1.引言
高等級(jí)公路的中小橋梁普遍采用樁柱式墩臺(tái)、樁基礎(chǔ)。較為常規(guī)的做法是在樁頂設(shè)置承臺(tái)與柱相 連或是在樁柱頂設(shè)帽梁，這兩種方案均不失為較好的墩、臺(tái)型式。但隨著近年來(lái)我國(guó)公路與城市道路 的迅速發(fā)展，互通式立交、樞紐內(nèi)的橋梁越來(lái)越多，且與被交道路多為斜交，若一跨跨越被交路，主梁建筑高度增加，將影響到橋梁的長(zhǎng)度以及主線的填土高度。因此只要條件許可，一般采用在被交叉道路中央分隔帶內(nèi)設(shè)置橋墩，以縮短橋跨，從而降低主梁建筑高度，減少工程投資。若采用多柱式橋墩，尤其是設(shè)置在被跨道路的中央分隔帶內(nèi)，既不美觀也不利于高速行車。
2.工程概況
某高速公路上的互通式立交，匝道全長(zhǎng)3.09km，共設(shè)3座橋梁，13道涵洞、通道，1處匝道收費(fèi)站。在該互通式立交中，匝道橋上跨高速公路，上部結(jié)構(gòu)為搭支架現(xiàn)澆的斜交預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，斜度為25°，全長(zhǎng)105.06m，跨徑組合為20m+30m+30m+20m，下部為柱式墩，挖孔樁基礎(chǔ)、肋板式臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)(見(jiàn)圖1)。其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：
橋面寬度：雙向車道，全寬16m；
車輛荷載：汽車-超20，掛-120；
地震烈度：基本烈度為7度，按8度設(shè)防；
橋下凈空：按高速公路要求，凈高5.0m。
3.地質(zhì)概況
橋位處地質(zhì)概況：第一層為路基填土，厚1.0m；第二層為可硬塑狀亞粘土，厚1.4m：第三層為碎石土，硬塑粘土--亞粘土夾10%碎石，厚3.6m；第四層為棕紅色強(qiáng)風(fēng)化泥巖，已風(fēng)化成土狀，厚3.5m；第五層為弱風(fēng)化泥巖，棕紅色，裂隙發(fā)育，間夾粉砂巖，厚1.9m；第六層為弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，棕紅--灰紫色。巖芯基本完整，厚2.6m；第七層為微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖芯完整，有少量裂縫發(fā)育(見(jiàn)圖2)。
4.樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)地質(zhì)資料分析，對(duì)中墩及基礎(chǔ)型式進(jìn)行優(yōu)化，提出了雙柱墩、獨(dú)柱墩、雙排樁基礎(chǔ)、單排樁基礎(chǔ)等型式．最終采用無(wú)承臺(tái)大直徑挖孔樁，樁徑為2.2m，獨(dú)柱墩，柱徑為1.8m。這種型式在江蘇尚為首例，在國(guó)內(nèi)亦不多見(jiàn)。與其他型式相比較，其主要特點(diǎn)如下：
(a)無(wú)承臺(tái)可節(jié)省承臺(tái)及部分樁基礎(chǔ)工程量(樁基受力更為明確),經(jīng)濟(jì)效益顯著；
(b)能減少開(kāi)挖承臺(tái)對(duì)已實(shí)施的高速公路路基的不良影響，有利于高速公路通訊管線的布置；
(c)對(duì)司機(jī)視覺(jué)影響小，有利于高速行車；
(d)橋下空間通透，外形比較美觀。
獨(dú)柱墩墩頂設(shè)固定支座，其余各墩、臺(tái)均為活動(dòng)支座，共考慮如下四種水平力：
(a) 溫度及砼收縮、徐變影響，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，近似認(rèn)為中墩受溫度、砼收縮、徐變等影響，所受水平力H
l=0；
(b)汽車制動(dòng)力，考慮最不利情況，活動(dòng)支座均已滑動(dòng)，制動(dòng)力由中墩承受，按四車道布載，求得制動(dòng)力H
2=330kN；
(c)汽車撞擊力，由于波形護(hù)欄離墩較近，汽車撞擊力較大，參照國(guó)外有關(guān)規(guī)定，考慮汽車撞擊力H
3=500kN，作用點(diǎn)距地面1.2m；
(d)順橋向地震力，南京地區(qū)基本烈度為7度，按8度設(shè)防，最不利情況為活動(dòng)支座滑動(dòng)，連續(xù)梁隨固定支座的橋墩振動(dòng)，但須考慮墩頂活動(dòng)支座的摩擦阻尼對(duì)地震力的折減，可得H
