复杂地质条件下大型桥梁群桩基础沉降分析

复杂地质条件下大型桥梁群桩基础沉降分析

任荣明

华蓝设计（集团）有限公司  广西 南宁 530000

摘要：连续梁桥是桥梁设计中出现频率较高的桥型，也是对基础沉降较为敏感的桥型。本文通过对复杂地质条件下大跨径连续梁桥的群桩基础沉降进行详细计算分析，找出桥梁的不均匀沉降控制解决方案，为复杂地质条件下桥梁群桩基础的设计、施工、运营提供参考。

关键词：复杂地质、连续梁桥、群桩基础、沉降、压缩模量

1.引言

连续梁桥属于对基础沉降敏感性较大的桥型，特别是混凝土结构的连续梁桥对基础不均匀沉降异常敏感，一般设计过程中允许的连续梁桥最大不均匀沉降在主跨度的0.02%左右，超过此限值会导致桥梁造价的大幅度攀升,因此混凝土结构的连续梁桥设计过程中一般通过基础设计和地质处理手段，将墩台的不均匀沉降控制在限制范围以内。同时，常规地质条件下的扩大基础、端承桩基础、以及持力层压缩模量大于30MPa的摩擦桩基础均能很好的控制沉降及不均匀沉降。当摩擦桩基础持力层压缩模量小于30MPa、且基础持力层超深、各墩台地质情况差异大的时候，靠单一措施难以满足基础的不均匀沉降要求和经济性要求，需要因地制宜的寻求综合解决措施。

2.工程实例概况

东鹿大桥全长308m，主桥采用（85+135+85）m预应力混凝土变截面连续箱梁，挂篮悬臂浇筑施工，根据景观需要装饰结构为对称外倾系杆拱肋，桥梁位于快速路上，桥面宽度40m，上构箱梁横桥向分左右两幅，下构结合景观设计采用整体式桥墩。

3.工程地质情况

根据东鹿大桥项目岩土工程详细勘察报告，场地上覆地层主要为第四系人工堆积层（Q4ml）、坡洪积层（Qdl+pl）、冲洪积层（Qal+pl）、冲积层（Qal）及残积层（Qel），部分钻孔揭露基岩为石炭系下统(C1)深灰～灰黑色灰岩，上部夹(黑色)页岩。各岩土层的物理力学性质及承载力见表1。

地基基础设计参数建议值一览表1

4.基础设计情况

0号桥台地质钻孔深度60～75m，揭露地质情况主要为含砾粉质黏土⑥1层，局部为含砾粉质黏土⑥2层，未发现基岩。

1号桥墩地质钻孔深度81～85m，揭露地质情况主要为卵石⑤、炭质页岩⑧1、含砾粉质黏土⑥1层（其中卵石⑤位于顶部，炭质页岩⑧1位于中部，含砾粉质黏土⑥1层位于底部），未发现基岩。

2号桥墩地质钻孔深度50～80m，揭露地质情况主要为含砾粉质黏土⑥1层、灰岩⑨层（其中灰岩⑨层顶层深度在40～75m之间，且部分钻孔钻至80m深度仍未发现灰岩⑨层，基岩在纵、横桥向均变化很大，且溶洞、溶沟极度发育）。

3号桥台地质钻孔深度32～72m，揭露地质情况主要为含砾粉质黏土⑥1、灰岩⑨层（其中灰岩⑨层顶层深度在20～67m之间，且部分钻孔钻至67m深度仍未发现灰岩⑨层，基岩在横桥向变化很大，且溶洞、溶沟极度发育）。

从总体上分析，本桥的地质在纵、横桥向均变化很大：（1）在纵桥向0#台、1#墩均未发现基岩，且底部均以含砾粉质黏土⑥1层为主，基础持力层压缩模量很低；在2#墩、3#台逐渐揭露基岩，且埋深也呈逐步变小的趋势。（2）2#墩、3#台的横桥向基岩变化非常的大，部分钻孔甚至在80m深度范围内仍未发现基岩。

由于桥址处的地质变化很大，若采用常规的群桩基础进行设计，无法避免纵桥向各墩台之间出现摩擦桩与端承桩共存的情况，也无法避免横桥向同墩台之间出现摩擦桩与端承桩共存的情况，无法平衡各墩台的基础沉降量。为避免不均匀沉降值过大影响上构箱梁的结构安全，结合各墩台详勘揭示的岩土层分布情况，设计过程中为保证桥梁结构的经济性、可施工性等要求，综合比选了沉井基础、大直径摩擦桩群桩基础、桥墩小直径摩擦桩群桩基础+桥台扩大基础等多种基础形式，最终择优采用了桥墩小直径摩擦桩群桩基础+桥台扩大基础（复合地基处理后）的方案，合理的通过增加小直径群桩基础的桩基数量来控制桩基长度，避免出现端承桩与摩擦桩共存在情况，有效的控制了工程造价、保证了可施工性。

图1 桥墩构造图

桥墩承台厚度6m，结合受力特点分三层台阶状设计，桩基直径1.2m，纵桥向布置8排桩，横桥向布置17排桩，桩间距3m，1#墩桩长38m，2#墩桩长35m，均按摩擦桩进行设计，通过控制桩基长度避免出现桩端入岩的情况，确保桩端留有部分土层厚度用于地基沉降变形计算分析，协调各墩台之间的基础沉降量。

