尤匡飛

(臺州市交通勘察設(shè)計院有限公司，浙江 臺州 318000)

1 引 言

我國早期修建的一些公路交通量趨于飽和，出現(xiàn)了較為嚴重的交通擁堵現(xiàn)象，公路需要改擴建來解決擁堵問題，但路段在下穿既有高速樞紐涉及到橋臺橋墩防護措施研究較少。改擴路基下穿高速對高速橋梁的影響需要明確、量化以確保能夠施工安全，改擴段路基的開挖引起地基承載力下降將是影響高速橋臺穩(wěn)定性的重要因素，進而影響上部高速公路的安全運營[1]。由于下穿工程的復(fù)雜性，上部高速公路對沉降變形的敏感性，一直困擾設(shè)計施工的大問題，所以，通過數(shù)值驗算，提出最經(jīng)濟合理的橋臺基礎(chǔ)防護方案。

2 工程概況

現(xiàn)有S326(60省道)下穿甬臺溫高速吳岙樞紐，自西向東依次穿越3#橋、4#橋和5#橋，橋梁結(jié)構(gòu)分別為3×16 m、3×16 m、16 m+20 m+16 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，南側(cè)橋臺均為重力式擴大基礎(chǔ)U型橋臺，北側(cè)橋臺均為肋式樁基礎(chǔ)橋臺，橋墩均為樁柱式橋墩。通過現(xiàn)場調(diào)查，三座橋梁墩臺基本平行，孔號按從左到右排(下同)，3#橋第一孔橋墩與錐坡之間凈空5.2 m×8.3 m，第二孔凈空13.3 m×7.3 m，第三孔凈空12.0 m×4.9 m；4#橋第一孔橋墩與錐坡之間凈空5.2 m×8.2 m，第二孔凈空13.3 m×6.7 m，第三孔凈空12.4 m×4.0 m；5#橋第一孔橋墩與錐坡之間凈空5.4 m×6.1 m，第二孔凈空14.0 m×5.1 m，第三孔凈空10.6 m×2.1 m。路線方案左幅從第二孔穿過，右幅從第三孔穿過。

3 橋臺基礎(chǔ)防護方案

3.1 基底受力分析

為確保橋臺在運營過程中的安全，施工時需對吳岙樞紐3#～5#橋U臺的基礎(chǔ)進行防護處理。橋臺基底持力層主要受活載、橋梁上部結(jié)構(gòu)、橋臺自重及臺后填土產(chǎn)生的正應(yīng)力和汽車制動力及臺后土側(cè)壓力產(chǎn)生的抗滑移水平力。臺前填土下挖后，基底持力層高出臺前地面線，在正應(yīng)力作用下土壓力將大大增加，含粘性土碎石層自身粘聚力不足以保持土層完整穩(wěn)定，將可能出現(xiàn)開挖邊緣處坍塌現(xiàn)象，造成基底受力面積減小，局部應(yīng)力增大。通過以上橋臺開挖前后對橋臺的計算分析，可知橋臺自身均能保持穩(wěn)定。但臺前土體開挖后，其被動土壓力減小，持力層可能出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象。因此針對這一狀況，可采取懸臂式樁板式擋墻、錨索、懸臂凸榫擋墻等幾種方案進行防護。

3.2 樁板式擋墻

樁板式擋墻由懸臂樁和擋土板組合而成，懸臂樁部分錨入地下，其截面為矩形，部分伸出地表，擋土板可以做成預(yù)制平板、拱板或現(xiàn)澆板。樁板式擋墻適用于一般地區(qū)的土質(zhì)填方邊坡，以及需要直立削坡的土質(zhì)挖方邊坡，其懸臂長度可達15 m左右，樁間距一般為3～6 m，懸臂樁的施工類似于人工挖孔灌注樁，樁頂設(shè)置通長冠梁，其上可預(yù)埋鋼板設(shè)置防護欄桿。樁間裝配式預(yù)制擋土板一般用于填方邊坡，現(xiàn)澆擋土板一般用于直立削坡的挖方邊坡。

特點：懸臂樁可在大面積開挖前進行施工，可有效防護樁后產(chǎn)生的土壓力。樁施工好后，可逐個對每兩個樁之間進行擋土板施工，即將整個防護工程在原狀覆土情況下分節(jié)段進行施工，可有效避免出現(xiàn)意外情況。但懸臂樁挖孔較深，施工時需做好相應(yīng)安全措施。

(1)物理參數(shù)

表1 懸臂樁物理力學(xué)指標

表2 墻后填土主要物理力學(xué)指標

(2)最小樁長計算

圖1 樁板式擋墻計算模型

沿支護墻長度方向取1延m進行計算

基底應(yīng)力值q=277.3 kPa

基坑開挖底面處土壓力強度

土壓力零點距開挖面的距離

作用于樁后的土壓力合力

∑E=Ea1+Ea2+Ea3=127.50 kN

∑E作用點距地面的距離

由式

(1)

求得t=3.99 m

取增大系數(shù)Kt=1.3，則樁的最小長度lmin=h+u+1.3t=7.427 m，取7.5 m。

為使樁頂與橋臺基礎(chǔ)第一個臺階頂齊平，則樁的最小長度為8.5 m。

(3)樁截面設(shè)計

①最大彎矩點距土壓力為零點的距離[2]