4=410kN。
由此可得樁頂總水平力H=1240kN，彎矩=4474kN·m。墩頂垂直力用空間梁格法，支座采用桁架單元模擬求得。中墩處恒載反力為8696kN，最大活載反力為1235kN。
樁身內(nèi)力采用m法，計(jì)算模式如下頁(yè)圖3所示，樁柱頂假設(shè)為鉸接，采用m法計(jì)算樁身截面內(nèi)力。現(xiàn)行規(guī)范中取地面以下h=2(d+1)m深度內(nèi)各層土的平均m值作為整個(gè)深度的m值(d為樁徑)。但當(dāng)大直徑樁及樁側(cè)各層土的力學(xué)性質(zhì)有很大變化時(shí),應(yīng)按多層地基考慮。將樁按其剛度不同劃分為n層，使各層具有相同的地基系數(shù)及抗彎剛度，建立樁的撓曲微分方程：
式中，(E1)
i為第i個(gè)樁基處的剛度；X
i為第i個(gè)樁基處的水平位移；z
i4為第i個(gè)樁基處的垂直位移；q
i為第i個(gè)樁基處水平應(yīng)力。
將樁尖矩陣X
n =F
n·F
n-1…F
i…
F2·F
1·X
0=E·X
0展開(kāi)為（推導(dǎo)過(guò)程略）：
式中，X
0、φ
0、M
0、Q
0 分別為樁地面處位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和水平力，X
n 、φ
n、 M
n、Q
n 為樁底處水平位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和水平力。 Q
n、M
n可按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法算得，由樁底邊界條件：
X
n =0， φ
n=0
可求得樁最大彎矩M=6952kN·m，樁頂?shù)乃轿灰茷?.78cm，最大水平壓應(yīng)力為246kPa，均滿足要求。樁身彎矩如圖4所示，據(jù)此對(duì)偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行樁柱配筋設(shè)計(jì)及強(qiáng)度驗(yàn)算。
設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)時(shí),考慮到第六層為軟質(zhì)巖石，遇水極易軟化，而巖石軟化會(huì)使樁端阻力及樁側(cè)摩阻力顯著降低，因此設(shè)計(jì)中將第七層作為樁端持力層。由樁身內(nèi)力可得樁在巖層表面處彎矩值M
H，作如圖5所示假設(shè)，即忽略嵌固處水平剪力的影響，樁在巖層表面處彎矩M
H作用下，繞嵌入深度h的1/2處轉(zhuǎn)動(dòng)：不計(jì)樁底與巖石的摩阻力；不考慮樁底抵抗彎矩，由樁側(cè)巖層產(chǎn)生的水平抗力平衡。同時(shí)考慮到樁側(cè)為圓柱狀曲面。其四周受力不均勻，假定最大應(yīng)力為平均應(yīng)力的1.27倍。根據(jù)靜力平衡條件(ΣM=0)，便可得出下式：
為了保證樁在巖層中嵌固牢靠，要求樁體對(duì)樁周巖層產(chǎn)生的最大側(cè)向壓應(yīng)力σ
max不應(yīng)超過(guò)巖石的側(cè)向容許抗力
(其中K為安全系數(shù)，且K=2)，得圓形截面柱嵌入巖層最小深度的計(jì)算公式如下：
式中，β為抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)；R
c為天然濕度的巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度。
由于樁頂水平力較大，故設(shè)計(jì)樁底嵌巖深度為3.0m，以增加樁基的穩(wěn)定性和承載能力。
5.結(jié)論
該互通立交已竣工，高大的混凝土橋墩穩(wěn)健地托起平緩舒展、看上去薄如蟬翼的橋面板，反映了內(nèi)部力的傳遞順序，表達(dá)了結(jié)構(gòu)與外形的統(tǒng)一，具有良好的真實(shí)感。由于設(shè)計(jì)手段的完善，施工技術(shù)的發(fā)展，具有顯著優(yōu)點(diǎn)的無(wú)承臺(tái)大直徑樁基礎(chǔ)正在悄然興起。上述計(jì)算方法應(yīng)用在互通式立交橋中取得了良好的效果。
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