蘇通大橋深水群樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)實(shí)測(cè)分析

林明惠，陳志堅(jiān)

蘇通大橋深水群樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)實(shí)測(cè)分析

林明惠，陳志堅(jiān)

（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

橋墩建在流水中的橋梁幾乎都面臨墩周沖刷的問(wèn)題，為了研究橋墩發(fā)生沖刷方式及沖刷防護(hù)方法，通過(guò)對(duì)處于長(zhǎng)江下游的蘇通大橋主4號(hào)大型群樁基礎(chǔ)水深傳感器及樁身軸力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該橋梁工程采用的沖刷防護(hù)方案不僅有效地防止了主墩處河床沖刷，而且在河床鋪設(shè)砂袋后，進(jìn)行鋼護(hù)筒插打時(shí)，砂袋被擠入到松軟的河床底質(zhì)層一定深度范圍內(nèi)，對(duì)河床底質(zhì)層和樁周土起到擠密、增密和固結(jié)作用。大大提升了河床表層松散體的極限摩阻力，提高了群樁基礎(chǔ)的承載力。

蘇通大橋；深水群樁基礎(chǔ)；沖刷防護(hù)；水深監(jiān)測(cè)；樁身軸力監(jiān)測(cè)

在我國(guó)公路、鐵路橋梁建設(shè)的過(guò)程中，建成了一批在國(guó)際橋梁工程界都十分突出的跨海、江、河大橋，然而這些橋都或多或少的面臨墩周沖刷穩(wěn)定性問(wèn)題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),在所有橋梁損毀事故中,水毀的比例最高,占事故的70%以上。河流中橋墩的建造使其附近的水流斷面面積減小，改變了原來(lái)的水流及泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，橋墩周?chē)魉俣仍龃螅瑫?huì)引起對(duì)河床的沖刷。沖刷通常是由自然演變的沖刷、過(guò)水?dāng)嗝娴臏p小而引起的一般沖刷以及橋墩周?chē)a(chǎn)生的局部沖刷三個(gè)部分組成[1]。橋墩沖刷不僅對(duì)橋梁本身存在危害，而且對(duì)橋墩附近岸坡穩(wěn)定性也有潛在威脅。當(dāng)主橋墩離岸較遠(yuǎn)、地質(zhì)條件較好時(shí)危害較小，但當(dāng)主橋墩離岸較近、地質(zhì)條件較差時(shí)，沖刷可能會(huì)導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)[2]。對(duì)于跨江橋梁工程,橋墩或基樁所在的河床經(jīng)沖刷后,墩臺(tái)基礎(chǔ)的埋置深度較小,承載力和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度顯著降低,沉降和基礎(chǔ)的固有周期增大,從而嚴(yán)重影響橋梁工程的安全穩(wěn)定性和抗震能力[3]。目前國(guó)內(nèi)外在這方面的研究方式主要是通過(guò)室內(nèi)小比例尺模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，受限于以上兩種方法自身的局限性——無(wú)法完全考慮實(shí)際工程活動(dòng)所受的復(fù)雜環(huán)境因素影響，試驗(yàn)中將一些影響因素進(jìn)行概化而影響研究結(jié)論的準(zhǔn)確性，如地層的不均勻性、河床防護(hù)層的不均勻性等。鮮見(jiàn)針對(duì)已建大型橋梁工程進(jìn)行跟蹤觀測(cè)以研究河床沖刷防護(hù)的實(shí)用性和耐久性。本文討論的蘇通大橋進(jìn)行了嚴(yán)密的河床沖刷防護(hù)和監(jiān)測(cè)工作，彌補(bǔ)了上述研究的不足，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明了該橋梁的河床沖刷防護(hù)工作不僅很好地防止了橋墩附近的沖刷，還改良了主橋墩位置淺層地層性狀，增大了承載力。

1 工程概況

蘇通大橋位于江蘇省南通市和常熟市之間，是沈海高速過(guò)長(zhǎng)江的重要通道。其南北兩座塔柱高300.4 m，主跨達(dá)1 088 m，是全世界第二大跨徑的懸索橋。主橋兩個(gè)主墩基礎(chǔ)分別采用131根直徑2.5 m至2.85 m，長(zhǎng)約120 m的灌注樁，每個(gè)主橋墩平面尺寸為113.75 m×48.1 m，是世界最大規(guī)模的群樁基礎(chǔ)。

