大型橋梁工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

 摘要:橋梁既是建設(shè)路網(wǎng)的重要資源，也是一座座“民生橋”“產(chǎn)業(yè)橋”。我國(guó)橋梁有“世界之最”多、工藝創(chuàng)新多和橋梁樣式多等特點(diǎn)，這與我國(guó)復(fù)雜的地質(zhì)條件是緊密聯(lián)系的，可以說(shuō)復(fù)雜地質(zhì)條件造就了我國(guó)的大橋和橋梁工藝，也給我們橋梁設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多難題。本文分析了復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)大型橋梁工程設(shè)計(jì)的重要性，并從幾方面提出了設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:復(fù)雜地質(zhì)；橋臺(tái)；樁長(zhǎng)

1復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)大型橋梁工程設(shè)計(jì)的重要性

據(jù)交通部門(mén)統(tǒng)計(jì)，截至2016年年底，我國(guó)公路橋梁總數(shù)已達(dá)100萬(wàn)座，我國(guó)建成的懸索橋、斜拉橋、拱橋和梁橋這四類橋梁的跨徑均已居世界同類橋梁跨徑前列。到2030年我國(guó)還需新建2萬(wàn)多公里的國(guó)家高速公路，這些高速公路上有許多關(guān)鍵性控制工程是跨越長(zhǎng)江、黃河和海峽的大型橋梁，或復(fù)雜地質(zhì)、地形條件下穿越溝壑和崇山峻嶺的高架橋梁，有許多難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。特別是我國(guó)幅員遼闊，工程、水文地質(zhì)情況復(fù)雜多變，尤其灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)極其復(fù)雜，如溶洞、斷層、裂隙、地下水等。如對(duì)其認(rèn)識(shí)不足可能嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)階段橋梁基礎(chǔ)形式選型，施工階段橋梁基礎(chǔ)安全隱患以及施工質(zhì)量，乃至通車后的運(yùn)營(yíng)安全，造成嚴(yán)重的質(zhì)量、安全、隱患和經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，橋梁基礎(chǔ)前期進(jìn)行深入的地質(zhì)勘探，采取合理的設(shè)計(jì)措施來(lái)降低工程造價(jià)，減小施工難度，縮短工期十分必要。

2復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)大型橋梁工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2．1基于勘察工作開(kāi)展設(shè)計(jì)

