般沖刷水深和局部沖刷深度計算結(jié)果分別為13.03 m和10.54 m,灘地一般沖刷水深和局部沖刷深度計算結(jié)果分別為9.86 m和2.62 m。

2.2.2 局部正態(tài)模型試驗

正態(tài)模型試驗采用幾何比尺λl=λh=100。根據(jù)整體水工模型試驗結(jié)果確定的主槽、灘地最大單寬流量分別為44、7.4 m2/s,利用局部正態(tài)模型對主槽、灘地的局部沖刷深度進行了驗證試驗。從試驗過程可觀察到：局部沖刷首先從墩頭兩側(cè)開始,然后沖刷深度逐漸增加,沖刷坑范圍逐漸加大。由于沖刷坑的出現(xiàn),在墩前沖刷坑邊緣形成繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦,它是水流在沖刷坑上游邊緣發(fā)生分離導(dǎo)致的結(jié)果,馬蹄形旋渦通過橋墩兩側(cè)向下游發(fā)展并逐漸衰變?yōu)樗鞯奈蓜?。隨著沖刷的發(fā)展,在墩頭前緣逐漸形成一個漏斗形的沖刷坑,一般在承臺下樁群之間,偏向上游墩頭位置出現(xiàn)最大沖刷深度,見圖2。試驗結(jié)果為主槽、灘地局部沖刷深度分別是10.32 m和2.09 m。

圖2 沖刷坑形態(tài)

2.3 橋墩沖刷深度的分析確定

以上規(guī)范公式計算結(jié)果、模型試驗成果見表1。

表1 設(shè)計流量下沖刷水深及正態(tài)局部模型計算結(jié)果

分析認為模型試驗是在現(xiàn)狀地形邊界條件下施放設(shè)計流量過程,確定的分流比相對比較接近實際,因此橋梁設(shè)計中采用模型試驗后修正相應(yīng)參數(shù)后計算成果值13.03 m和9.86 m作為主槽墩和灘地墩一般沖刷水深是合理和安全的。

利用規(guī)范公式計算的局部沖刷深度大于利用正態(tài)局部模型試驗的局部沖刷深度,為安全考慮,設(shè)計采用根據(jù)模型試驗結(jié)果修正相應(yīng)參數(shù)后的計算成果值10.54 m和2.62 m作為主槽墩和灘地墩的局部沖刷深度更為合理。

設(shè)計最終推薦采用的主槽、灘地橋墩總沖刷深度分別為23.57 m和12.48 m。

3 樁基設(shè)計樁周土極限摩阻力取值分析

橋梁鉆孔樁設(shè)計時,應(yīng)準(zhǔn)確分析河槽沖刷,合理取用樁周土極限摩阻力f值,使樁基設(shè)計做到安全、經(jīng)濟、合理。本河段地質(zhì)主要為細砂、粉土、粉質(zhì)黏土,橋梁樁基按摩擦樁設(shè)計,樁長一般較長,對施工設(shè)備要求較高。

主橋樁基礎(chǔ)樁周土極限摩阻力f值,按照各土層加權(quán)平均的方法計算。局部沖刷線至一般沖刷線之間的土層,為沖刷后的淤積土層,不計摩阻力,不考慮負摩阻作用。

樁周土極限摩阻力f的取值,直接影響樁長的計算結(jié)果。鐵路橋梁樁基設(shè)計,樁周土極限摩阻力f值一般參照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.5-2005)提供的建議值并根據(jù)地質(zhì)鉆探資料進行分析選取。本橋樁基礎(chǔ)設(shè)計樁長很長,各土層由上至下分別按規(guī)范取值的下限值、均值、上限值分別進行計算,其計算樁長偏差較大,由于本橋規(guī)模大,若全按保守取值,將對工程量產(chǎn)生很大的影響。因此,合理選取樁周土極限摩阻力f值對本橋的樁基設(shè)計尤為重要。結(jié)合現(xiàn)場條件,本橋開展了1組(3根)工程試樁試驗,對樁周土的樁側(cè)摩阻力進行了靜載荷試驗,實測樁周土極限摩阻力f值。由于工程試樁數(shù)量相對較少,也無法對各層土均進行測試,設(shè)計完全采用實測值進行計算也是不合理的和不安全的；實際設(shè)計采用值根據(jù)試樁成果進行調(diào)整是必要的和合理的。

表2為橋址各土層樁周土極限摩阻力f的規(guī)范建議值、原設(shè)計取值、試樁測試值、設(shè)計采用值。由表2可知,樁周土極限摩阻力f設(shè)計采用值是合理和有安全保證的,其值并沒有超出規(guī)范上限值,而其對本橋的樁長設(shè)計卻有較大的影響。本橋主墩樁基礎(chǔ)設(shè)計采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁,原樁周土極限摩阻力f取值設(shè)計計算樁長已達100 m,根據(jù)試樁成果調(diào)整樁周土極限摩阻力f值后,設(shè)計計算樁長降為90～91 m,降幅接近10%,基礎(chǔ)工程量節(jié)省可觀,實際施工將大大降低鉆孔樁施工難度,不僅保證了設(shè)計的科學(xué)性、安全性,也降低橋梁工程造價。

表2 橋址各土層樁周極限摩阻力f值設(shè)計比較分析 kPa

4 橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計

橋梁樁基設(shè)計時,需將基礎(chǔ)作用的主力、附加力以及特殊荷載分別按規(guī)范規(guī)定進行最不利荷載組合進行計算。

本橋位于7度地震區(qū),橋址場地類別為Ⅲ,根據(jù)橋址地震安評報告,地震動峰值加速度為0.16g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.55 s；場地地震參數(shù)：動力放大系數(shù)β值3.0,綜合阻尼比0.04。本橋?qū)儆诘卣鹂拐鸩焕囟?實際設(shè)計地震破壞力大于其他一般7度地震區(qū)地震破壞力。

