山区横向陡坡路段双柱式墩设计探讨

张科峰

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

我国山区高速的主要特点是地形、地质条件复杂，表现为地势变化剧烈，纵、横向沟壑纵横，岩溶、滑坡、采空区等不良地质分布较广。本文以广东某山区高速公路为例，选取其中具有典型代表的一座横向陡坡路段桥梁，探讨这种地形条件下双柱式墩的设计，其方法可为同类桥梁的设计、施工提供参考。

1 项目概况

汕湛高速公路云浮至湛江段及支线工程是广东省高速公路网规划的“二横”线的一段，是珠三角通往粤西地区、西南地区以及大陆连通海南岛的干线通道，其中A1合同段路基宽度26 m，设计行车速度100 km/h，地震动峰值加速度0.05g，相当于地震烈度Ⅵ度，对应抗震措施等级为7级。本段前20 km为山岭重丘区，由于受地形、地物、地质、水文等因素限制，设置的多座桥梁不可避免地出现了横向陡坡桥墩（以下简称傍山桥墩），本文所取桥墩就为其中有代表性的一处。

2 桥梁布设及桥墩构造

2.1 地形

桥址区属低山丘陵地貌，桥位近临新兴江，起伏变化较大，两桥头为山体半坡，植被茂密；桥下地势相对平缓，跨越冲沟、村道，整体地形呈“U”、“W”型。桥下地面标高最大值为63.94 m，最小值为44.36 m，地表相对高差约20 m。

2.2 地层岩性

根据钻探揭露及工程地质调绘，桥位区覆盖层主要为第四系冲洪积（Q4al+pl）粗砂、卵石土、残坡积（Q4dl）粉质黏土、寒武系高滩组（∈2g）泥质砂岩、砂岩及其风化物组成。

2.3 桥跨布设

本桥位于分离路基段，右线临江(新兴江，规划Ⅷ级航道)布设，左线沿山腰布设，左、右线不等孔设计。本文所取为该桥右线2号中的第2联，上部结构采用先简支后桥面连续预应力混凝土组合箱梁，下部结构采用双柱式墩，基础为灌注桩基础，全桥均采用板式橡胶支座。其桥型布置简图如图1所示。

图1 桥型布置简图

2.4 桥墩一般构造

横向陡坡段桥墩为避免大面积开挖山体，造成环境破坏及遗留后续安全隐患，一般宜优先选用柱式墩，其常见设置方式如图2所示。

图2 陡坡桥墩常见设置方式

方式a和方式b基本思路都是将内（近山侧）、外（远山侧）墩高“补齐”，使其受力与平原区桥墩基本一致，这两种方式的确改善了桥墩受力，但同时也存在着各自的缺点:

a）方式a 挖方较大，对环境造成破坏，对原有稳定边坡造成影响，同时若为整体式路基或距离较近的分离路基，陡坡较大时开挖后将影响另一幅桥墩桩基安全，后期安全隐患增加。

b）方式b 将外侧桩基上提，减少了山体开挖，但同时增加了该侧无效桩长，工程量有所增加，并且陡坡较大时外侧墩柱为增加刚度往往采用大直径，影响美观效果。出露桩基施工时需增加支护模板，且运营期依然出露，结构的耐久性有所影响。

因此本桥设计时既要减少山体开挖量，又要考虑到设计、施工便利，后期结构的耐久性，故将以上两种方式结合，采用“高低墩”形式的傍山桥墩，本文所选的2号墩立面布置示意图如图3所示。由于横桥向地形较陡，傍山桥墩与平原区桥墩设计上有一定的差异，内侧和外侧墩高及桩长均应考虑地形坡度的变化，同时外侧桩顶需要考虑适当的安全距离，本墩处地层主要力学指标见表1所示，因此安全距离取1 m[1]。

图3 2号墩立面布置示意图

表1 土层主要力学指标

3 墩顶纵向水平力的分配

根据以往设计经验，对于这种柔性梁桥主要是纵向控制设计，横桥向荷载仅对墩柱压力起增载或减载作用，因此对于傍山桥墩弄清楚纵向水平力的分配对合理的设计桥墩有着重要意义。

