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第5章 锚碇基础
5.1悬索桥及其锚碇
悬索桥，是指以悬索为主要承重结构的桥，由主缆、主塔、加劲梁、锚碇、吊索、桥面、等部分组成，如图5-1所示，是跨越能力最强的桥型，目前跨度1000m以上的桥几乎都采用了这种形式。
图5-1 悬索桥结构示意图
悬索桥的主缆是柔性结构，为对其两端进行约束，可采用两种方式：一是将两端锚于悬索桥的加劲梁上，成为自锚式，这种方式适用于跨度较小的桥。另一种是地锚式，即通过锚碇将主缆固定于桥头岸边的岩石或土层中，这也是目前应用最为广泛的形式。因此，锚碇也是悬索桥的主要承载结构之一。
锚碇的形式与桥位区的地形及地质条件密切相关。
当桥头的岸边有坚固的岩层时，主缆可通过隧道式锚碇或岩锚的方式锚固在岩石中。图5-2所示为乔治华盛顿大桥新泽西侧的隧道式锚碇。
图5-2隧道式锚碇（乔治华盛顿大桥新泽西侧） 2
如果岸边没有合适的锚固岩层，则可采用重力式锚碇，其主要组成部分包括锚体、散索鞍支墩、锚室和基础等。
其中，基础可采用沉井、桩、地下连续墙等形式。这将在下节详细介绍。
根据上述介绍，锚碇的锚固形式可归纳为：
无论采用何种锚固形式，都需通过散索鞍座或喇叭形散索套将原来捆紧的钢丝索股分开，然后逐股锚固。
图5-4为散索鞍座示意图，一般置于主缆锚固体之前，除可将主缆分散为索股外，还能使分散后的主缆转角。
图5-4 散索鞍分散主缆示意图
若主缆分散后不需要转角，则可采用喇叭形散索套，如图5-5所示。喇叭形散索套的内表面适应主缆从捆紧状态逐渐变化到分散状态，其本身依靠置于散索套小口端的摩擦套箍固定位置。 3
图5-5 喇叭形散索套分散主缆示意图
展开后的索股通过一定的方式将其所受拉力传给锚体或锚塞体。如图5-6所示，其主要传递方式有5种：
图中（a）所示是早期采用的方式（20世纪前半叶）。索股的拉力通过数节眼杆形成的眼杆链传至锚固块后方的后锚梁。眼杆链与锚固块之间的是分离的，以保证拉力全部传至后锚梁。这种方式施工工艺繁杂且不经济，现已很少使用。
（b）是采用上端有螺纹的钢杆代替眼杆传递索股力。当钢杆过长过重时，会给施工带来困难。
上述两种传递方式的主要目的是保证传至锚体的索股力不在锚体中产生拉应力。当引入预应力技术后，使得索股力的传递可采用更为灵活方便的方式：
如（c）中所示，锚固块中施加预应力后，其钢杆的长度只要保证他与锚体混凝土之间有足够的黏结力传递索股力即可，其长度可较（b）中的长度大大减小。
（d）中在混凝土在前锚面通过基板将连接索股的螺杆直接与预应力筋相连，将索股力传至锚体。
在（e）中，索股穿过锚固在锚体中的锚管后，固定在后锚面。 4
图5-6 索股力传给锚体（锚塞体）的方式
5.2 重力式锚碇基础的类型
为承受由主缆传来地的巨大的拉力（以江阴长江大桥南侧锚碇为例，主缆传给锚碇的拉力约为6. 4×105kN，分解后，其水平分力约为5. 5×105 kN。），锚碇系统需提供足够的抵抗力，——它来自于锚体和基础的重力以及土层或岩体的阻力。
总体上讲，锚碇在施工及运营期间受力特点及相应要求并不完全相同。对重力式基础，在施工期间主要是自身重力，作用于竖向，此时，应保证地基承载力和沉降要求；而在运营期间，除上述荷载外，还将收到主缆传来的拉力，此时除上述要求外，还需重点保证锚碇不会发生水平滑移和倾覆，即应满足稳定性条件。同时，在运营期间，还需将基础的沉降和水平位移控制在容许范围内。为使锚碇有足够的安全性，通常会尽可能将锚碇基础置于基岩或性质良好的土层上。 5
为满足上述要求，根据地层情况、荷载大小等条件的不同，重力式锚碇的基础形式可选为浅埋扩大式、沉井（沉箱）式、地下连续墙式、桩式等，但总的来看，锚碇基础的尺寸通常很大，除承受竖向力外，还要承受很大的水平力及弯矩。
