大跨徑拱橋軟弱地基的地下連續(xù)墻應(yīng)用可行性研究

劉 聰

(廣西荔玉高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

近年來，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，超大跨徑拱橋的經(jīng)濟(jì)效益愈發(fā)明顯，尤其是鋼管混凝土拱橋[1-4]。其利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中相互作用，充分發(fā)揮了材料優(yōu)點(diǎn)，提高構(gòu)件承載能力。超大跨徑鋼管混凝土拱橋的剛度是同規(guī)模斜拉橋、懸索橋的幾倍至十幾倍，可減少造價(jià)1/3左右，在公路及高速鐵路橋梁等領(lǐng)域均有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。由于大跨徑拱橋拱腳處具有很大的豎向荷載和水平荷載，且拱橋上部結(jié)構(gòu)對(duì)拱腳處位移較為敏感，要求拱橋地基不僅要具有較高的承載力，還需有較大的變形模量及與基礎(chǔ)間較高的摩擦系數(shù)，因此大部分拱橋都選擇將基礎(chǔ)置于堅(jiān)硬的巖層上[5]。而對(duì)于具有深厚軟弱覆蓋層的地區(qū)，若將拱橋基礎(chǔ)置于巖層，基坑開挖及基礎(chǔ)建造將會(huì)大幅增加工程成本[6]。地下連續(xù)墻因其施工噪音低、振動(dòng)小、墻體剛性大、對(duì)土體擾動(dòng)相對(duì)小，同時(shí)可將擋土、承重和防水功能“三合一”等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于車站、水壩等軟土地基的加固中[7]。本文以平南三橋北岸基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為依托，利用ABAQUS通用有限元軟件[8-9]，分析地下連續(xù)墻加固軟弱地基條件下大跨徑拱橋基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案可行性，為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

平南三橋位于廣西貴港市平南縣，是荔玉高速公路平南北互通連接線上的一座大橋，采用推力拱結(jié)構(gòu)，主橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷凉皹?，引橋?yàn)楝F(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，全長(zhǎng)1 035 m，主橋575 m，建成時(shí)為世界第一跨度拱橋。主橋北岸側(cè)覆蓋層達(dá)到30 m，由上層約15 m黏土與粉質(zhì)黏土和下層約16 m砂卵石層構(gòu)成，其下為灰?guī)r。

2 拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

參與分析論證的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案共有三個(gè)，分別簡(jiǎn)述如下。

方案一：圓形地下連續(xù)墻淺基礎(chǔ)，主要由地下連續(xù)墻和底板(基礎(chǔ))構(gòu)成，其地基為卵石層。首先建造外徑60 m、壁厚1.2 m的圓形地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深入巖層≥4 m，接著進(jìn)行基坑開挖并采用逆作法逐層建造地下連續(xù)墻內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯厚度1.5 m?；娱_挖僅至卵石層面即可，開挖深度約為15.5 m?；娱_挖完成后，在卵石層上澆筑厚度6 m的鋼筋混凝土底板作為拱座基礎(chǔ)。方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 方案一設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖(cm)

方案二：普通淺基礎(chǔ)，此方案大體與方案一相同，僅將作為基坑圍擋結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻取消。方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 方案二設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖(cm)

方案三：圓形地下連續(xù)墻深基礎(chǔ)，主要由地下連續(xù)墻和填芯(基礎(chǔ))構(gòu)成，其地基為巖層。施工設(shè)計(jì)同方案一，首先建造一外徑60 m、壁厚1.2 m的圓形地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深入巖層≥4 m，接著進(jìn)行基坑開挖并采用逆作法逐層建造地下連續(xù)墻內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯厚度1.5 m，提供內(nèi)支撐，基坑開挖至巖層后(深度約31.5 m)，坑內(nèi)采用混凝土填芯，填芯厚度約為24 m，填芯同時(shí)作為拱座基礎(chǔ)，此方案設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 方案三設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖(cm)

3 拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案有限元模型

3.1 拱橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求

拱橋上部結(jié)構(gòu)對(duì)拱腳處位移比較敏感，較小的位移會(huì)帶來上部結(jié)構(gòu)較大的內(nèi)力變化，對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，為確保承載安全，要求拱座基礎(chǔ)的沉降及水平位移均控制在一定范圍。平南三橋的控制要求為：主拱基礎(chǔ)的容許地基水平位移≤10 mm、豎向位移≤15 mm。