蘇通大橋所處水域位于長(zhǎng)江下游澄通河段的徐六涇附近，橋位區(qū)江面寬約6 km，主槽居中偏靠南岸。水文氣象條件惡劣，風(fēng)暴潮問(wèn)題突出，江面寬闊，水深流急。河床底質(zhì)層為新近沉積的易沖河流淤積物，河床覆蓋層深厚，基巖面在-287～-276 m，基樁屬于典型的摩擦樁。由于摩擦樁主要依靠基樁與樁周土之間的摩擦力提供承載力，且每個(gè)主橋墩大約需要承擔(dān)10萬(wàn)噸的巨大荷載，所以該群樁基礎(chǔ)對(duì)于河床整體或局部沖刷非常敏感。如若沖刷過(guò)大，導(dǎo)致沉降過(guò)大或不均勻沉降都會(huì)危及大橋整體穩(wěn)定性，因而對(duì)主橋墩處進(jìn)行沖刷防護(hù)和監(jiān)測(cè)十分必要。

橋位區(qū)的地層組成主要是上第三系的半膠結(jié)、半成巖狀態(tài)的粉質(zhì)粘土、砂土、礫石以及三疊系下統(tǒng)（T1）的棕紅色灰?guī)r。第四系地層為一套濱海相、河流相、湖相沉積的淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂等組成。

2 河床沖刷機(jī)理及防護(hù)方案

2.1 墩周沖刷機(jī)理

橋墩建成必然改變了原有的水流特征，使原有的河床沖刷環(huán)境發(fā)生改變。當(dāng)水流流經(jīng)橋墩時(shí)，因?yàn)闃蚨兆铚怂鳎瑢⑹沟盟鹘Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化．橋墩周?chē)鹘Y(jié)構(gòu)主要包括墩前水表面渦流、墩前向下切流、馬蹄形渦流和尾跡渦流[4-5]，如圖1所示。

圖 1 墩周沖刷示意圖Fig.1 Schematic diagram of pier scour principle

2.1.1 墩前表面渦流

迎面水流遇到橋墩的阻擋，分成向上和向下兩股水流。向上的一股水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能。向下的一股水流在樁前形成局部的渦流，不斷將樁前一定范圍內(nèi)的土體淘離河床被水流帶走。

2.1.2 墩前下切水流

當(dāng)水流沖擊橋墩時(shí)，會(huì)在橋墩面上產(chǎn)生一定的停滯壓力，且由于垂直流速分部由水面向下遞減，故壓力亦向下遞減而造成壓力梯度，因而形成下切流，造成墩前沖刷[6]。

2.1.3 馬蹄形渦流和尾旋渦流

水流遇到橋墩的阻擋后，在豎直面上也分成兩股水流，分別在墩前及兩側(cè)與土接觸面上形成馬蹄形渦流和尾旋渦流，是造成墩周沖刷的原因之一[7]。

2.2 沖刷防護(hù)方案

蘇通大橋規(guī)模宏大的群樁基礎(chǔ)處于主流深水區(qū)，明顯改變了橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)，樁群阻水引起的水流下切和繞流淘刷將產(chǎn)生劇烈的河床面沖刷。局部沖刷試驗(yàn)表明，蘇通大橋主橋墩沖刷在20年和300年一遇的水流作用下沖刷深度可分別達(dá)到21.5 m和27.2 m，且最大沖刷有可能在一次水流的作用下形成[8]。因而主橋墩的沖刷防護(hù)方案的提出必須建立在對(duì)橋位區(qū)長(zhǎng)江水文、地質(zhì)條件及沖刷機(jī)理充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，大橋建設(shè)者們?yōu)榇俗隽舜罅抗ぷ鳌?/p>

圖 2 沖刷防護(hù)層結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of sScour protection layer

傳統(tǒng)的沖刷防護(hù)方法有：橋墩底部鋪設(shè)粗顆粒或拋石防護(hù)層，在河床中鋪設(shè)延伸板或護(hù)圈[9]。以達(dá)到消減水流能量和鞏固河床的效果。蘇通大橋最終采取的防護(hù)措施：通過(guò)拋投砂袋、級(jí)配碎石、護(hù)面塊石等材料，改變基礎(chǔ)區(qū)域河床底質(zhì)，減小沖刷深度，達(dá)到抵抗沖刷的目的。將河床分成核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)，根據(jù)水流特性對(duì)不同區(qū)域防護(hù)采用不同防護(hù)結(jié)構(gòu)，分層進(jìn)行防護(hù)，保證防護(hù)工程的耐久性[10]，防護(hù)層結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 主4號(hào)墩監(jiān)測(cè)方案

