宁波市大榭岛跨海大桥深水基础的设计铁道部大桥工程局勘测设计院 朱利明 庄 勇 国华公司 曲 力
摘 要 介绍宁波市大榭岛跨海公、铁两用桥30余米深水高桩基础的设计、使用材料和结构分析方法等。
关键词 刚构 深水高桩 高低桩
1 概述
1.1 总体简介
大榭岛跨海公、铁两用桥,位于宁波市以东30km,是开发建设大榭岛的必要通道。
该桥主跨为3跨预应力混凝土连续刚构桥,跨径布置为123.6m+170m+123.6m;设计荷载为公路4车道,汽—超20设计,挂—120验算,人群3.5kN m2;铁路单线,中—活载。
公、铁路位于同一平面,铁路居中,公路分设两侧,地震按7度设防,通航标准为净高18m,净宽120m。
1.2 水文及气象
桥址处水流受海洋潮汐及台风暴潮影响,实测水流断面最大平均流速2.21m s,表面流速3.4m s,发生于落潮时分,桥位地处弯道附近,涨落潮受芦江大河影响,流向很不稳定。
1号墩处水深33m,2号墩处水深27m,冲刷后的河床面,1号墩处覆盖层基本缺失,弱风化岩外露,2号墩处仍有约3m的覆盖层。
每年7、8、9三个月为台风期,实测最大风速35m s,设计风速按41m s。
1.3 地形及地质
墩位处江底地形很复杂,尤其是1号墩处,基础正位于陡峭的深壑边缘。
该墩位处河床面高程相差不大,约-31.8～-29.6m(相对高程,全文同),但覆盖层和风化岩层厚薄不均,由地质资料可知基岩微风化带(晶屑熔结凝灰岩)顶面高程起伏较大,同一墩位处,其顶面高程在-45.74～-32.85m之间,最高处位于墩位西侧,最深处为风化深槽,南北走向,穿过墩中心。
从总体上看,斜贯全墩的风化深槽以东的微风化岩岩体完整性普遍差,基本为碎石状镶嵌结构,风化深槽西侧的微风化岩岩体较完整,岩体以块(石)碎(石)状镶嵌结构为主。
岩石单轴抗压强度45M Pa。
2号墩墩位处河床面高程约-25～-21 m,向江心倾斜,覆盖层主要为新近沉积的黏性土,基岩微风化带顶面高程在-32～-27m之间,变化较和缓,微风化岩岩体完整性好,岩质坚硬,岩石单轴抗压强度45M Pa。
2 基础总体布置
与改建既有线时,应考虑修建旱桥或将原有桥梁延长。
对于加固既有桥或增建第二线桥的墩台基础时,应根据既有桥基构造、地质情况、地下水位等资料,制定防护既有桥的措施和第二线桥基的施工方法,最大限度地缩小桥梁线间距,因为桥梁线间距一般是控制两线线间距大小的主要因素,这对缩小两线线间距将有明显效果,从而能减少土石方、少占农田。
增建二线桥梁基础的设计与新建桥梁基础的设计有所不同,它的控制因素很多,不同的墩台形式、地形地质条件、施工方法等,都会产生不同的设计方法,许多工点都可能是以上几种方法的搭配组合,只能不断总结、综合考虑,以便创造出更新更好的方案来。
参考文献
1 殷万寿.水下地基与基础.中国铁道出版社,1992
(收稿日期 2000-01-18)
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宁波市大榭岛跨海大桥深水基础的设计——朱利明等
2.1 控制基础方案选用的外部条件
(1)30m 左右水深;
(2)水流速度大且流向紊乱;
(3)1号墩处覆盖层和风化岩层厚薄不均,
基岩微风带顶面高程起伏较大,达7～8m ;
(4)2个主墩(1、2号)河底高程相差很大(9m 以上),且2个墩位处地质条件不一致;
(5)施工时需经历台风期,风速大。
2.2 基础布置原则
基于本桥特殊的外部条件及上部结构为连
续刚构桥的结构型式,基础设计在初步设计及技术设计阶段进行了3种基础型式的比选,针对大直径钢壳沉井方案、双承台方案、深水高桩单承台方案,在施工方便、受力合理及经济等方面综合比较,并征求了施工中标单位的意见,最后选用了图1所示的深水高桩单承台方案。
