基于山区浅覆盖层花岗岩地质桥梁基础优化设计

吴辉

（华设设计集团股份有限公司厦门分院，福建厦门 361000）

1 引言

翔安机场高速公路是福建省高速公路网中一条重要的联络线，属于“六纵十横”中的一部分。项目分北段、南段及大嶝岛段3 段施工，北接沈海高速，起于内厝镇下沙溪村，南接建设中的翔安机场。其中，巷东互通为翔安机场高速公路北段与泉州城市联盟高速转换枢纽互通。

巷东互通地形高差较大，大部分区域需要“大挖大填”，土石方量巨大，达1×106m3以上。而对于开挖后的巷东互通场地，大部分为裸露的花岗岩，常规桥梁多采用桩基础形式。由于受制于地质条件及工期等因素，常规桩基础施工难度大、工期长。本文通过分析，对巷东互通桥梁基础进行优化设计。

2 工程地质条件

根据工程地质勘察及现场调查，巷东互通所在场地原始地貌为丘陵山地，岩土层构成较简单，互通区无活动性断裂带通过，区域地质稳定性较好。但场区位于大规模采石场内，经长期采石开挖，原始地形地貌已遭受严重破坏，开采区四周形成高耸陡崖，随处可见危岩、掉块、小型坍塌等地质灾害；开采区内部受无序开采影响，分布有大小深度不一的采石坑区。

场地主要由局部填土及大面积直接裸露的强风化岩、中微风化岩构成[1]。

3 桥梁结构形式

巷东互通为翔安机场高速公路北段与泉州城市联盟高速转换枢纽互通，主线桥选用装配式预应力混凝土T 梁结构，匝道桥采用预应力混凝土现浇箱梁，本文选择对巷东互通典型匝道桥E 匝道桥第三联（跨度组合为35.4 m+36 m+2×35 m）进行分析。原设计下部结构采用花瓶墩，承台桩基础结构。互通内桥墩高度为8～16 m，基础为满足弹性桩要求，最短桩长9～12 m，桥梁标准横断面如图1 所示。

图1 桥梁标准横断面（单位：cm）

4 实际实施时遇到的问题

根据互通区微地形设计，对场地微地形处理后，部分桥位处于开挖后的微风化花岗岩范围内，项目施工中，存在如下问题：

1）岩层强度高，桩基础施工极其困难，对钻孔机具要求高，且易损坏。

2）施工速度慢，钻进困难时，1 d 只能钻进10 cm，无法满足省重点项目的工期要求[2]。

考虑到实际施工存在的问题，亟须对桥梁基础设计进行优化。

5 桥梁结构优化

因基础处于花岗岩持力层，岩面较完整，岩石饱和抗压强度高，地基承载力能满足要求，优化设计考虑将原有桥梁桩基础优化为扩大基础，以降低施工难度，缩短施工工期。根据试算，初步拟定扩大基础的尺寸为8 m×8 m×2.5 m，如图2所示。

图2 基础优化结构图（单位：cm）

6 结构受力分析

经优化后的基础需满足桥梁抗倾覆、地基承载力、偏心距等要求。

6.1 静力计算结果

下部结构考虑的作用有上部结构的重力、桥墩的重力、基础重力、支座摩阻力、W1风荷载、W2风荷载等。

组合Ⅰ：上部结构荷载+桥墩、基础重力+汽车荷载+支座摩阻力+W1风荷载；

组合Ⅱ：上部结构荷载+桥墩、基础重力+W2风荷载。

经计算，荷载及荷载组合对基础底部产生的内力汇总见表1。

表1 荷载及荷载组合对基础底部产生的内力汇总

6.2 抗震计算结果

采用桥梁博士V4.3 建立模型进行抗震分析（见图3），以空间杆系模型进行。主桥纵桥向设定为局部系X 方向，横桥向设定为局部系Y 方向，竖向设定为全局系Z 方向。

图3 抗震计算模型

抗震计算基础底效应组合见表2。

表2 抗震计算基础底效应组合

由计算结果可知，在地震作用下，对于固结墩，墩高越低，桥墩受力越不利；对于一般墩，墩高越高，桥墩受力越不利。因此，对于固结墩，墩高按8 m 进行控制计算；对于一般墩，墩高按16 m 进行控制计算[3]。

6.3 基础计算结果分析

1）抗倾覆稳定性。抗倾覆稳定系数计算见表3。

表3 抗倾覆稳定系数计算

由计算可知，固结墩桥墩在E2 地震作用下抗倾覆系数为0.83＜1.3，不满足规范要求，因此，固结墩仍采用桩基础。对于一般墩，E2 地震作用下抗倾覆系数为4.3＞1.3，满足规范要求。因此，固结墩不满足优化条件，仅对一般墩进行优化。

2）基底应力计算。经计算，基底应力最大为380 kPa,应力小于持力层承载能力，满足要求。对于中风化花岗岩持力层，承载力远大于设计基底应力，因此，对于此类岩层，较适合采用扩大基础。

3）偏心距计算。以一般墩在E2 地震作用下进行分析，最不利偏心距e0=0.93＜[e0]=1.914，满足要求。

4）基础配筋。经计算，基底配置79 根φ22 mm 钢筋，满足要求。

5）基础抗剪计算：

式中，βhs为剪切高度影响系数；Vs为剪力设计值；ft为抗拉强度设计值；A0为验算截面有效面积。经计算，截面抗剪验算满足要求。

6）基础抗冲切计算：

式中，Pj为地基土单位面积净反力；Aj为冲切验算取用基底面积；Fl为相应于Aj上的净反力设计值；am为冲切椎体最不利一侧计算长度；h0为冲切破坏椎体有效高度。经计算，基础冲切计算满足要求。

经以上分析，对于固结墩，基础由桩基础调整为扩大基础，抗倾覆稳定性无法满足要求，对于一般墩，基础由桩基础调整为8 m×8 m×2.5 m 的扩大基础，结构受力满足要求，因此，仅对一般墩基础进行优化，对固结墩，维持原有桩基础结构。

7 施工措施建议

本项目开挖土石方量较大，大部分采用爆破开挖，建议预留基础一定深度范围内采用非爆破开挖，以免破坏持力层岩石结构，影响结构受力。

基坑开挖完成，需清除基坑内松散石块，建议用高压水枪冲洗干净，清理后的基坑应露出完整、干净的岩石，以保证地基与基础连接紧密。

8 结论

1）选取典型匝道桥35.4 m+36 m+2×35 m 预应力混凝土现浇箱梁进行分析，分别以8 m 墩高和16 m 墩高进行计算分析。对于固结墩，墩高按8 m 进行控制计算；对于一般墩，墩高按16 m 进行控制计算。

2）匝道桥固结墩在E2 地震作用下抗倾覆验算不满足要求，仍采用桩基础，对于匝道桥一般墩基础，由桩基础优化为扩大基础，结构受力满足要求。

3）优化基础后，施工速度较快、施工难度降低，同时节省了造价。

4）目前，巷东互通已完成箱梁施工，优化后实施效果良好，可为山区桥梁基础提供借鉴。