3.1 水深傳感器布置

多波束回聲探測(cè)儀等現(xiàn)代測(cè)深手段，對(duì)墩臺(tái)外圍區(qū)域效果較好，但對(duì)橋墩樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)的核心區(qū)域由于基樁的障礙作用，測(cè)深往往達(dá)不到預(yù)期效果，當(dāng)承臺(tái)澆注完成后，這些方法同樣無(wú)法實(shí)施。水力傳感器沖刷監(jiān)測(cè)技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、長(zhǎng)期性、精度高的特點(diǎn)。該技術(shù)可有效監(jiān)控河床的動(dòng)態(tài)變化[3]。

布置水深傳感器的目的是為了監(jiān)測(cè)河床面高程的動(dòng)態(tài)變化。由于橋位區(qū)水深流急、漩渦較多，且水流流向和流速多變，存在形成不均勻沖刷的可能性。所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位置的有效控制是必要的。而為了監(jiān)測(cè)河床沖刷深度的變化，又必須確保水壓力計(jì)在高度方向可自由移動(dòng)，水深傳感器安裝如圖3所示。

為了更好的監(jiān)測(cè)主4號(hào)墩的沖刷演變，在墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部布置河床沖刷監(jiān)測(cè)剖面3條，每條剖面布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)13個(gè)，如圖4所示。為了根據(jù)水深監(jiān)測(cè)結(jié)果換算河床面的高程，還布置潮位監(jiān)測(cè)點(diǎn)1個(gè)。

圖 3 水深傳感器安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of installation of water depth sensor

圖 4 樁身軸力與水深監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.4 Pile shaft force and water depth monitoring point plan

根據(jù)水深傳感器和潮位傳感器的實(shí)時(shí)觀測(cè)值，可按式（1）確定水深傳感器設(shè)置區(qū)域的河床面高程。

式中，H為水深傳感器埋設(shè)位置的河床面（沖刷面）標(biāo)高（m）；h0為潮位傳感器設(shè)置點(diǎn)的標(biāo)高（m）；h1和h分別為潮位傳感器和水深傳感器的實(shí)測(cè)水深（m），均由式（2）確定。

式中，h為實(shí)測(cè)的水深（m）；K為傳感器系數(shù)（kPa/ Hz2）；f0和f分別為初始頻率和實(shí)測(cè)頻率（Hz）。

3.2 樁身軸力傳感器布置

需要指出的是，布置樁身軸力傳感器的最初目的并不是為了監(jiān)測(cè)河床沖刷，而是為了了解軸力沿樁身方向的分布。以達(dá)到監(jiān)測(cè)基樁各個(gè)樁段荷載分布情況、樁身是否發(fā)生破壞以及不同深度土層的摩阻力。筆者在分析樁身軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于定性分析樁周是否發(fā)生大深度沖刷和防護(hù)層是否失效具有一定的參考價(jià)值。

主4號(hào)墩的基樁樁身軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由10根監(jiān)測(cè)樁組成，即上游承臺(tái)的1＃、29＃、64＃邊樁以及承臺(tái)中心的32＃樁和臨近系梁區(qū)的36＃樁，下游承臺(tái)的77＃、100＃、122＃、126＃邊樁以及承臺(tái)中心部位的104＃樁，如圖4所示。每個(gè)基樁設(shè)置監(jiān)測(cè)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面高程分別為-12.0、-25.0、-30.0、-45.0、-55.0、-75.0、-95.0和-123.0 m，斷面編號(hào)由上至下為第一至八斷面。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 水深傳感器數(shù)據(jù)分析

蘇通大橋從2008年7月1日通車(chē)運(yùn)營(yíng)到2013年12月底，北主墩群樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床共進(jìn)行1.6萬(wàn)次跟蹤觀測(cè)。結(jié)果表明，在通車(chē)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中核心區(qū)河床沖淤總體處于平衡狀態(tài)，下面僅給出2012年3月17日、2013年9月15日、2013年12月21日、2013年3月17日觀測(cè)結(jié)果，如圖5至圖8所示。

