大直径桩基在强震区独塔斜拉桥中的应用

王文铭

（海南省交通工程建设局，海南 海口 570208）

大直径桩基在强震区独塔斜拉桥中的应用

王文铭

（海南省交通工程建设局，海南 海口 570208）

为解决某大跨径独塔斜拉桥桥址区地震烈度较高，基础的纵横向弯矩及剪力较大，同时出现上拔力等问题，结合某独塔斜拉桥工程，从动力特性计算、抗震计算和主墩桩基础设计等方面介绍了大直径桩基在强震区独塔斜拉桥中的应用，以期为同类型桥梁工程参考。

独塔斜拉桥；强震区；大直径桩基

0 引言

独塔斜拉桥不仅造型美观，结构形式丰富多变，而且还能较好地与周围环境融合在一起，形成独特的景观效果。同时独塔斜拉桥由于免做对岸的桥塔，在基础造价偏高的情况下，可以有效降低造价，具有较好的经济性。由于独塔斜拉桥在斜拉桥中刚度相对较大，且自重主要集中在主塔，在高强地震烈度下，地震动通过承台全部传入地基，使地基承受较大内力，因此选择合适的地基形式对于结构的抗震具有重要意义。

某大跨径独塔斜拉桥桥址区地震烈度较高，在计算E2地震反应时，基础的纵横向弯矩及剪力较大，同时出现上拔力，结合实际工程地质条件，地基形式采用大直径钻孔灌注群桩基础。本文结合某独塔斜拉桥工程，从动力特性计算、抗震计算和主墩桩基础设计等方面介绍了大直径桩基在强震区独塔斜拉桥中的应用，以期为同类型桥梁工程参考。

1 桥梁简介

本桥为跨海独塔双索面钢箱梁斜拉桥，桥宽37.3 m，跨径布置为（230+230）m，索塔采用倒Y形，过渡墩采用薄壁空心墩。主墩基础形式为钻孔灌注桩群桩基础，分离式承台，按嵌岩桩设计，桩径4.0 m，C35海工混凝土，钢护筒直径4.3 m。主桥总体布置图如图1所示，主塔承台及基础平面图如图2所示。

工程地质概况：桥址区位于地壳垂直运动产生的凹陷盘地边缘台地，地质构造复杂，该区域目前正处于地震应变能主释放向剩余释放过渡阶段，推测未来仍存在发生强震的可能。参照《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），桥址区为8度设防区，设计地震分组为第一组，本区基本地震动峰值加速度为0.30 g。桥址区地层为海相新近沉积的细砂、淤泥质土层覆盖，下伏一定厚度的洪冲积砂砾及卵石层，基岩由第三系地层及花岗岩基底构成。总体而言，桥位区基岩埋深浅，基岩面起伏不大，未发现明显的地质缺陷，工程地质条件较好。

2 动力特性计算

动力特性分析采用大型通用有限元软件Midas Civil 2012计算，主梁和主塔按照实际空间位置离散为空间梁单元，斜拉索离散为桁架单元，如图3所示，并按照各自的截面特性和材料特性赋值进行计算。

采用Lanczos法进行动力特性分析，DX、DY、DZ各方向的阵型参与质量均达到99%以上。动力计算特性结果见表1。

3 抗震计算

根据本桥地震安全性评价报告，大桥工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度。设计地震动峰值加速度及加速度反应谱由以下公式确定：

式中：Amax为设计地震动峰值加速度；β（T）为设计地震动加速度放大系数反应谱；αmax为地震影响系数最大值。且有

图1 主桥总体布置图

图2 主塔基础平面图

图3 空间动力分析模型

表1 动力特性结果

对应于50年超越概率10%、2%的场地地震水平向设计地震动参数值见表2。

表2 水平向设计地震动峰值加速度及反应谱（5%阻尼比）参数值

本桥时程抗震分析计算采用50年10%及50年2%两个超越概率水准的水平和竖向加速度时程，每一超越概率取3组时程波进行计算。地震输入采用两种方式：纵向＋竖向；横向＋竖向。计算结果取3组数据结果的最大值。E2地震作用下加速度时程曲线如图4所示。