3.2 有限元方案分析

僅建立土層、地下連續(xù)墻及拱座基礎(chǔ)(填芯或底板)有限元模型，并將上部結(jié)構(gòu)荷載換算為拱座底部的均布應(yīng)力，由于拱座剛度較大，如此簡(jiǎn)化帶來的誤差可忽略不計(jì)。拱座結(jié)構(gòu)及荷載左右幅相互對(duì)稱，為降低計(jì)算成本，取一半結(jié)構(gòu)建模。為降低邊界條件的影響，土體平面尺寸取地下連續(xù)墻平面尺寸的4倍，即240 m×120 m，厚度?。吼ね翆?5.5 m、卵石層16.0 m、巖層20.0 m，其余結(jié)構(gòu)按照方案實(shí)際尺寸建立。土體、地下連續(xù)墻和基礎(chǔ)之間設(shè)置接觸。為盡可能精確地模擬實(shí)際情況，分析步驟根據(jù)實(shí)際施工步驟設(shè)置，主要步驟有：地應(yīng)力平衡、地下連續(xù)墻單元激活、基坑分層開挖并激活相應(yīng)內(nèi)襯單元、基礎(chǔ)單元激活、施加荷載，其中基坑開挖等利用ABAQUS的單元生死功能實(shí)現(xiàn)。方案二中，基坑開挖時(shí)，限制坑壁的水平位移以簡(jiǎn)化模擬支擋情況。

3.3 有限元分析模型及參數(shù)

土體覆蓋層本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型，巖層及混凝土選用線彈性模型，材料參數(shù)根據(jù)平南三橋相關(guān)地勘資料及規(guī)范取值[10]，如下頁表1所示。接觸面選用法向硬接觸，切向罰函數(shù)接觸模型，摩擦系數(shù)如下頁表2所示。單元類型為C3D8R。方案一與方案三的幾何模型如下頁圖4所示。拱腳處水平荷載125 460.0 kN，豎向荷載130 463.5 kN，彎矩499 000.0 kN·m(使基礎(chǔ)向水平荷載的負(fù)方向傾覆)，拱座在基礎(chǔ)的投影面積為514.7 m2，將荷載換算為投影區(qū)域分布應(yīng)力為：水平荷載243.76 kPa，豎向荷載569.20 kPa(加拱座自重)，彎矩943 790 kN·m(方案一、二，使基礎(chǔ)向水平荷載方向傾覆，下同)，692 870 kN·m(方案三)。

表1 有限元模型材料參數(shù)表

表2 接觸面摩擦系數(shù)表

(a)方案一有限元模型

4 設(shè)計(jì)方案可行性分析

4.1 基礎(chǔ)變形分析

基礎(chǔ)變形直接影響拱座位移，進(jìn)而影響上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，是決定拱橋承載安全的重要參數(shù)。本文通過模擬計(jì)算，得到三種方案中基礎(chǔ)的變形情況。方案一水平最大位移值約為4.9 mm，方案二約為16.6 mm，方案三約為0.5 mm。方案一中基礎(chǔ)沉降最大值出現(xiàn)在基礎(chǔ)前緣中間部位，約為9.1 mm；方案二最大沉降值出現(xiàn)在基礎(chǔ)后緣中間部位，約為25.2 mm；方案三基礎(chǔ)沉降最大值出現(xiàn)在拱座區(qū)域后緣，約為0.9 mm。

由計(jì)算結(jié)果分析可知，對(duì)比方案一和方案二，由于地下連續(xù)墻的約束作用，方案一中基礎(chǔ)位移較方案二有很大改善，最大值僅為方案二的1/3，說明地下連續(xù)墻不僅在基坑開挖階段具有支擋作用，而且在整個(gè)基礎(chǔ)施工與運(yùn)營(yíng)期間對(duì)基礎(chǔ)的變形有明顯的限制作用。而方案三的變形值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方案一的變形值，表明在地下連續(xù)墻作用下，將基礎(chǔ)直接置于巖層可極大程度地避免基礎(chǔ)變形，其水平方向和豎直方向位移均≤1 mm，對(duì)拱橋上部結(jié)構(gòu)最為有利，也表明使用C30混凝土替換主橋北岸側(cè)覆蓋層中的卵石層可以獲得很好的變形控制能力。三種方案中，方案二的基礎(chǔ)變形超過控制值(水平10 mm，豎向15 mm)。