圖5 2012年3月17日主4號(hào)墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.5 River contour map of main pier No. 4 in March 17, 2012

圖6 2012年9月15日主4號(hào)墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.6 River contour map of main pier No. 4 in September 15, 2012

由圖5至圖8可知，主4號(hào)墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部未出現(xiàn)大深度沖刷，在每年長(zhǎng)江處于汛期的春夏季節(jié)，樁基礎(chǔ)內(nèi)部大多存在1.2 m左右的沖刷，但是在枯水季節(jié)的秋冬季被沖刷的位置又會(huì)出現(xiàn)1 m左右的回填。使得主4號(hào)墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部總體處于平衡狀態(tài)。下面給出處于承臺(tái)中心區(qū)的32號(hào)樁2012年一整年每隔10天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖，如圖9所示。

圖7 2012年12月21日主4號(hào)墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.7 River contour map of main pier No. 4 in December 21, 2012

圖8 2013年3月17日主4號(hào)墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部河床等值線圖Fig.8 River contour map of main pier No. 4 in March 17, 2013

圖9 2012年主4號(hào)墩第32號(hào)樁沖刷實(shí)測(cè)圖Fig.9 The main pier No. 4 pier No. thirty-second pile scour in 2012

從圖9可以看出，32號(hào)樁所處河床面高程在-25～-27 m。整體上看32號(hào)樁年沖刷變化趨勢(shì)和圖6至圖8所給出的觀測(cè)結(jié)果相一致。可見(jiàn)該橋墩沖刷防護(hù)方案有效地避免了河床的大深度沖刷，確保了群樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。但是在長(zhǎng)江的汛期內(nèi)，還存在小的波動(dòng)?？紤]到長(zhǎng)江中下游的氣候條件——春夏多雨，且雨量集中出現(xiàn)在諸如臺(tái)風(fēng)、暴雨天氣中，造成長(zhǎng)江水量在短時(shí)間內(nèi)變化較大，因而出現(xiàn)波動(dòng)。

4.2 樁身軸力觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

從10根處于承臺(tái)不同位置的樁身軸力觀測(cè)數(shù)據(jù)上看，沿樁長(zhǎng)方向軸力分布規(guī)律基本相同。只是由于所處位置不同，受群樁效應(yīng)的影響，不同樁相同斷面間的軸力值大小有所差異。由于位于承臺(tái)中心32號(hào)樁即布置了水深傳感器又布置有樁身軸力觀測(cè)儀器，便于兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的相互對(duì)比。故這里給出2012年32號(hào)樁的軸力觀測(cè)結(jié)果，如圖10所示。

結(jié)合圖9可知，第二斷面位于河床面以上的自由段，第三斷面已經(jīng)穿過(guò)河床防護(hù)層。樁身軸力在穿過(guò)河床防護(hù)層后迅速減小。在第二斷面至第三斷面這5 m范圍內(nèi)的土層承擔(dān)了大量荷載，由此換算得到的摩阻力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于河床表面松散體極限摩阻力值。因而可知防護(hù)層對(duì)河床表面的松散體有明顯的改良作用，大大提高了松散體的極限摩阻力值。

4.3 32號(hào)樁水深傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和樁身軸力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

以32號(hào)樁為例，理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)樁周發(fā)生沖刷時(shí)，則第二和第三斷面間的持力土層變薄，該層的承載力降低，此時(shí)兩者間所測(cè)的軸力差將變小。當(dāng)樁周發(fā)生淤積時(shí)，第二和第三斷面間的持力土層變厚，承載力提高，兩者間軸力差值將變大。然而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并沒(méi)有表現(xiàn)出上述特點(diǎn)。第二和第三斷面實(shí)測(cè)軸力值及二者的差（第二斷面軸力值減去第三斷面軸力值）如圖11所示。

圖10 主4號(hào)墩32號(hào)樁樁身軸力實(shí)測(cè)圖Fig.10 The main pier No. 4 of No. 32 pile shaft axial force test chart

