橋梁工程地基土體滲透特性研究——以江陰長江大橋北錨碇為例

萬 為

（貴州省銅仁公路勘察設計院，貴州 銅仁 554300）

0 引言

隨著我國基礎交通設施的快速發(fā)展，各類橋梁工程已經(jīng)成為我國公路交通網(wǎng)絡中不可或缺的組成部分之一。而近年來，由于橋梁地基而引發(fā)的施工質(zhì)量事故頻見報端，因此，加強對橋梁工程地基土體滲透特性的研究工作是橋梁施工單位熱議的課題之一。在我國大河、大江的中下游，普遍分布有松散的河床覆蓋層且其深度較大，在這個地區(qū)建造的橋梁工程其地基多為深厚的軟土，比如江陰長江大橋，下面就以該橋為例對地基土體滲透特性進一步研究。

1 工程概況

江陰長江大橋[1]主體由引橋、塔墩、錨碇、箱梁、主纜組成，其中位于長江北岸漫灘之上的是北引橋、北錨碇以及北塔墩?？碧劫Y料數(shù)據(jù)顯示，北錨碇所在區(qū)域的地面高程2.4m左右，其地基組成為厚河床覆蓋層，厚度為78～86m，屬多元化復雜結構的土體層。其基巖為三疊系灰?guī)r，0.65～1.35m的地下水埋深。北錨碇主要作用是在大橋投入運營后，承載散索鞍反力2.04kN×105kN與主纜拉拔力6.41kN×105kN，同時向地基巖土體傳遞這些應力。同時由于北錨碇所在區(qū)域的特點是淺表面土體層深，其透水性與物理學性質(zhì)均較差，因此北錨碇工程的施工始終要解決的主要問題包括抗滑穩(wěn)定、承載力、水平位移、不均勻沉降等。

面對這些問題，本工程采用的地基施工方法為大體積沉井施工技術，取土體中的含礫中粗砂層作為持力層；北錨碇采用的是鋼筋混凝土現(xiàn)澆大體積重力錨形式，錨體重量在1.6kN×106kN左右。除此之外，出于安全考慮，還必須限制碇散索鞍的位移范圍小于10cm，沉降范圍小于20cm。

2 地基土孔隙水

江陰長江大橋沉井基底持力層的水文地質(zhì)條件相對較為封閉，而以勘探資料數(shù)據(jù)顯示，長江河床中存在出露的基底持力層，該出露點距北錨碇為1 080m，而長江水與孔隙水存在著一定程度上的聯(lián)系。長江江陰段為感潮河段，對于沉井基礎與北錨碇的穩(wěn)定性及沉降來說，江水位的波動都會對其造成直接影響，而影響的程度則由地基土層滲透[2]性決定。另外，地基土固結效應也會受到地基土滲透性的影響。因此研究江水水力與孔隙水的聯(lián)系以及地基土滲透性的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

該工程對地基土體監(jiān)測工作是，先在沉井封底之前，埋設9個振弦式滲壓計算觀測點于基底土層中，隨后實施對長江水位與孔隙水的聯(lián)動監(jiān)測，以深入研究兩者之間的水力關系。其中4個點的監(jiān)測結果如圖1所示。

圖1 沉井基底孔隙水與長江水位的聯(lián)動觀測曲線

從圖中可以看出，兩者之間的水力關系非常密切，但是具體參考還需要考慮監(jiān)測的時間滯后與水力損失問題。

3 地基土滲透參數(shù)反演計算

在獲取了監(jiān)測資料參數(shù)以后，便開始對該工程地基土滲透參數(shù)[3]進行反演計算，其基本思路為：將監(jiān)測結果資料輸入后，利用土工有限元正程序?qū)Τ辆c錨體及地基土各點孔壓、位移在各個時間段和各種工程情況下的響應量進行計算，把相對應的觀測時間、觀測點數(shù)據(jù)代入公式。得到目標函數(shù)值后，將其代入收斂判別式中，如果能夠使判別公式的條件得到滿足，則計算所使用的參數(shù)能夠視為與實際孔壓滲透參數(shù)相符；如果不能得到滿足，則應對參數(shù)進行合理調(diào)整，然后重復計算步驟，直到最終得到與實際孔壓滲透參數(shù)相符的計算結果，即相應的實測孔壓滲透參數(shù)。北錨碇沉井地基土的初始計算參數(shù)見表1和表2。