图4 加速度时程曲线（50年2%超越概率）

根据抗震计算结果，在恒载+E2地震工况下，主塔桩基单根桩承受的桩底竖向最大压力为104 199 kN，桩顶最大竖向拉力为48 438 kN。

4 主墩桩基础设计

根据地质资料，本桥主墩桩基所在位置地层分布为淤泥质土、细砂、砾砂、中风化花岗岩、微风化花岗岩，其中中风化花岗岩埋深为11.04～14.81 m，层厚度为0.7～4.0 m，下伏基岩为完整微风化花岗岩，饱和单轴抗压强度为63.9～103.5 MPa，平均值为83.2 MPa。根据桥梁自身的结构特点，本桥桩基础的受力主要考虑桩侧摩阻力及桩底竖向承载力两个方面，鉴于本桥基础为嵌岩桩且基岩抗压强度较大，桩基础的竖向抗压承载能力很容易满足要求，设计桩长由抗拔力控制，下文主要探讨桩侧摩阻力是否满足抗拔要求。

对于嵌岩桩的抗拔计算，相关规范并没有给出明确规定及计算公式，计算时一般参考摩擦桩的抗拔力计算公式，下面是公路、铁路及建筑规范中对摩擦桩的抗拔计算规定：

（1）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）[1]摩擦桩单桩轴向受拉承载力容许值（第5.3.8条）：

（2）《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10002.5—2005）[2]摩擦桩轴向受拉容许承载力（第6.2.2-5条）：

（3）《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[3]群桩基础基桩抗拔承载力（第5.4.5条）。

整体破坏：

非整体破坏：

各规范公式计算原理基本相同，即抗拔力取为桩自重加桩侧摩阻力，其中桩侧摩阻力由桩径、土层摩阻力标准值及土层厚度确定。不同之处在于各规范采取的安全系数略有不同。本桥在地震作用下单桩上拔力较大，嵌岩石深度及桩径的选择尤为重要。一方面地震作用下砂土液化，桩侧摩阻力主要由混凝土与花岗岩之间的摩擦特性控制。同等条件下桩径越大，混凝土与花岗岩接触越充分，桩侧摩阻力分布越均匀，桩与岩石的相对运动趋势越明显，摩擦力能传递的深度也越长。

另一方面桩径越大施工难度及施工风险就越大，综合考虑后选用直径4.0 m的群桩基础，设计桩长29～38 m，桩长按嵌岩深度不小于3倍桩径控制。

根据地勘资料，本桥所在位置中风化花岗岩桩侧摩阻力标准值取为900 kPa，微风化花岗岩桩侧摩阻力标准值取为1 800 kPa，与平均单轴饱和抗压强度的线性关系为

按《公路桥涵地基与基础设计规范》的计算公式，结合钻孔资料，单桩抗拔力计算结果为89 910～98 261 kN，满足设计要求，并有一定富余。

5 结语

在高地震烈度地区独塔斜桥的基础设计过程中，必须充分重视主墩基础结构形式的选取，并结合地质情况对抗震计算结果做实事求是的分析。目前国内对超大直径桩基础的设计及施工经验有限，但随着施工设备及施工工艺的不断改进，超大直径桩基础的应用将越来越多，特别是跨海大桥。本文依托实际工程，从动力特性计算、抗震计算和主墩桩基础设计等方面介绍了大直径桩基在强震区独塔斜拉桥中的应用，以期为同类型桥梁工程参考。

[1]JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[2]TB 10002.5—2005，铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[3]JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[4]黄学漾，宗周红，夏坚，黎雅乐，夏樟华.强震作用下独塔斜拉桥模型的非线性动力响应分析 [J].东南大学学报（自然科学版），2015,45（2）:354-359.

[5]肖勇刚，邓舒文.大跨径钢桁梁斜拉桥主梁线形敏感性分析[J].公路与汽运，2014(2):162-165.

[6]燕斌，杜修力，韩强，贾俊峰.减隔震混合装置在独塔斜拉桥抗震设计中的应用[J].桥梁建设，2014,44(6):101-106.

[7]李新平，王沸仁.基于MIDAS的斜拉桥成桥索力优化方法[J].公路与汽运，2014(6):149-151.

[8]左新黛.独塔斜拉桥静力分析及整体稳定性研究 [D].长沙：长沙理工大学，2005.

U443.15，U442.5+5

A

1009-7716（2017）09-0078-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.022

2017-04-21

王文铭（1984-），男，海南澄迈人，工程师，从事公路工程建设管理工作。