本橋?qū)貯類抗震設(shè)防橋梁工程,地震作用重要性系數(shù)采用1.7,本橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計由“主力+地震力”工況控制設(shè)計。

橋梁樁基礎(chǔ)根據(jù)承臺座板設(shè)置高程的不同,一般可分低樁式基礎(chǔ)和高樁式基礎(chǔ)。承臺座板位于地面以下或沖刷線以下樁基布置通常稱低樁承臺；反之,稱為高樁承臺。本橋主墩樁基礎(chǔ)設(shè)計采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁,承臺底位于一般沖刷線3 m以上,為典型的高樁承臺布置。

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)(2009年版)規(guī)定,“主力+地震力”工況按一般沖刷線進行設(shè)計。對樁基礎(chǔ)按高樁承臺進行布置的橋梁,在“主力+地震力”工況下,樁的自由長度由一般沖刷線算起；因此,本橋一般沖刷深度對橋梁樁基設(shè)計影響很大。

由表1可知,本橋主墩按規(guī)范公式計算的一般沖刷深度與根據(jù)水工模型試驗后修正計算參數(shù)確定的一般沖刷深度相差1.8 m。根據(jù)水工模型試驗成果調(diào)整相應(yīng)設(shè)計參數(shù)后,樁基設(shè)計計算自由長度為3.85 m,其樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計采用C30水下混凝土、主筋采用HRB335鋼筋即可滿足抗震設(shè)計要求。若采用按規(guī)范公式計算確定的一般沖刷深度,其樁基設(shè)計的自由長度達5.65 m,根據(jù)抗震計算,采用24根φ2 m鉆孔摩擦樁,樁身鋼筋與混凝土應(yīng)力檢算已無法滿足抗震設(shè)計要求,根據(jù)樁基平面布置方案,樁基礎(chǔ)需增加至少2根樁才能滿足抗震設(shè)計要求。由此說明,本橋根據(jù)水工模型試驗成果確定的一般沖刷深度,使橋梁基礎(chǔ)設(shè)計在滿足安全要求的前提下基礎(chǔ)工程更加經(jīng)濟。

5 橋梁樁基礎(chǔ)施工

根據(jù)橋位處地質(zhì)勘探報告,由于黃河地質(zhì)地層以細砂、粉砂層、黏土層為主,黏土層中常伴有較大直徑的姜石、風(fēng)化石等。根據(jù)以往黃河橋樁基施工經(jīng)驗調(diào)查,使用的鉆機基本為傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆機鉆孔,此種鉆機雖然工藝比較成熟,但對于孔徑較大、鉆孔深度較深、地質(zhì)軟硬不均,以及較硬地層樁基鉆孔施工時速度慢、易造成斜孔、難以鉆進等問題,這些均難以保證主橋樁基礎(chǔ)的工期要求。因此,在樁基施工機械選型時必須考慮滿足質(zhì)量及工期要求的設(shè)備。目前國內(nèi)新引進開發(fā)先進的大型旋挖鉆機能滿足本橋鉆孔樁施工需求。

本橋原設(shè)計樁長達100 m,加上承臺厚以及承臺覆土厚,實際鉆孔深達110 m以上。目前國內(nèi)大型旋挖鉆機雖然能勉強達到鉆深要求,但在此鉆深時由于其鉆桿伸出太長,自上向下鉆桿剛度逐漸變小,鉆桿柔度逐漸變大,遇到較硬地層時極易造成斜孔、卡鉆、鉆桿扭斷等情況,造成鉆孔事故概率增多,成樁質(zhì)量隱患大。根據(jù)橋位處地質(zhì)情況及此種鉆機鉆孔經(jīng)驗,為保證成孔質(zhì)量,此種鉆機實際鉆深宜控制在100 m內(nèi)。本橋通過對橋位實體水工模型試驗以及樁周土極限摩阻力試樁試驗,結(jié)合2項試驗成果,對主橋樁基礎(chǔ)樁長進行了全面設(shè)計優(yōu)化,減小了設(shè)計樁長,減短后最大鉆孔深度已控制在105 m以內(nèi),較好地滿足了此種大型旋挖鉆機在本橋主墩樁基礎(chǔ)施工的質(zhì)量以及工期要求。

6 結(jié)論與建議

橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計是橋梁安全的根本,對特大型橋梁,由于其橋梁跨度大,設(shè)計者往往更多從安全性方面考慮,基礎(chǔ)設(shè)計偏于安全,而由于基礎(chǔ)工程規(guī)模大,橋梁設(shè)計的經(jīng)濟性相對較差。因此,結(jié)合橋梁的安全性和經(jīng)濟性要求,在多沙河流上合理選擇設(shè)計參數(shù)尤為重要。通過分析,得出如下幾點結(jié)論和建議：

(1)對大型橋梁工程,應(yīng)采取工程試驗與計算分析相結(jié)合的設(shè)計方法進行橋墩基礎(chǔ)設(shè)計,以保證橋梁基礎(chǔ)設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性；

(2)在多沙河流上,對大型橋梁工程應(yīng)進行水工模型試驗,驗證并合理確定橋梁的沖刷深,以確保橋梁基礎(chǔ)的安全性；

(3)在多沙河流上,對設(shè)計樁長超過50 m的大型橋梁工程,有條件應(yīng)開展工程試樁試驗,合理確定樁周土極限摩阻力f值,使橋梁基礎(chǔ)設(shè)計在確保安全性的前提下達到工程設(shè)計的經(jīng)濟性。

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