图2 1#桥墩地质剖面图              图3 2#桥墩地质剖面图

5.沉降计算方法

5.1《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019）计算方法

根据附录N，群桩（摩擦桩）作为整体基础时，桩基可视为图4中acde范围内的实体基础，计算桩端处的附加压应力，图中为桩基所穿过土层的平均土内摩擦角。

图4 群桩作为整体基础计算示意图

假定的实体基础在桩端平面处的计算宽度：
 

假定的实体基础在桩端平面处的计算长度：

群桩沉降量的计算公式：

沉降压缩层计算深度的计算公式：

5.2《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）计算方法

对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基，其最终沉降量计算可采用等效作用分层总和法。等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为桩承台投影面积，等效作用附加压力近似取承台底平均附加压力。等效作用面以下的应力分布采用各向同性均质直线变形体理论，计算模式如图5所示。

图5 桩基沉降计算示意图

桩基任一点最终沉降量可用角点法按下式计算：

式中: S—桩基最终沉降量(mm)；S′—采用布辛奈斯克(Boussinesq)解，按实体深基础分层总和法计算出的桩基沉降量(mm)；—桩基沉降计算经验系数；—桩基等效沉降系数；m—角点法计算点对应的矩形荷载分块数；一第j块矩形底面在荷载效应准永久组合下的附加压力(kPa)；n一桩基沉降计算深度范围内所划分的土层数；一等效作用面以下第i层土的压缩模量(MPa)，采用地基土在自重压力至自重压力加附加压力作用时的压缩模量；、——桩端平面第j块荷载作用面至第i层土、第i—1层土底面的距离(m)；、—桩端平面第j块荷载计算点至第i层土、第i一1层土底面深度范围内平均附加应力系数。

6.沉降计算结果

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019）中的算法简化为根据桩基所穿过土层的平均土内摩擦角对整体基础底面积的增大影响，不考虑桩距与桩径比值、桩长与桩径比值、等代墩基础长度与宽度比值对基础沉降的影响。《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中的算法则考虑了桩距与桩径比值、桩长与桩径比值、等代墩基础长度与宽度比值对基础沉降的影响，但不考虑桩基所穿过土层的平均土内摩擦角对基础底面积的影响。因此两者之间的计算结果有所差异。

将不同规范算法计算所得的地基最终沉降量汇总如表2所示，不难发现，JGJ94-2008比JTG3363-2019算法的结果稍大，但差值仍在可接受范围，因此本桥的设计优先采用对桥梁工程对口的行业规范《公路桥涵地基与基础设计规范》计算结果。

各墩台沉降计算结果汇总表2

7.沉降控制措施

根据沉降分析结果，本桥设计对沉降的控制采用了多措施控制方案，主要解决思路如下：

（1）桥墩采用小直径摩擦桩群桩基础，通过减小桩基直径来增大同等桩基自重下的群桩摩擦力贡献，通过加大承台面积来减小桩基础底面处的附加应力，通过增加桩基数量来控制桩基础的长度确保桩端沉降计算压缩层性质相近，将桥墩的地基沉降量控制在预设范围内。

（2）基于挂篮悬臂施工连续梁桥型的桥台支反力远小于桥墩的受力特征，桥台采用扩大基础+高压旋喷桩复合地基处理的方式，通过采用浅埋扩大基础来保证局部基岩埋深较小的3#台基础沉降有足够的土质压缩层计算深度，通过复合地基处理来提高地基承载力、改善基础沉降计算压缩层的压缩模量，最终保证桥台的地基沉降量与桥墩相近。

（3）基于挂篮悬臂浇筑施工工期长及逐步加载的特征，通过在施工过程中消耗一部分桥墩沉降，来缩小桥墩与桥台之间的沉降差。

（4）将各墩台的基础最终沉降精确计算分解到各施工阶段，合理控制桥台浇筑和边跨合龙段的施工时间，确保各墩台之间的沉降同步性。

（5）在各墩台控制性截面埋设沉降观测点，监控施工过程中的实际沉降值，与理论计算值进行比较，验证理论计算参数取值的合理性，必要时与岩土勘察单位的沟通调整岩土参数取值，动态控制合龙段施工时间，提高理论计算值与实际沉降值之间的相符性。

（6）桥梁支座采用竖向高度可调整的球型支座，并提出运营过程中的沉降监测要求，为使用过程中不均匀沉降超标预留后期补救措施，同时为方便调整施工，采用了自带本体集成调高座新型支座，安装后具备多次竖向高度调整（调高和调低）功能，调整顶升力仅需1/10支反力，提高了大吨位支座竖向调整和后期更换的可行性。

8.结语

东鹿大桥是大跨径的连续梁桥，各墩台的地质变化很大，0#台～1#墩未发现基岩、且基础持力层压缩模量很低，2#墩～3#台部分揭露基岩、但基岩埋深差异很大，如何避免在不同墩台中同时出现摩擦型桩和端承型桩，协调各墩台之间的不均匀沉降，是本桥设计的重点和难点。本文在基础沉降计算分析结果的基础上，通过对设计、施工、运营等不同阶段采取综合性控制措施，有效的解决了复杂地质条件下连续梁桥基础不均匀沉降的问题，为似桥梁基础沉降控制提供参考。

参考文献

[1]范立础,桥梁工程.北京：人民交通出版社,2001.

[2]马宝林.高墩大跨连续刚构桥.北京：人民交通出版社.2001.

[3]李存权.结构稳定和稳定内力.北京：人民交通出版社，2000.

[4]周勇，余泽新，张明武. 小半径曲线梁桥的设计.中外公路，2007.

作者简介

1.任荣明(1983-)，男，高级工程师，2006年毕业于武汉理工大学工程力学专业，工学学士。研究方向：桥梁设计。

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