最大彎矩

開挖面處彎矩

M=Ea1(1-ha1)+Ea2(1-ha2)=38.42 kN·m

樁間距d=3 m，則

M′=dM=3×38.42=115.26 kN·m

求得受壓區(qū)高度為x=0.07 m

受拉側(cè)所需鋼筋面積

選取10Φ25鋼筋面積為4 909 mm2，配筋率

=0.45ftd/fsd=0.002 2

(4)施工組織

由于橋位處沒有水，且地質(zhì)為含粘性土碎石、強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖、全風(fēng)化凝灰?guī)r、強風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r，受橋下凈高限制，樁可采用人工挖孔施工，在三個橋臺范圍內(nèi)按樁間距3 m進行等間距布置，在每個橋臺前進行逐個樁施工，三個橋臺可同步進行。

樁施工結(jié)束后，再進行擋土板施工，最后開挖擋墻前土石方進行路基施工。

3.3 預(yù)應(yīng)力錨索

利用橋臺自身穩(wěn)定性，從臺身處以10°下傾向臺后打錨索，利用錨索的拉力來承受土體水平推力。預(yù)應(yīng)力錨索是向土層傳達力的一種支護手段，它可按給定的方向和荷載大小將力從土體表面?zhèn)鬟f到土體深處，從而使被加固的土體受到一個有益的預(yù)壓力，在這一個過程中，土體得到加固并且使其強度增強，其受力性能也會得到了改善。主要有以下特點：(1)預(yù)應(yīng)力錨索由高強度材料組成并且有可靠的錨固體系，因而它能提供數(shù)量可觀的預(yù)應(yīng)力；(2)預(yù)應(yīng)力錨索長度一般長度較長，能夠錨入到深層土體去；(3)預(yù)應(yīng)力錨索可按給定的荷載大小、方向設(shè)計和施工，目標明確，參數(shù)可靈活調(diào)整；(4)施工工藝簡單，影響因素小，而且能夠與其他加固措施相配合，最主要是不影響高速公路，可以先施工錨索后開挖。

考慮橋臺基礎(chǔ)邊緣持力層不受力，此時橋臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算如下：

在錨索作用下，使基底開挖側(cè)處應(yīng)力為0，即

∑Ptibi≥M0(P，G，E)=78 456.1 kN

錨索豎向布置4排，橫向間距4 m，每排布置6孔，每孔7股，其張拉力為1 357.3 kN。

∑Ptibi=6×1 357.3×(4.1+3.0+1.85+0.75)=78 994.9 kN>78 456.1 kN滿足設(shè)計要求。

錨固體的承載力由注漿體與毛孔壁的粘結(jié)強度、錨桿與注漿體的粘結(jié)強度及錨桿強度三部分組成，設(shè)計取其小值。

Lr=KPd/(ζπdfr b)=2.2×1 357.3/(1×3.14×0.10×150)=8.6 m

Lg=KPd/(ζnπdgfb)=2.2×1 357.3/(0.6×7×3.14×15.2×2.95)=4.6 m

實際錨固長度需要取Max(Lr，Lg)，且不應(yīng)小于3 m，也不宜大于10 m，因此取兩者之間大值，實際錨固長度為8.6 m。

錨索自由長度受穩(wěn)定地層界面控制，一般考慮伸入滑動面或潛在的滑動面不少于1 m，且自由長度不得少于5 m，因此取自由段長度為5 m。所以錨索總長度=實際錨固長度8.6 m+自由段長度5 m+外露長度1.5+墻身厚度2.2 m=17.3 m，總共6×4×17.3=415.2 m。

3.4 懸臂凸榫擋墻

懸臂式凸榫擋墻是一輕型支擋建筑物，它依靠墻自重和墻底板以上填筑土體(包括荷載)的重力維持擋土墻的穩(wěn)定，墻趾板可顯著增大抗傾覆穩(wěn)定性，減少基底應(yīng)力，凸榫可增大結(jié)構(gòu)的抗滑性能。該墻型的主要特點是構(gòu)造簡單，施工方便，墻身截面較小，自身質(zhì)量輕，可以更好地發(fā)揮材料的強度性能。

其受力分析簡圖，見圖2。

圖2 懸臂凸榫擋墻受力圖

主動土壓力

被動土壓力

=2×(0.5×19×1.22+24×1)×3.690 17+0.5×19×2.22×3.690 17=448 kN

墻趾板與地基摩擦力

Gf=24×1×1×5×0.4+24×2.2×1×3×0.4=111 kN

由式n∑Eai≤∑Epi+Gf，得n≤2.09 m，取n=2 m，即每道墻趾板及凸榫承受2 m范圍的土壓力。

3.5 方案比較表

4 結(jié) 論

綜上，基于工程造價、施工影響，運營安全等多因素的分析，經(jīng)綜合比較，S326(60省道)三門段下穿甬臺溫高速選擇樁板式擋墻防護橋臺基礎(chǔ)最合適，且施工快速、經(jīng)濟性良好，為類似工程提供參考。