5.2.1 浅埋扩大式基础
当基岩或良好土层深较浅时，可采用浅埋扩大基础，亦称直接基础型。与其他基础形式相比，浅埋扩大基础的结构形式简单，施工方便，是应首先考虑的基础形式。
浅埋扩大基础多置于岩石上，置于土层时通常需对地基进行加固处理。此外，该类基础多在陆地或浅水区，采用明挖干施工。
图5-7所示为浅埋扩大式基础的基本形式，为提高基础的稳定性，可将基础的底面作成前高后低的倾斜状，以抵消部分主缆拉力，如丹麦的大贝尔特（Great Belt）桥的基础底面就设置成与水平面呈10.4o的倾斜面；还可将基底作成锯齿状、台阶状等，甚至可以将型钢混凝土桩插入基础与基岩之间，以加大基底的水平阻力。锚碇还可设计成如图5-8的形式，如江阴长江大桥南锚、虎门大桥东锚、汕头海湾大桥南锚等，此时，基础与锚碇的其他部分已融为一体。
图5-7 浅埋扩大式基础 6
图5-8 连体浅埋扩大式基础
图5-9所示为建于1996年？的厦门海沧大桥东航道大桥扩大基础。该桥为特大型三跨连续钢箱梁悬索桥，主跨长度为648m，两个边跨均长230m，全长1108m，单根主缆的拉力约为120000kN，在散索点处的入射角为12.4803o。
根据主缆拉力及土层情况，确定锚碇采用扩大式基础。以东锚碇为例，选择强风化斜长花岗斑岩为持力层，其基本承载力0不小于500kPa，最终确定出基础的底面尺寸为79.5m×57m，底面积为4531.5m2。其中，为提高基础的抗滑能力，基础底面设计成5.41%的倒坡；同时，为尽可能减小基底的压应力但同时又能保证基础的抗覆稳定性，基础的前端部分设计为箱型，而后部则采用实体形式。 7
图5-9 厦门海沧大桥东航道大桥锚碇浅埋扩大基础（尺寸单位：cm）
5.2.2 地下连续墙基础
当基岩或良好土层埋深很大时，为给基础提供较强的持力层，可采用深埋基础形式。常用的深埋基础的形式有两类：地下连续墙基础及沉井基础。其中，地下连续墙基础适于场地处在陆地或浅水区，沉井基础的适用性则较强，可用于陆地、浅水区、深水区的施工。
地下连续墙基础先以地下连续墙围成圆形或矩形截面的围护结构，然后用“逆作法”施做内衬，其作用是与连续墙一同承担坑外的土、水压力。挖至设计深度形成基坑，再浇筑底板，然后在其中灌注（填筑）混凝土或砂、水等增加重量，最后浇筑顶板形成基础，如图5-10所示。
图5-10 地下连续墙基础 8
可以看出，地下连续墙实际只是整个基础的一部分，其主要作用还是体现在围护功能，这与单独、直接承担上部结构荷载的地下连续墙基础是有很大差别的，本质上讲，它应属于深埋扩大基础。
地下连续墙基础的关键在于地下连续墙的施工。作为围护结构，它具有刚度大、埋深大、施工精度高、对地层适应性强等优点。缺点是开挖遇到障碍物时难处理，墙体间的接缝处理不好易成为结构受力、防水的薄弱点，护壁泥浆会影响混凝土质量等。
地下连续墙基础在国内外悬索桥中有着广泛的应用，如日本明石海峡北锚碇（1998）、国内的虎门大桥西锚碇（1997）、广州珠江黄埔大桥的南汊桥的南、北锚碇（2005）、武汉阳逻大桥（2007）南锚碇等采用了圆形的地下连续墙，而润扬长江大桥南汊桥主桥北锚碇（2005）则采用了矩形地下连续墙的形式。
武汉阳逻长江大桥主桥为250m+1280m+440m的悬索桥，主缆设计拉力为617900kN。其南锚碇位于长江南岸的I级阶地，属长江冲积平原的高河漫滩，地势相对平缓。覆盖层为厚50.4~51.6m的第四系冲积亚黏土、淤泥质亚黏土、亚黏土夹亚砂土、粉砂、细砂、含砾细中砂及圆砾，下伏砾岩、砂岩。强风化砾岩岩性破碎，强度较低；弱风化砾岩完整性较好，饱和单轴抗压强度为12.8~29.4MPa之间；锚址区水文地质差，覆盖层地下水与长江水连通。针对上述特点，其南锚碇采用了圆形地下连续墙基础，以卵石、圆砾层作为基底持力层。如图5-11所示，连续墙外径73m，壁厚1.5m，内衬由上到下采用1.5m、2.0、2.5m不同的厚度，基坑开挖深度41.5m，底板厚度6m，坑内回填填芯混凝土，最后浇筑6~10m厚的钢筋混凝土顶板形成基础。
