雙永高速公路膛堆石壩橋墩樁基設(shè)計

雙永高速公路膛堆石壩橋墩樁基設(shè)計

隨著山區(qū)道路建設(shè)的發(fā)展，如圖1所示，修建了大量山岸橋梁。由于地形的特殊性,使得傍山橋與平原橋梁在橋墩設(shè)計上存在著一定的不同,同幅橋地形橫坡的影響造成了內(nèi)外墩柱及樁基長度的不同,改變了各自墩柱及樁基的受力狀況。本文以福建省某高速公路九斗洋1號大橋2號橋墩為例對傍山橋橋墩設(shè)計進(jìn)行探討。1層系的物理力學(xué)指標(biāo)九斗洋1號大橋2號橋墩位于天然橫坡為35°的山坡上,地層由上而下為坡積粉質(zhì)黏性土、碎塊狀強風(fēng)化砂巖,下臥層為中風(fēng)化砂巖,其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。橋墩采用雙柱式墩,樁基礎(chǔ)、中間設(shè)一道系梁;橋墩與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)板式橡膠支座,如圖2所示。墩柱直徑2.0m,高度8.23m;樁基直徑2.2m,外側(cè)樁自由長度6.22m,內(nèi)側(cè)樁自由長度1.46m,內(nèi)外側(cè)樁入土長度27.5m,樁身凈入土長度26.0m,樁柱均采用C30鋼筋混凝土。2內(nèi)外側(cè)橋墩的樁基傍山橋依山而建,橋墩沿著山坡設(shè)置,它有如下的特點:(1)地面坡度較陡,靠山側(cè)和沿溪側(cè)墩高及樁長隨著地形坡度的變化,有較大的差異;(2)由于地質(zhì)相對較好,其樁基一般采用挖孔樁,根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求可采用端承樁公式進(jìn)行樁基計算。在設(shè)計中為了減小內(nèi)外側(cè)橋墩的受力差異,有時采用削挖平臺的方法使內(nèi)外側(cè)的墩柱長度趨于一致,如圖3所示。這種方法雖然改善了橋墩受力,但是對自然環(huán)境造成了破壞,同時平臺的開挖對橋墩安全有一定的影響。沿著自然山坡修建橋墩,對保護(hù)自然環(huán)境,消除平臺邊坡對橋墩安全的威脅有著重要的意義。弄清內(nèi)外側(cè)墩由于墩柱及樁基長度的差異對其變形受力以及樁基與土(巖)層之間的相互影響,對合理地設(shè)計傍山橋墩有著重要的指導(dǎo)作用。3地面橫坡計算結(jié)果以地面橫坡為35°的九斗洋1號大橋2號橋墩為依托,對橋墩、樁基和土(巖)層進(jìn)行計算,同時也對地面橫坡0°、10°、20°、30°、40°、50°(假設(shè)地質(zhì)同2號墩)進(jìn)行計算,計算選用“midasGTS”有限元程序,最后對不同地面橫坡的計算結(jié)果進(jìn)行分析、比較。3.1d網(wǎng)格的建立取以橋墩中線為中心縱橫橋向30m寬,38m深的土(巖)體以及橋墩為分析對象;橋墩及土(巖)體均采用四面體單元,坡積粉質(zhì)黏土和碎塊狀強風(fēng)化砂巖采用德魯克—普拉格模型,其他采用彈性模型,其3D網(wǎng)格如圖4所示。為了更好地模擬縱橋向水平通過支座傳遞給橋墩的過程,在模型建立時,采用僅能縱橋向變形的矩形實體來模擬橋梁上部結(jié)構(gòu),以承受縱橋向水平力。采用彈簧單元來模擬板式橡膠支座,每個彈簧單元的彈性系數(shù)可用下式計算:式中:G為板式橡膠支座橡膠剪切模量(kN/m2);A為板式橡膠支座面積(m2);∑δi為板式橡膠支座橡膠層厚度(m)。由于傍山橋墩樁基基本上采用挖孔方法施工,地質(zhì)條件較好,樁基豎向沉降較小(≤1cm),因此樁身與土(巖)體之間的聯(lián)系依土層的不同采用不同的聯(lián)結(jié)類型:樁與坡積粉質(zhì)黏土和碎塊狀強風(fēng)化砂巖采用接觸面單元聯(lián)結(jié),與中風(fēng)化砂巖采用直接聯(lián)結(jié)。3.2計算加載墩頂荷載:豎向荷載15788kN、順橋向水平荷載178kN、橫橋向水平荷載150kN。3.3結(jié)論分析3.3.1地面橫坡對外側(cè)墩頂位移的影響(1)墩頂位移及支座變位。在荷載的作用下,不同地面橫坡的墩頂內(nèi)外側(cè)及各支座的順橋向變形是不相同的;表2為不同橫坡情況下橋墩內(nèi)外側(cè)支座處的墩頂縱橋向位移和支座變形。從表2中可知,墩頂內(nèi)外側(cè)位移在地面坡為0°時均為0.37cm,隨著地面橫坡的增大墩頂內(nèi)外側(cè)的位移都有所增大,但墩頂外側(cè)的位移增大幅度較內(nèi)側(cè)大,在地面坡度50°時增幅達(dá)24.4%。