其中第四土層，即含礫中粗砂層對沉井基礎與北錨碇的穩(wěn)定性與沉降的影響最大，而本工程所埋設的觀測點同樣位于第四層，因此本工程反演計算針對的對象就是第四層土體，其初始值的確定依據(jù)為室內(nèi)試驗與抽水試驗，值為180m/d。最終得到的反演計算結果為，第四土層在北錨碇施工技術應用后，其滲透參數(shù)能夠合理下降23%，即41m/d。

表1 混凝土計算參數(shù)

表2 地基土層材料參數(shù)

4 反合理性檢驗

對反結果產(chǎn)生影響的主要問題就是結果的合理性與唯一性。本工程對反演所得的第四土層滲透參數(shù)的合理性與正確性進行驗證時，所采用的依據(jù)是完成錨碇澆筑后所得到的沉降監(jiān)測值。向正算程序中將反結果得到的參數(shù)代入，便能夠得到相應的位移結果；再比較監(jiān)測結果與實際監(jiān)測值，即可得出合理性比較值（見表3）。

表3 沉井基礎位移計算結果與實測沉降值的比較

通過表中數(shù)據(jù)可以看出，實際沉井基礎的監(jiān)測值較為接近計算值，其相差值只有8%且不大于35%；而實測結果表明，計算值與實測值差異最大的部位是沉井南部，而差異最小的則是沉井北部。造成這種情況的主因是分區(qū)封底技術的實施，即沉降多的區(qū)域先封底，而沉降少的區(qū)域則是后封底的，從而造成沉井南北向的不均勻沉降產(chǎn)生。而本工程計算所采用的參數(shù)則是整體完成沉井封底時的參數(shù)。除此之外，第一土層至第三土層未進行實測與計算也是出現(xiàn)數(shù)據(jù)差異的原因之一。計算結果與反檢驗結果表明，該工程計算所得到的土體滲透參數(shù)是唯一且合理的。

5 結語

綜上所述，當橋梁工程所處區(qū)域下伏土層中有強滲透性、飽和的砂土層存在時，會因上部靜荷載所導致土體應力變化后的應力與位移變化而減小地基土體的滲透性，其減小的幅度取決于砂土層滲透性與應力狀態(tài)等因素。換言之，調(diào)整土體應力狀態(tài)會改變滲透參數(shù)，地基土體的排水條件越好，則滲透參數(shù)越小，其基礎穩(wěn)定性就越佳。

對于我國橋梁工程來說，地基的穩(wěn)定性與安全性是決定橋梁使用壽命的關鍵因素。而我國地質(zhì)條件復雜，加之橋梁工程所在的地質(zhì)條件多為大厚度軟土，因此研究橋梁地基土體滲透特性是保證橋梁安全的前提與基礎。隨著科學技術的快速發(fā)展，各類新材料、新技術在橋梁工程中的應用，也會使橋梁地基處理更為科學、合理。

[1]李筱艷，董學武，陳志堅，孫英學.長江下游橋梁工程地基土體滲透特性研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（10）：73-75.

[2]李少龍，朱國勝，定培中，張文三.堤防土體滲透系數(shù)的概率分布研究[J].長江科學學院院報，2009，26（4）：90-91.

[3]宋志宇，李斌，宋海亭.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的土體滲透參數(shù)反演研究[J].人民黃河，2009，31（11）：65-67.