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图5-11 武汉阳逻长江大桥南锚碇圆形地下连续墙基础（尺寸单位：cm）
润扬长江大桥南汊桥主桥为470m＋1490m＋470m的悬索桥，其北锚碇为亚黏土、亚黏土夹粉砂、淤泥质亚黏土、粉细砂、砾砂等第四系覆盖层，厚度47.5m~48.5m，下为强风化、弱风化、微风化花岗闪长岩、花岗斑岩，地下水位受长江水位影响明显，枯水期地下水标高1.5m~1.6m，丰水期3.6m~4.1m。经与沉井基础、圆形地下连续墙基础等方案比较后，最终选取了矩形地下连续墙基础方案。
如图5-12所示，北锚碇基础基岩埋深约50 m，基坑平面尺寸为69 m×50 m，开挖深度达48 m，采用壁厚1.2 m的地下连续墙和12道钢筋混凝土支撑作为围护结构。基础底板浇10
筑后，基坑内设置的3道纵隔板、4道横隔板将基础分为20个隔舱，除2个隔舱填混凝土，2个隔舱灌水外，其余16个隔舱均填砂，除可起到调节基础重心的作用外，也节省了混凝土的用量。
图5-12 润扬长江大桥北锚碇矩形地下连续墙基础
除以地下连续墙作为基坑的支护结构外，还可以采用排桩支护形式，此时，一般要结合其他措施防止水向基坑内渗入，如可在排桩之间的土中钻孔，然后进行高压注浆。也可采用冻结法在基坑周围形成冻结帷幕来阻水，润扬长江大桥的南锚碇就采用了排桩加冻结帷幕的方法，并取得了很好的效果，其排桩围护结构如图5-13所示。
图5-13 润扬长江大桥南锚碇排桩围护结构
5.2.3 沉井基础
与地下连续墙基础相比，沉井基础除可用于处在陆地或浅水区的场地外，还可在深水区施工，是锚碇基础的一种重要形式。 11
锚碇沉井基础也有2种形式，即现场就地浇筑下沉的一般沉井及先在岸边预制好，然后浮运至井位下沉的浮运沉井，也称为设置沉井。前者如江阴长江大桥（1999）北锚碇基础、南京长江第四大桥（在建）北锚碇基础等，后者如日本南、北赞濑户桥南锚及中间锚碇及丹麦大贝尔特桥等。
江阴长江大桥为336.5m+1385m+309.4m的单孔简支钢箱悬索桥，其北锚碇所在的地层由淤泥质亚黏土与松散亚砂土、亚砂与亚黏土互层和粉细砂、硬塑或半坚硬的粉质黏土层并夹有粉细砂、密实的细砂，含砾中粗砂层等组成的厚度78m～86 m的覆盖层，下为石灰岩。地下水位在地表下l～2m，20m～40 m和50 m以下存在两层承压水层，并与长江水相连通。
考虑到锚碇所承受的主缆拉力巨大、基岩上覆盖土层厚、地下水丰富等原因，经综合比较分析，选择长69m、宽51m、高58m的特大沉井作为锚碇基础，如图5-14所示，沉井在平面上分为36个隔舱，竖向分为11节，并在沉井后段隔舱中填砂、填水，增加基础的重量，并使其重心后移，为提高基础的稳定性。
图5-14 江阴长江大桥北锚碇沉井基础（尺寸单位：cm）（书P38）
5.2.4 桩基础
与前述基础相比，桩基是锚碇基础很少采用的形式，这主要是因为桩基结构相对较轻，而作用机理比较复杂，设计者对其在运营期间能否有效控制位移并无很大把握。目前，锚碇桩基的应用在国内尚无先例，不过在国外则有成功的应用，如1997年建于美国洛杉矶的文森特桥( Vincent Thomas Bridge)及2007年在加利福利亚建成的新卡圭尼兹大桥( New Carquinez Bridge)。