巖溶區(qū)上承式箱型拱橋抗推基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

王 亮，余章亮

（1.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京市 100176；2.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京市 100176）

0 引言

在橋梁建設(shè)市場(chǎng)中，從經(jīng)濟(jì)、施工難易程度等考慮，30～200 m 跨徑的拱橋，往往采用上承式的箱型拱，有推力結(jié)構(gòu)，利用地基土來(lái)承擔(dān)水平推力。

在非巖石地質(zhì)條件下，建造拱橋往往需要設(shè)置大體積的重力式基礎(chǔ)或者大規(guī)模的群樁基礎(chǔ)。大體積的重力式基礎(chǔ)首先是開(kāi)挖工作面很大，基坑很深，造價(jià)很高。群樁基礎(chǔ)由于樁身截面結(jié)構(gòu)尺寸偏小，往往不適用。在一些軟弱土質(zhì)地區(qū)、巖溶地區(qū)修建拱橋往往受到限制，要不就是要花費(fèi)較大的經(jīng)濟(jì)成本來(lái)做大做強(qiáng)基礎(chǔ)，要不就是需要改變橋梁結(jié)構(gòu)形式。

國(guó)內(nèi)，諸多學(xué)者對(duì)格柵式地下連續(xù)墻的承載性狀進(jìn)行了相關(guān)研究。孟凡超[1]等在黃土中對(duì)橋梁實(shí)體基礎(chǔ)與矩形閉合型地下連續(xù)墻基礎(chǔ)開(kāi)展了對(duì)比水平載荷模型試驗(yàn)和有限元分析，結(jié)果表明，地下連續(xù)墻的慣性矩和側(cè)表面積較大，具有更好的整體穩(wěn)定性，基礎(chǔ)內(nèi)部土體不提供豎向摩擦力和水平力。羅鑫[2]通過(guò)室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)及數(shù)值模擬，考慮墻體內(nèi)土芯的作用，對(duì)閉合型地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的沉降特性、土芯的負(fù)摩阻力、墻體內(nèi)外側(cè)摩阻力、端阻力、土芯頂部反力及其荷載分擔(dān)比特性等進(jìn)行分析和研究，探討了矩形閉合型地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的墻-土-承臺(tái)相互作用過(guò)程。戴國(guó)亮等[3]對(duì)單室型和四室型井筒式地下連續(xù)墻進(jìn)行了水平靜載荷試驗(yàn)，研究了不同格室井筒式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的水平承載性狀和破壞特性。吳九江、程謙恭等[4]為分析地下連續(xù)墻的豎向承載力性狀，對(duì)單室、兩室地下連續(xù)墻及群樁開(kāi)展了對(duì)比模型試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行了較詳盡的研究，提出了一種基于荷載傳遞法的格柵式地連墻基礎(chǔ)沉降的計(jì)算方法。

綜上所述，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)將地下連續(xù)墻作為基礎(chǔ)使用的方法進(jìn)行了一定的研究，一般是基本基于均勻土層，主要研究的是其摩阻力和水平承載力。但是，對(duì)于巖溶區(qū)區(qū)地下連續(xù)墻作為拱橋抗推基礎(chǔ)少有研究，因此，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)技術(shù)研究很有必要。

1 工程概況

某上承式箱型拱橋橋梁跨徑布置為：10 m（現(xiàn)澆板）+25 m（現(xiàn)澆箱梁）+13 m（簡(jiǎn)支空心板）+108 m（鋼筋混凝土拱）+25 m（現(xiàn)澆箱梁）。主拱凈跨105 m，矢高13.125 m，矢跨比為1/8，如圖1 所示。橋梁全寬16.75 m，斷面布置為4.5 m 人行道+11.75 m 行車道+0.58 m 防撞護(hù)欄，如圖2 所示。拱肋結(jié)構(gòu)采用箱型結(jié)構(gòu)，梁高2.0 m，寬11.4 m，腹板厚0.5 m。

圖1 上承式拱橋立面圖（單位：cm）

圖2 上承式拱橋橫斷面圖（單位：cm）

設(shè)計(jì)汽車荷載：公路-Ⅰ級(jí)，人群荷載5 kPa。

2 橋址工程區(qū)地層巖性

橋址區(qū)出露地層巖性主要有第四系人工填土（Qml），第四系全新統(tǒng)（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土及卵石土，殘坡積層（Qel+dl）紅黏土，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組（∈1q2）灰?guī)r。

中風(fēng)化灰?guī)r（∈1q1）：灰白，青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，由方解石充填，節(jié)理面有大量黑云母片，塊徑1～3 cm，節(jié)長(zhǎng)10～60 cm，錘擊聲脆，局部有溶蝕現(xiàn)象。根據(jù)勘察揭露結(jié)果，已完成鉆孔54個(gè)，共有31個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)溶洞，溶洞最大高度為11.6 m。其中單洞17個(gè)，雙洞8個(gè)，3 洞4個(gè)，4 洞2 個(gè)。見(jiàn)洞率57.4%。橋臺(tái)、橋墩、及拱腳位置溶洞極為發(fā)育，應(yīng)考慮其是否有連通的可能性。擬建場(chǎng)地為巖溶復(fù)雜地段，巖溶為強(qiáng)發(fā)育。巖土物理力學(xué)性質(zhì)及設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)及設(shè)計(jì)參數(shù)