为了保持1、2号墩纵、横向刚度基本一致,据1、2号墩各自的地形地质情况反推各自的纵、横向刚度,最后分别选用了1652.8m 和1252.8m 钢管柱钻孔桩,桩位布置见图1。
图1 1、2号墩布置图(单位:c m )
3 基础设计3.1 桩基础设计
鉴于本桥墩位处复杂的地质、地形条件,设
计中分别采用空间结构分析软件SA P 5和空间
桩基础分析软件B 89对桩基进行了模拟计算。
由于基岩顶面高程变化较大,设计中每根桩均
43铁道标准设计
2000年6～7月第20卷第6～7期
按详勘的地质资料分析取用桩底的边界条件。
由于桩底高程及基岩顶高程不一致,桩身受力情况复杂,要找出控制设计的最不利桩是件非常繁琐的工作。
设计中还发现,即使针对同一根桩,其各方向受力情况也不相同,图2为1号墩1号桩岩面变化示意图。
从图2可见,桩内岩面落差很大,这会导致整个桩基受力的复杂化,给桩基的理论模拟带来极大的困难,实际设计中,按不同的支承边界条件与外荷载进行了8种不利组合。
由于本桥为刚构桥,边界条件的改变会影响上部结构的受力,相应的上部结构分析中亦考虑了此情况。
即使仅计算一个方向的力的作用(比如纵向)时,同一排桩内桩身轴力和弯矩分配并非等分,它们按刚度分配总的外荷载。
设计时根据整桥计算,计算出的一排桩的外荷载值,然后按各桩分配系数找出控制设计的桩身荷载,桩身荷载中还应计入活载偏载引起的横向弯矩。
在进行桩身强度检算时,考虑钢管锈蚀的情况进行适当折减。
图2 1号墩1号桩处岩面变化示意图(单位:c m )
3.2 承台设计
大体积承台除按常规承台进行计算外,还按深梁的假定进行刚度分析;上海铁道大学还用SA P 程序对2个承台进行了空间有限元应力分析。
几种计算方法的计算结果基本一致。
4 基础的施工步骤
(1)施工准备。
在岸边组拼导向船、拼装船、
抛设锚碇设备。
(2)围笼定位。
在拼装船上组拼钢围笼,吊装在导向船上。
(3)插定位钢管柱,接长并打入弱风化层。
(4)将围笼固定在4根定位钢管柱上,并插打其余钢管柱。
(5)在钢管柱内钻孔,灌注混凝土。
(6)灌注承台。
5 问题与讨论
(1)施工时可能出现的问题
由于同一根桩内岩面相差很大,钻孔施工时钻杆极有可能发生向弱方向的倾斜,导致下述3种工程质量事故:①钻杆折断钻头提取困难;②嵌岩部分钻孔桩歪斜,钢筋笼无法到达孔底;③弱方向的岩体岩块被破坏,钻孔桩底嵌固条件改变。
实际施工时,2号墩6号桩即产生上述②情况。
解决的方法是:提钻慢进,进入微风化岩后密切注意钻机情况。
(2)桩身入岩深度的确定
对于桩基础范围内岩面相差很大的情况,相当于斜坡上的基础,除了应按《公路桥涵地基与基础设计规范》第4.3.5条计算单桩嵌固深度外,还应整体考虑地形的影响,本桥即据此考虑各桩桩底高程。
(3)钻孔桩配筋进入钢管柱内的长度钻孔桩配筋进入钢管柱内的长度取值,据以往经验,取钻孔桩直径的1.5倍,本桥桩基钻孔桩直径2.5m ,进入钢管柱内的长度取4m 。
(4)高标号水下混凝土的使用
一般情况下,水下混凝土用C 25,本桥设计采用C 30,经施工现场实况试验,水下混凝土可采用C 35甚至更高。
这对高标号水下混凝土的推广使用是一次有效的尝试。
总之,在复杂地质区设计深水基础,要充分考虑其复杂性,确定每根桩的边界条件,进行多方向、多种工况的计算,找出最不利工况,进行桩基设计。
(来稿日期 2000-02-22)
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