本文选取该桥的第2联，因其联长较长，同时边墩（2号墩）为傍山墩，受力最为不利。由于本桥均采用板式橡胶支座，与一般的分联处设置滑动支座其受力上有所不同，其形式上的分联不影响力的“传递作用”，纵向水平力可通过“上部主梁→橡胶支座→盖梁→橡胶支座→上部主梁”传递，计算用刚度[2]见表2，本联经各联影响最终纵向水平力汇总见表3。

表2 计算用刚度汇总表 kN/m

表3 第2联墩顶纵向水平力汇总表 kN

4 内、外侧墩柱纵向水平力的分配

4.1 模型建立

本文选取的2号墩为傍山墩，因左、右侧墩柱高度不一致，其承受的水平力亦不同。为求得内、外侧墩柱纵向水平力的分配系数，分别按刚度集成理论和有限元分析。采用Midas Civil建立空间三维模型，盖梁、墩柱及桩基均采用梁单元模拟，边界考虑桩土效应，以等代土弹簧模拟，其刚度k=abpmZ[3]，模型见图4。

图4 2号墩三维有限元模型

4.2 结果对比

4.2.1 内力对比

因为本处仅是为求得傍山墩内、外墩柱纵向水平力的分配，故表中水平力为代数和，未考虑组合系数。从结果可知，理论和不带系梁模型结果基本接近，但与带系梁模型结果相差较大，已不能满足工程需要。两种模型结果相差也较大，可见系梁能够平衡内、外侧墩柱的受力，对于傍山墩而言是有利的。内力计算结果对比见表4、表5。

表4 墩顶纵向水平力对比表

表5 墩底纵向弯矩对比表

4.2.2 弯矩零点入土深度对比

傍山墩随着地面坡度的变化，桩基弯矩零点至地面的入土深度有所不同。根据工程实际经验，可认为桩基外缘距陡坡面距离大于3D时，桩身土体才能对桩基起有效抗力，故有限元分析时不考虑此处土层对桩基的弹性约束。有效桩长示意图见图5，理论、有限元模型、4/α[4]弯矩零点入土深度对比见表6。

图5 有效桩长示意图

表6 弯矩零点入土深度对比表 m

由表5可知，考虑了有效桩长后，傍山墩左、右侧墩柱弯矩零点入土深度基本一致，可见墩高差对其影响甚微。同时，几种算法中4/α最为保守，模型计算的入土深度最小，理论算法既计算方便同时又偏安全，便于在工程实际中采用。

5 墩身验算

实际工程中为方便设计与施工，一般全桥墩柱均采用统一配筋，但傍山墩由于左、右侧墩柱刚度不一致，其内力有所差别，配筋能否满足规范[5]要求需进行验算，结果见表7。

表7 墩柱配筋验算

6 不同墩高差墩柱对比

本文同时对比了几种不同墩高组合在相同墩顶纵向水平力和地质条件下内、外墩柱的墩顶水平力、墩底弯矩及墩顶位移情况，对比结果见图6～图8。由图可知，随着墩高差的增大，左、右侧墩柱纵向水平力分配极不平衡，特别是内侧由于刚度的增加分配的水平力增大迅速，外侧在高差大于4 m时增加明显；墩底弯矩在高差4 m以后内侧开始减小、外侧逐渐增大，约6.5 m以上时外侧大于内侧；墩顶位移总体上外侧大于内侧，在墩高差4 m以下时呈递减态势，4 m以上时为增大趋势。

图6 不同墩高差下内、外侧墩顶纵向水平力

图7 不同墩高差下内、外侧墩底纵向弯矩

图8 不同墩高差下内、外侧墩顶纵向位移

7 结语

傍山墩由于内、外侧墩柱刚度不一致，纵向水平力的分配不平衡，特别是墩高差较大时更加明显。本文以广东汕湛高速中一座典型桥梁的傍山墩为例，对其纵向水平力的分配进行了分析、验证，并结合规范对墩柱进行了验算，结果表明该墩配筋满足规范要求。同时对比了几种不同墩高差下傍山墩的内力、位移情况，由图可知在条件允许下应尽可能将墩高差控制在4 m以内，同时应注意对开挖后的内、外墩柱间坡面进行防护处理[6]，特别是高差较大时，以避免坡面土体不稳定而出现崩塌，使得内侧桩基出露间接影响桩基安全。