4.2 基礎(chǔ)應(yīng)力分析

由卵石層地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，方案一較方案二應(yīng)力分布更加均勻、對(duì)稱，更加有利于減小基礎(chǔ)的不均勻沉降。如圖5所示為基底應(yīng)力沿基礎(chǔ)縱向中心線分布情況，方案一中地基最大應(yīng)力約為475 kPa，方案二中約為647 kPa，已超過卵石層地基的承載力基本容許值(500 kPa)。上述情況的根本原因是方案二中地下連續(xù)墻的組成材料C35混凝土和6 m厚C30鋼筋混凝土底板的彈性模量較大，而泊松比較小，在相同應(yīng)力下的基礎(chǔ)變形值小，使應(yīng)力分布均勻，有利于地基穩(wěn)定性。同理，由C35混凝土作為連續(xù)墻，24 m厚C30混凝土作為拱座底板的方案三，因?yàn)榻M成材料的彈性模量較大，且控制深度更深，變形值更小，應(yīng)力值分布也更加均勻。上述分析表明地下連續(xù)墻對(duì)基底應(yīng)力分布和土體應(yīng)力分布均有較好的改善作用。

圖5 基底應(yīng)力分布曲線圖

4.3 方案優(yōu)選

上述分析表明，方案一與方案二相比，顯示出了“地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土底板”結(jié)構(gòu)的優(yōu)良效果，其位移值遠(yuǎn)低于控制值，且應(yīng)力分布更加均勻，避免了應(yīng)力集中，提供了可靠的穩(wěn)定性。而方案三與方案一相比對(duì)拱橋上部結(jié)構(gòu)更為有利，表明使用C30混凝土替換主橋北岸側(cè)覆蓋層中的卵石層可以獲得很好的變形控制能力。但根據(jù)方案一和三的設(shè)計(jì)圖(見圖1、圖3)可知，使用方案三需要挖掘場(chǎng)地原有覆蓋層31.5 m，比方案一多16.0 m，且要多使用18.0 m的C30混凝土和22.0 m的C35混凝土。最終，考慮工程施工的人力、機(jī)械、材料和時(shí)間成本，本工程最終采用方案一的設(shè)計(jì)方案。綜上，根據(jù)本工程案例的模擬結(jié)果和最終方案確定的結(jié)果表明，在科學(xué)意義上，方案三“地下連續(xù)墻(35.0 m)+C30混凝土填芯(24.0 m)”的變形性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于方案一“地下連續(xù)墻(35.0 m)+鋼筋混凝土底板(6.0 m)+原有卵石(16.0 m)”，但在工程意義上，考慮到工程施工的人力、機(jī)械、材料和時(shí)間成本，且都滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，選用方案一更加合理。平南三橋已于2020-12-28建成通車，北岸拱基選用了方案一“地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土底板”。

4.4 地下連續(xù)墻質(zhì)量控制要求

通過上述分析可知，地下連續(xù)墻對(duì)拱基強(qiáng)度的增加起到關(guān)鍵作用，這就對(duì)地下連續(xù)墻的施工可靠性和成墻后的穩(wěn)定性提出了較高要求，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，需要從以下三個(gè)方面保證地下連續(xù)墻施工可靠性和成墻后的穩(wěn)定性：

(1)施工過程中的設(shè)備選型、導(dǎo)墻制作、泥漿工藝、成槽施工、鋼筋籠制作及吊裝、水下混凝土灌筑等過程要設(shè)置嚴(yán)格的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，保證施工的可靠性。

(2)施工中可能出現(xiàn)的問題要提前計(jì)劃并設(shè)置好對(duì)策，如地下連續(xù)墻基巖部分可能有溶洞等不利地質(zhì)層問題，需處理突發(fā)漏漿問題，在粉質(zhì)黏土中鉆進(jìn)極易產(chǎn)生坍塌的問題等。

(3)地下連續(xù)墻施工完成后，要設(shè)計(jì)合理科學(xué)的檢測(cè)手段，進(jìn)行墻體質(zhì)量檢測(cè)，保證墻體具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

(1)在合理設(shè)計(jì)的前提下，將軟弱地層作為大跨徑拱橋基礎(chǔ)持力層是可行的。

(2)在大跨徑拱橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，合理深度的地下連續(xù)墻不僅可以作為基坑開挖的支擋結(jié)構(gòu)，而且能夠在一定范圍內(nèi)減小基礎(chǔ)位移和變形，改善基底與周圍土體應(yīng)力分布。

(3)本文中“地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土底板”和“地下連續(xù)墻+混凝土填芯”的拱橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案在類似地質(zhì)情況下具有普遍適用性。

(4)平南三橋選用了“地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土底板”作為拱座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而在地質(zhì)條件更差的條件下，可選用“地下連續(xù)墻+混凝土填芯”作為建筑基礎(chǔ)。