山區橫向陡坡路段雙柱式墩設計探討

張科峰

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

我國山區高速的主要特點是地形、地質條件復雜，表現為地勢變化劇烈，縱、橫向溝壑縱橫，巖溶、滑坡、采空區等不良地質分布較廣。本文以廣東某山區高速公路為例，選取其中具有典型代表的一座橫向陡坡路段橋梁，探討這種地形條件下雙柱式墩的設計，其方法可為同類橋梁的設計、施工提供參考。

1 項目概況

汕湛高速公路云浮至湛江段及支線工程是廣東省高速公路網規劃的“二橫”線的一段，是珠三角通往粵西地區、西南地區以及大陸連通海南島的干線通道，其中A1合同段路基寬度26 m，設計行車速度100 km/h，地震動峰值加速度0.05g，相當于地震烈度Ⅵ度，對應抗震措施等級為7級。本段前20 km為山嶺重丘區，由于受地形、地物、地質、水文等因素限制，設置的多座橋梁不可避免地出現了橫向陡坡橋墩（以下簡稱傍山橋墩），本文所取橋墩就為其中有代表性的一處。

2 橋梁布設及橋墩構造

2.1 地形

橋址區屬低山丘陵地貌，橋位近臨新興江，起伏變化較大，兩橋頭為山體半坡，植被茂密；橋下地勢相對平緩，跨越沖溝、村道，整體地形呈“U”、“W”型。橋下地面標高最大值為63.94 m，最小值為44.36 m，地表相對高差約20 m。

2.2 地層巖性

根據鉆探揭露及工程地質調繪，橋位區覆蓋層主要為第四系沖洪積（Q4al+pl）粗砂、卵石土、殘坡積（Q4dl）粉質黏土、寒武系高灘組（∈2g）泥質砂巖、砂巖及其風化物組成。

2.3 橋跨布設

本橋位于分離路基段，右線臨江(新興江，規劃Ⅷ級航道)布設，左線沿山腰布設，左、右線不等孔設計。本文所取為該橋右線2號中的第2聯，上部結構采用先簡支后橋面連續預應力混凝土組合箱梁，下部結構采用雙柱式墩，基礎為灌注樁基礎，全橋均采用板式橡膠支座。其橋型布置簡圖如圖1所示。

圖1 橋型布置簡圖

2.4 橋墩一般構造

橫向陡坡段橋墩為避免大面積開挖山體，造成環境破壞及遺留后續安全隱患，一般宜優先選用柱式墩，其常見設置方式如圖2所示。

圖2 陡坡橋墩常見設置方式

方式a和方式b基本思路都是將內（近山側）、外（遠山側）墩高“補齊”，使其受力與平原區橋墩基本一致，這兩種方式的確改善了橋墩受力，但同時也存在著各自的缺點:

a）方式a 挖方較大，對環境造成破壞，對原有穩定邊坡造成影響，同時若為整體式路基或距離較近的分離路基，陡坡較大時開挖后將影響另一幅橋墩樁基安全，后期安全隱患增加。

b）方式b 將外側樁基上提，減少了山體開挖，但同時增加了該側無效樁長，工程量有所增加，并且陡坡較大時外側墩柱為增加剛度往往采用大直徑，影響美觀效果。出露樁基施工時需增加支護模板，且運營期依然出露，結構的耐久性有所影響。

因此本橋設計時既要減少山體開挖量，又要考慮到設計、施工便利，后期結構的耐久性，故將以上兩種方式結合，采用“高低墩”形式的傍山橋墩，本文所選的2號墩立面布置示意圖如圖3所示。由于橫橋向地形較陡，傍山橋墩與平原區橋墩設計上有一定的差異，內側和外側墩高及樁長均應考慮地形坡度的變化，同時外側樁頂需要考慮適當的安全距離，本墩處地層主要力學指標見表1所示，因此安全距離取1 m[1]。

圖3 2號墩立面布置示意圖

表1 土層主要力學指標

3 墩頂縱向水平力的分配

根據以往設計經驗，對于這種柔性梁橋主要是縱向控制設計，橫橋向荷載僅對墩柱壓力起增載或減載作用，因此對于傍山橋墩弄清楚縱向水平力的分配對合理的設計橋墩有著重要意義。