我國(guó)很多大型橋梁工程巨大、線路長(zhǎng)，路區(qū)域內(nèi)巖溶、巖堆、滑坡、采空區(qū)、順層、危巖落石及軟土等不良地質(zhì)眾多�？睖y(cè)是橋梁設(shè)計(jì)合理的前提和基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)影響橋梁下部結(jié)構(gòu)型式的選擇及方案的合理性、可行性，對(duì)下部工程設(shè)計(jì)質(zhì)量至關(guān)重要，如果前期調(diào)查不細(xì)，就會(huì)給工程實(shí)施造成設(shè)計(jì)變更、工期延長(zhǎng)、費(fèi)用增加等問(wèn)題。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，橋梁基礎(chǔ)施工階段很難全面、深入的進(jìn)行地質(zhì)勘探，所以施工階段對(duì)橋址區(qū)的補(bǔ)充勘探，甚至逐樁鉆探是很有必要的。某高架橋橋梁結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)支梁為主，主橋?yàn)樾崩瓨�，采用雙塔雙索面斜拉設(shè)計(jì)，主塔為“H”型，主橋基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁徑1.5米，樁長(zhǎng)65米，每個(gè)塔11個(gè)樁，共計(jì)44根。整個(gè)工程受阻于樁基施工，44根樁基僅成孔4根。原因是在樁基鉆孔進(jìn)行到地面以下41米左右時(shí)，遇到意想不到的“鋼板”地質(zhì)，鉆機(jī)成孔緩慢，加上跨鐵路線施工存在安全方面的疑問(wèn)，施工進(jìn)度受到影響。本工程所在這一地段地理構(gòu)成復(fù)雜，自開(kāi)工至今，針對(duì)不同的地層，先后使用過(guò)沖擊鉆、不同功率的反循環(huán)回旋鉆、正循環(huán)回旋鉆、旋挖鉆等等，甚至全國(guó)僅有的最大的兩臺(tái)旋挖鉆德國(guó)產(chǎn)BG－50中的一個(gè)，也在復(fù)雜的巖層狀況前敗下陣來(lái):鉆桿損壞、動(dòng)力頭法蘭盤(pán)扭裂。在樁頂41米以下普遍存在連續(xù)多層類似石英砂巖的板結(jié)構(gòu)造地質(zhì)，是幾次鉆孔卡鉆、進(jìn)尺緩慢的主要原因。為進(jìn)一步研究鉆樁方案，該項(xiàng)目最終對(duì)該橋位地質(zhì)重新補(bǔ)勘，獲取了更詳實(shí)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，同時(shí)對(duì)所鉆探資料、鉆樁資料反復(fù)比較分析，對(duì)其土層分布范圍及巖性了解透徹，為調(diào)整施工工藝和必要的設(shè)計(jì)變更提供依據(jù)。在橋梁勘察設(shè)計(jì)工作開(kāi)展時(shí)我們應(yīng)當(dāng)做到以下幾點(diǎn):①保證勘察前期準(zhǔn)備的充分性，一是要全面的搜集相關(guān)資料，二是要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察，以保證地形地貌和地質(zhì)條件的準(zhǔn)確性;②在使用勘察設(shè)備時(shí)有條件的情況下最好使用精度高、勘察效果好的設(shè)備，在取樣時(shí)要保證樣本有較高的代表性;③勘察時(shí)要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，但是也要注意具體問(wèn)題具體分析，可以創(chuàng)造性的采用一些高效的勘察方法;④因?yàn)槲覈?guó)地質(zhì)條件特別豐富，橋梁所在場(chǎng)區(qū)不同遇到的環(huán)境也不盡相同，所以勘察時(shí)應(yīng)當(dāng)開(kāi)展區(qū)域性地質(zhì)研究，制定相應(yīng)的勘察技術(shù)要求;⑤橋梁的施工有時(shí)會(huì)造成建設(shè)區(qū)的環(huán)境破壞，在勘察時(shí)要堅(jiān)持綠色環(huán)保的理念。

2．2跨河橋梁橋臺(tái)選擇

位于河流上的橋梁，因?yàn)槠錁蚨丈钊牒铀�中，受到河水的常年沖刷，在低水位之下，凍結(jié)線之上或者沖刷線的附近，墩身通常會(huì)出現(xiàn)環(huán)帶狀腐蝕，甚至?xí)�出現(xiàn)混凝土空洞。如果橋梁位于厚砂礫卵石層時(shí)，橋梁的樁基就會(huì)出現(xiàn)高強(qiáng)度的磨損，嚴(yán)重的還會(huì)造成樁基的鋼筋暴露。所以對(duì)于跨河橋梁的設(shè)計(jì)要特別重視橋臺(tái)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的選擇，提高水平抵抗力。下面具體分析橋臺(tái)選擇的過(guò)程。(1)組合式橋臺(tái)。組合式橋臺(tái)臺(tái)身只受到橋跨結(jié)構(gòu)的豎向力和水平力，它通過(guò)另設(shè)的結(jié)構(gòu)物分擔(dān)了臺(tái)后土壓力，組合的形式主要有主要過(guò)梁式、錨碇板式、框架式和橋臺(tái)與擋土墻組合橋臺(tái)。組合式橋臺(tái)的臺(tái)身能夠選擇樁接蓋梁式結(jié)構(gòu)，大大節(jié)約了工程材料，降低了成本，并且受力非常明確。其中橋臺(tái)與擋土墻組合如果應(yīng)用與軟土地基容易引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題，因此在跨河橋梁中不適用該種形式。(2)埋置式橋臺(tái)。埋置式橋臺(tái)的臺(tái)前溜坡內(nèi)可以設(shè)置防沖裝置從而使得臺(tái)前溜坡能夠承受臺(tái)身的主動(dòng)土壓力，因此可以大大節(jié)約材料成本。但是臺(tái)前溜坡的坡度叫小，坡長(zhǎng)大，如果距離河岸不遠(yuǎn)就必須對(duì)河床進(jìn)行壓縮，這樣就會(huì)施工帶來(lái)了困難。在成本能夠滿足的條件下，軟土地橋梁建設(shè)的布置橋孔過(guò)程中會(huì)增加橋梁的跨度，同時(shí)把橋臺(tái)往河岸的后方移動(dòng)，從而將臺(tái)后路堤成變?yōu)榈吞钔潦降�。這種情況下選擇埋置式橋臺(tái)就能夠降低橋梁基礎(chǔ)的成本，但是應(yīng)當(dāng)注意設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證樁基間距不超過(guò)5米。(3)薄壁式橋臺(tái)。在薄壁式橋臺(tái)的承臺(tái)設(shè)置支撐梁，在梁與橋臺(tái)之間使用栓釘進(jìn)行錨固，就能夠使橋臺(tái)和支撐梁及上部結(jié)構(gòu)組成一個(gè)四鉸框架來(lái)承受臺(tái)后土壓力。這種橋梁形式具有較高的整體性，自身的結(jié)構(gòu)重量小，施工也比較簡(jiǎn)便。這種形式的橋梁一般多適用于臺(tái)高不大于3m且跨徑小于13米的單跨橋梁。