3 拱腳基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用平面桿系有限元進(jìn)行計(jì)算，拱腳約束采用固結(jié)約束，主橋有限元模型如圖3 所示。

圖3 拱橋上部結(jié)構(gòu)有限元模型

經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下拱腳最大水平支反力為72 931 kN，豎向力為37 030 kN。

根據(jù)地勘資料2 號(hào)拱腳處溶洞非常發(fā)育，溶洞呈串珠狀，且厚度較厚，從0 號(hào)臺(tái)、1 號(hào)墩和2 號(hào)拱腳基礎(chǔ)鉆孔柱狀圖中的溶洞規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，該地層巖溶基本聯(lián)通呈層狀，這對(duì)于拱腳的受力極為不利。

首先，由于底層卵石土層和黏土層較厚，地基承載力較小，2 號(hào)拱腳基礎(chǔ)不適用重力式基礎(chǔ)。然后，考慮群樁基礎(chǔ)，群樁基礎(chǔ)穿過(guò)溶洞承擔(dān)拱腳豎向力是可行的；但是由于溶洞的存在，樁基橫斷面面積小，缺少足夠的側(cè)向支撐，無(wú)法承擔(dān)巨大的水平推力。因此，需要選擇一種基礎(chǔ)形式具有較大縱向剛度和較大橫向面積，以抵抗拱腳水平推力。

地下連續(xù)墻基礎(chǔ)縱橫向可成框架體系，縱向剛度和橫向面積均較大，是合適的拱腳抗推基礎(chǔ)形式，同時(shí)采用常規(guī)樁基礎(chǔ)來(lái)承擔(dān)豎向力，形成樁基和地下連續(xù)墻組合體系來(lái)分擔(dān)豎向力和水平力。地下連續(xù)墻與樁基礎(chǔ)承臺(tái)之間設(shè)置豎向隔離層，保證自由沉降，以確保受力分工明確。地下連續(xù)墻內(nèi)部挖除頂部雜填土，挖至巖層，設(shè)置抗剪齒塊，保證水平向力的傳遞。2 號(hào)拱腳基礎(chǔ)一般構(gòu)造如圖4 和圖5 所示。

圖4 拱腳基礎(chǔ)立面圖（單位：cm）

圖5 拱腳基礎(chǔ)平面圖（單位：cm）

4 拱腳基礎(chǔ)有限元計(jì)算

本文采用ANSYS 實(shí)體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)和巖體采用Soild45 單元進(jìn)行模擬。由于本橋上覆雜填土覆蓋層，且存在串珠狀溶洞，計(jì)算偏安全的不考慮上部雜填土的抗力，不考慮溶洞填充部分的抗力，有限元模型如圖6 所示。

圖6 基礎(chǔ)實(shí)體有限元模型

計(jì)算內(nèi)容主要確定地下連續(xù)墻和基巖的應(yīng)力分布規(guī)律和變形分布規(guī)律，計(jì)算應(yīng)力如圖7 所示，計(jì)算變形如圖8 所示。

圖7 基礎(chǔ)順橋向正應(yīng)力云圖（單位：P a）

從圖7 可以看出，在水平力作用下，地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的正應(yīng)力從受力點(diǎn)到基礎(chǔ)巖層呈45°斜向傳遞，除去去應(yīng)力集中點(diǎn)位值，最大正應(yīng)力約2 110 kPa，小于中風(fēng)化巖層水平向承載力4 500 kPa。

從圖8 可以看出，在水平力作用下，地下連續(xù)墻墻體水平向變形規(guī)律沿高度逐漸減小，其中拱腳作用點(diǎn)位置約1.6 mm，小于拱橋上部結(jié)構(gòu)計(jì)算采用值5 mm。

圖8 基礎(chǔ)順橋向變形云圖（單位：m）

由此可以看出地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)具有縱向結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，具有較大的縱向剛度，計(jì)算應(yīng)力和變形均較小，可以滿足方案設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）上承式箱型拱橋拱腳水平推力很大，在地質(zhì)不良地區(qū)尤其是巖溶地區(qū)修建存在一定的難度，常規(guī)的重力式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)方案適用性存在一定的問(wèn)題；因此，創(chuàng)新的研究出一種新型的抗推組合結(jié)構(gòu)，利用樁基承擔(dān)豎向力，利用地下連續(xù)墻承擔(dān)水平力，充分發(fā)揮了各自結(jié)構(gòu)的受力能力。

（2）地下連續(xù)墻作為拱橋抗推基礎(chǔ)具有較大的縱向剛度和橫向受力面積，可以起到應(yīng)力從上到下傳遞的作用，可以對(duì)應(yīng)力進(jìn)行有效擴(kuò)散。地下連續(xù)墻對(duì)于拱橋拱腳的縱向變位有利，其較大的縱向剛度決定了其縱向變位很小。

（3）地下連續(xù)墻可同時(shí)作為基坑的維護(hù)結(jié)構(gòu)，避免了基坑的大面積開(kāi)挖，減少了安全風(fēng)險(xiǎn)。