本文選取該橋的第2聯，因其聯長較長，同時邊墩（2號墩）為傍山墩，受力最為不利。由于本橋均采用板式橡膠支座，與一般的分聯處設置滑動支座其受力上有所不同，其形式上的分聯不影響力的“傳遞作用”，縱向水平力可通過“上部主梁→橡膠支座→蓋梁→橡膠支座→上部主梁”傳遞，計算用剛度[2]見表2，本聯經各聯影響最終縱向水平力匯總見表3。

表2 計算用剛度匯總表 kN/m

表3 第2聯墩頂縱向水平力匯總表 kN

4 內、外側墩柱縱向水平力的分配

4.1 模型建立

本文選取的2號墩為傍山墩，因左、右側墩柱高度不一致，其承受的水平力亦不同。為求得內、外側墩柱縱向水平力的分配系數，分別按剛度集成理論和有限元分析。采用Midas Civil建立空間三維模型，蓋梁、墩柱及樁基均采用梁單元模擬，邊界考慮樁土效應，以等代土彈簧模擬，其剛度k=abpmZ[3]，模型見圖4。

圖4 2號墩三維有限元模型

4.2 結果對比

4.2.1 內力對比

因為本處僅是為求得傍山墩內、外墩柱縱向水平力的分配，故表中水平力為代數和，未考慮組合系數。從結果可知，理論和不帶系梁模型結果基本接近，但與帶系梁模型結果相差較大，已不能滿足工程需要。兩種模型結果相差也較大，可見系梁能夠平衡內、外側墩柱的受力，對于傍山墩而言是有利的。內力計算結果對比見表4、表5。

表4 墩頂縱向水平力對比表

表5 墩底縱向彎矩對比表

4.2.2 彎矩零點入土深度對比

傍山墩隨著地面坡度的變化，樁基彎矩零點至地面的入土深度有所不同。根據工程實際經驗，可認為樁基外緣距陡坡面距離大于3D時，樁身土體才能對樁基起有效抗力，故有限元分析時不考慮此處土層對樁基的彈性約束。有效樁長示意圖見圖5，理論、有限元模型、4/α[4]彎矩零點入土深度對比見表6。

圖5 有效樁長示意圖

表6 彎矩零點入土深度對比表 m

由表5可知，考慮了有效樁長后，傍山墩左、右側墩柱彎矩零點入土深度基本一致，可見墩高差對其影響甚微。同時，幾種算法中4/α最為保守，模型計算的入土深度最小，理論算法既計算方便同時又偏安全，便于在工程實際中采用。

5 墩身驗算

實際工程中為方便設計與施工，一般全橋墩柱均采用統一配筋，但傍山墩由于左、右側墩柱剛度不一致，其內力有所差別，配筋能否滿足規范[5]要求需進行驗算，結果見表7。

表7 墩柱配筋驗算

6 不同墩高差墩柱對比

本文同時對比了幾種不同墩高組合在相同墩頂縱向水平力和地質條件下內、外墩柱的墩頂水平力、墩底彎矩及墩頂位移情況，對比結果見圖6～圖8。由圖可知，隨著墩高差的增大，左、右側墩柱縱向水平力分配極不平衡，特別是內側由于剛度的增加分配的水平力增大迅速，外側在高差大于4 m時增加明顯；墩底彎矩在高差4 m以后內側開始減小、外側逐漸增大，約6.5 m以上時外側大于內側；墩頂位移總體上外側大于內側，在墩高差4 m以下時呈遞減態勢，4 m以上時為增大趨勢。

圖6 不同墩高差下內、外側墩頂縱向水平力

圖7 不同墩高差下內、外側墩底縱向彎矩

圖8 不同墩高差下內、外側墩頂縱向位移

7 結語

傍山墩由于內、外側墩柱剛度不一致，縱向水平力的分配不平衡，特別是墩高差較大時更加明顯。本文以廣東汕湛高速中一座典型橋梁的傍山墩為例，對其縱向水平力的分配進行了分析、驗證，并結合規范對墩柱進行了驗算，結果表明該墩配筋滿足規范要求。同時對比了幾種不同墩高差下傍山墩的內力、位移情況，由圖可知在條件允許下應盡可能將墩高差控制在4 m以內，同時應注意對開挖后的內、外墩柱間坡面進行防護處理[6]，特別是高差較大時，以避免坡面土體不穩定而出現崩塌，使得內側樁基出露間接影響樁基安全。