圖11 第二和第三斷面實(shí)測(cè)值Fig.11 Measured values of second and third sections

結(jié)合圖9水深傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)在春夏汛期沖刷變深的情況下，第二和第三斷面的軸力差反而變大。分析認(rèn)為在汛期發(fā)生的沖刷并沒(méi)有發(fā)生在防護(hù)層內(nèi)，而是防護(hù)層上部松散河流淤積層發(fā)生沖刷。由于防護(hù)層對(duì)河床表面松散層承載性的改良作用，增加了其極限摩阻力，當(dāng)上部荷載增加時(shí)，樁與樁周土的相對(duì)位移增大，摩阻力變大，使得第二和第三斷面間的軸力差增大。這也證明了防護(hù)層有效的防止樁基礎(chǔ)內(nèi)發(fā)生沖刷。由此可知，可以通過(guò)分析河床上自由斷面軸力值和穿過(guò)防護(hù)層的第一個(gè)斷面的軸力差值來(lái)定性的分析樁基礎(chǔ)內(nèi)是否發(fā)生涉及防護(hù)層的沖刷，防護(hù)層是否已經(jīng)失效。例如：當(dāng)兩者的差值變?yōu)樨?fù)值時(shí)，則說(shuō)明防護(hù)層以下的第一個(gè)斷面已經(jīng)被沖刷揭露而變成自由面。此時(shí)荷載必然向更深的地層傳遞，沉降量也將相應(yīng)增大。隨著沖刷的不斷發(fā)展，最終可危及整個(gè)橋梁的安全。

5 結(jié)論

1）2008年至2013年這段時(shí)間內(nèi)，蘇通大橋主4號(hào)墩樁基礎(chǔ)內(nèi)部總體上處于沖刷平衡狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)危機(jī)樁基安全的沖刷。在長(zhǎng)江汛期水量增大，流速加快的情況下，防護(hù)層也未見(jiàn)破壞。

2)蘇通大橋所使用的分層次大面積沖刷防護(hù)方案，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明了其是科學(xué)、有效的。效果顯著地防止了群樁基礎(chǔ)內(nèi)部的沖刷，對(duì)于維持樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性有突出效果。

3)先進(jìn)行防護(hù)層袋裝砂袋拋投，再進(jìn)行鋼護(hù)筒的插打。這種施工方法將砂袋較深的擠入松軟的河床底流層，從而確保了防護(hù)砂袋的著床效果和沖刷防護(hù)效果。同時(shí)大量的成片的砂袋被機(jī)械擠入，是樁周土層產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠密和增密作用，透水性良好的砂袋也增強(qiáng)、加快了地基土的排水固結(jié)作用，從而在較大程度上提高了群樁基礎(chǔ)的承載性和整體性。

4)水深感應(yīng)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠快速、較高精度地觀測(cè)埋設(shè)樁底部一定范圍內(nèi)沖刷情況。能夠克服多波束雷達(dá)等高科技觀測(cè)技術(shù)無(wú)法在成橋后準(zhǔn)確觀測(cè)樁基礎(chǔ)內(nèi)部的弱點(diǎn)。

5)樁身軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、高精度的觀測(cè)樁身各樁段的軸力大小。能夠定性地了解河床防護(hù)層是否發(fā)生較大沖刷，且該系統(tǒng)多布置在承臺(tái)邊緣的邊樁或者角樁，這些樁位應(yīng)該是最容易發(fā)生大深度沖刷的，是對(duì)水深觀測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)充。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Experimental analysis of scour protection of deep water group pile foundation of Su Tong Bridge

LIN Minghui，CHEN Zhijian
(School of Earth Science and Enginiering,Hohai University,Nanjing 211100 China)

For those bridge piers built in water, almost all faced with the problem of pier scour. Based on the analysis of water depth sensor and axial force sensor test data of the No.4 main pile of Sutong Bridge in the Yangtze Rive downstream, we found that the scour protection scheme used on the bridge not only prevented the pier scour, and many protective sand bags had been squeezed into the soft riverbed material layer within a certain depth when the steel tube was inserted, which greatly enhanced the ultimate friction resistance of loose bed surface, improved the bearing capacity of pile foundation. The practice proved that the scour protection scheme is scientific and effective, and has important reference value for the design of construction engineering.

sutong bridge;deep water pile;foundation scour protection;the water depth monitoring system;pile shaft force monitoring system

U446

A

1673-9469（2017）02-0050-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.010

2016-08-28

江蘇省政策引導(dǎo)類(lèi)計(jì)劃（BY2015002-05）

林明惠(1991-)，男，福建寧德人，碩士，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程與地質(zhì)資源。