2．3極軟巖石中的樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)

大型橋梁的上部結(jié)構(gòu)承受的荷載大，遇到不良地層(如適合當(dāng)持力層的巖層埋藏很深，用其做持力層工程量大，施工難度大，成本高或者埋藏不深但是下部存在軟弱土體)，用天然淺基礎(chǔ)無(wú)法滿足上部荷載時(shí)建議采用嵌巖樁或摩擦樁。摩擦樁是主要靠樁身與土層的摩擦力提供承載力，端承樁主要靠樁底提供承載力，設(shè)計(jì)時(shí)考慮造價(jià)和施工問(wèn)題，根據(jù)勘察報(bào)告設(shè)計(jì)。對(duì)于地質(zhì)條件各土層較厚，巖石比較淺，上部結(jié)構(gòu)反力不是很大的情況可以用摩擦樁。而對(duì)于巖石埋深淺，建議使用嵌巖樁。通過(guò)橋梁計(jì)算軟件布設(shè)活載計(jì)算出橋墩樁基最大沖刷截面的最不利荷載，以單樁軸向容許承載力公式為依據(jù)對(duì)摩擦樁和嵌巖樁樁長(zhǎng)進(jìn)行求解。就嵌巖樁而言，它的樁長(zhǎng)要綜合考慮樁基軸向力以及彎矩，綜合兩因素最不利者來(lái)獲得最佳深度。例如某橋梁工程通過(guò)最大沖刷截面處彎矩算出樁基嵌巖深度。在沒(méi)有掌握準(zhǔn)確的地面或最大沖刷截面處彎矩?cái)?shù)據(jù)時(shí)，可以以彈性樁基礎(chǔ)理論為依據(jù)，在Z=4時(shí)，該樁基Z米深入截面的彎矩、剪力和應(yīng)力我們可以將其當(dāng)做是零。如果經(jīng)過(guò)樁基受力計(jì)算，摩擦樁和嵌巖樁都符合的話，我們就要考慮橋梁的地質(zhì)狀況，這種情況下，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)最大程度的加大樁底嵌入基巖的深度，進(jìn)而提高樁基的承載力，使橋梁的基礎(chǔ)更加穩(wěn)定。

3結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)大型橋梁建設(shè)中會(huì)遇到諸多的含淤泥，中、粗、細(xì)沙及礫沙夾層等復(fù)雜成因的地質(zhì)場(chǎng)區(qū)，在這些地質(zhì)場(chǎng)區(qū)修建橋梁應(yīng)當(dāng)根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，做好橋梁地基的處理、合理選擇橋臺(tái)、合理計(jì)算樁長(zhǎng)等沒(méi)從而降低施工難度，減少工程量，保證橋梁的安全與穩(wěn)定，大大降低工程成本。

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