表2數(shù)據(jù)顯示,內(nèi)側(cè)支座變形隨著地面橫坡的增大而有所增加,外側(cè)支座變形則隨著地面橫坡的增大而有所減小,在地面橫坡50°時相差達(dá)8.0%。橋墩內(nèi)外側(cè)墩頂位移及支座變位差值比如圖5所示。(2)墩柱應(yīng)力。選擇墩底截面對各地面橫坡的墩柱應(yīng)力進(jìn)行分析,圖6為地面橫坡0°、35°、50°內(nèi)外側(cè)墩柱變截面處的應(yīng)力云圖,圖7為不同地面坡度內(nèi)外側(cè)墩柱底截面處的應(yīng)力折線圖。通過圖6、圖7可以得知,外側(cè)墩隨著坡度的增大應(yīng)力逐漸地減小,內(nèi)側(cè)墩的應(yīng)力則逐漸增大;墩身豎向最大應(yīng)力為4.7MPa。(3)樁身應(yīng)力。各地面橫坡內(nèi)外側(cè)樁身的最大應(yīng)力變化如表3和圖8所示。從圖8、表3可以得知,各地面橫坡內(nèi)側(cè)樁的最大應(yīng)力大于外側(cè)樁,且隨著坡度的增大,內(nèi)側(cè)樁的應(yīng)力有增大的趨勢,外側(cè)樁有減小的趨勢,兩者差值也逐漸加大。分析橋墩在各地面橫坡下的位移與應(yīng)力變化的特點,其原因是由于隨著地面橫坡的增大,外側(cè)墩的樁柱自由長度逐漸增長,使得外側(cè)墩的柔度加大,相應(yīng)分配的縱、橫向水平力則逐漸減少的結(jié)果。3.3.2地面橫坡對樁身彎矩絕對比,樁身應(yīng)力損失m(1)彎矩零點。依據(jù)計算結(jié)果,樁身的彎矩零點距樁(中線)入土處在10.5～12.8m之間,表4為地面橫坡0°、35°和50°的內(nèi)外側(cè)樁身彎矩零點入土長度。表4中的數(shù)值表明,隨著地面橫坡的增大,樁身彎矩零點入土長度也有所增大,但在考慮扣除橫坡對入土長度修正值ΔL后,樁身彎矩零點的凈入土長度均在10.1～11.2m之間,說明地面橫坡對樁身凈入土長度的影響甚微,如圖9所示。采用樁基m法計算,該橋墩樁身彎矩零點的凈入土長度為11.2m,結(jié)果一致,說明兩種計算方法相近。(2)基底應(yīng)力。由于計算中考慮到樁周巖土的作用,基底應(yīng)力較小,如圖10(a)中地面橫坡為35°的基底應(yīng)力等值線圖,基底應(yīng)力僅為50.56kPa;即使在不考慮樁側(cè)對豎向承載力貢獻(xiàn)的極端情況,如圖10(b)所示,基底應(yīng)力也僅達(dá)到2776kPa。這對單軸飽和抗壓強度為40000kPa的中風(fēng)化砂巖來說,應(yīng)力還是處于較低的水平。從計算結(jié)果還可得知樁底地基應(yīng)力重分布范圍不大,一般不大于3d(d為樁直徑,圖10中圓圈部分)。綜合分析樁身彎矩零點凈入土長度、基底應(yīng)力和樁底持力層的承載力情況,本橋墩樁基的入土凈長度可取16.0m,小于設(shè)計的26.0m。3.3.3內(nèi)外墩柱水平力比與樁柱自由長度比外/內(nèi)的關(guān)系根據(jù)上述各支座變位的大小,可按內(nèi)力平衡計算內(nèi)外側(cè)橋墩的順橋向水平力的分配,其值見表5,擬合表5中內(nèi)外墩柱水平力比與樁柱自由長度比(外/內(nèi))的關(guān)系得出:式中:ηf為內(nèi)外墩柱水平力比值;Lη為樁柱自由長度比(外側(cè)/內(nèi)側(cè))。圖11為各地面橫坡下的內(nèi)外墩柱順橋向水平力比、內(nèi)外側(cè)樁柱自由長度比及其擬合函數(shù)的關(guān)系圖,式(2)能較好地擬合內(nèi)外墩柱順橋向水平力比和內(nèi)外側(cè)樁柱自由長度比的關(guān)系。4要與地面橫坡、樁身彎矩、入土深度呈直綜合以上分析,可得出如下幾點結(jié)論。(1)傍山橋墩隨著地面橫坡的增大,外側(cè)墩的墩頂位移增量較內(nèi)側(cè)墩逐漸增大,支座變位則內(nèi)側(cè)支座較外側(cè)大,在支座選型時要予以考慮。(2)內(nèi)外側(cè)橋墩的縱橋向水平力分配與內(nèi)外側(cè)樁柱自由長度比有關(guān),在類似橋墩設(shè)計時可參考式(2)。(3)隨著地面橫坡的增大,內(nèi)側(cè)橋墩的應(yīng)力大于外側(cè)橋墩;本例中橋墩豎向最大應(yīng)力僅4.7MPa,相對于C30混凝土的設(shè)計強度13.8MPa還處于較低的水平,說明在本組荷載作用下橋墩還有優(yōu)化的余地。(4)傍山橋墩由于地質(zhì)條件較好,樁身彎矩零點的凈入土長度在10m左右,基底應(yīng)力重分布范圍一般不