2021-4-13 | 桥梁工程论文
一、桥梁桩基方案
该特大桥为高速公路标准建设的海域通航孔桥，主跨为458m双塔斜拉桥，设计全长1,150m。桥梁基础拟采用钢管复合桩，上部钢管桩桩径2.50m，下部钢筋混凝土桩桩径2.20m；采用现浇混凝土承台、预制混凝土墩身方案；单桩竖向承载力要求大于40,000kN。
二、岩土工程问题
按岩土工程勘察规范勘察等级分级标准，该特大桥勘察等级应属于工程重要性一级、场地环境复杂一级、岩土种类多、地基复杂一级的甲级岩土工程勘察项目。桥梁岩土勘察需要完成桥梁建设场地稳定性、适宜性论证，岩土层分布、工程特性、地基均匀性、水土腐蚀性、特殊性岩土与不良地质的调查和分析评价，岩土试验及岩土参数分析选用，地基基础方案的分析与建议，以及可能的岩土工程问题预测与预防措施建议等。几乎涵盖了桥梁岩土工程勘察与分析评价的各个重要环节，内容繁杂，任务艰巨。
三、岩土工程勘察重点
桥梁桩基方案选择需要解决的各项岩土疑问是勘察研究的重点。从桥梁所处的海域复杂环境、桥梁结构特点（跨度大、净空高、荷载集中），结合桥区岩土层分布特征（基岩埋深大、差异风化强烈），综合分析，该桥梁桩基方案有如下几种可能性选择。
（1）以第四系覆盖层下部密实砂层为桩端持力层，采用岩土利用效率较高的打入式大直径钢管桩方案。该方案主要存在两大疑点，其一，沉桩深度将达70~80m、且需穿越相当厚度的含卵石密实砂层，现有的沉桩工程技术是否能够解决，需要有针对性的实践论证；其二，即使采用合适的桩径沉桩达到了预定深度，单桩承载力可否满足设计要求，也需要通过试验论证。
（2）以基岩全、强风化层为桩端持力层，或打入式钢管桩，或钻孔桩方案。对于打入式钢管桩方案同样面临方案①的质疑。而该方案更大的疑问在于全、强风化岩的工程特性差异明显，工程应用上的不确定因素较多，宜慎重。
（3）以中风化岩为桩端持力层，采用钻孔嵌岩桩方案。该方案简洁可行、未知风险相对较少。当然，鉴于该地区基岩差异风化明显的情况，岩石强度的合理定量研究，对于嵌岩桩的勘察设计，无疑是勘察分析评价的重中之重。
四、岩土工程勘察难点分析
1．钢管桩方案的分析研究
无论是采用密实砂层、还是全强风化岩为钢管桩的桩端持力层，都需要解决沉桩施工是否可行，以及沉桩的效果能否满足设计的荷载要求。考虑在该桥梁场地实施如此深长的大直径钢管桩，本身已经是一个非常大胆的设想。那么，该方案能否成立就只能在桥梁单桩荷载估算的基础上从试桩开始。该工程在距离桥轴线约150m的地方进行了两组试桩，试桩直径1.70m，壁厚25/22mm，采用Q345C钢钢板加工，桩长为85m。试桩分阶段采用BSPHH30（-63m左右，密实中砂）、IHCS600锤沉桩（-80m左右，进入了全强风化岩0.4~0.9m）。试桩的承载力结果比较，SZ1试桩单桩极限荷载为20,500kN，小于要求值22,072kN；SZ2试桩单桩极限荷载为18,760，小于要求值21,404kN。试桩单桩承载力不能满足设计要求。尽管采用该直径的钢管桩成功沉桩到了预定深度，但结果不令人满意。若增加桩径、或桩长是不是就可以满足方案要求？显然，随着桩径或桩长的增大，施工的难度也在成倍增加，沉桩能否成功又成为需要再次验证的疑问。
2．关于全、强风化岩的特殊性
该桥梁场地全、强风化岩深厚，是否作为重要地层使用，如何用，是值得深入探讨的复杂岩土问题。在此，仅从全、强风化岩的划分标准方面简单探讨其特殊性，以为提示。相关规范对于基岩风化带的划分标准通常都是采用了野外鉴定，以及波速比、风化系数定量的区分方法。野外鉴定的划分方法，由于定性化描述区分的成分太多，加之全、强风化岩本身具有渐变性，仅依靠矿物特征区分实际是很容易出现仁者见仁，智者见智的情况，分带难以有足够的说服力或一致性。如此进行的岩土工程细分来进行岩土的精确利用难免漏失。若以波速比、风化系数定量的办法来区分，意味着所有钻孔都必须进行相关试验。显然，在实际的勘察过程中对所有钻孔都进行相关测试的可操作性不强。
另外，还有采用标准贯入试验实测击数进行风化岩分带划分的方法，这在勘探现场是具有可操作性的，但也存在规范标准差异，以及对实测击数有效性理解的差异问题。岩土工程勘察规范在花岗岩强风化与全风化分界的标准贯入试验实测击数采用了50击，而深圳地方规范及部分其它地方标准则采用60击、70击、甚至100击作为界限的情况。到底哪个标准更接近合理，就是很值得商榷的岩土问题。尽管该桥梁也是在野外鉴定的基础上，结合标准贯入试验击数进行的全、强风化岩的分带，但强调风化带的划分仅限于现场划分标准的统一。对于分带岩土的工程特性参数，应据具体勘察部位的风化带差异性具体分析，在安全的前提下对风化带分段后再进行岩土参数的综合定量。尤其是其可能作为重要桥桩的桩端持力层时，桩端承载力的选用更应慎重，对于最终设计参数原则上建议采用试桩或其它有效测试手段进行定量，或采取保守设计。该桥梁段砂土状混合片岩全、强风化岩的划分标准统一主要采用了岩土工程勘察规范建议的标准：即30＜N为残积土、30≤N＜50为全风化、50≤N为强风化。
3．关于中风化岩风化差异与抗压强度定量的讨论
从该桥段钻探的情况看，各墩台之间的中风化混合片岩起伏较大，岩体破碎。从全桥段109件中风化混合片岩岩石单轴饱和抗压强度试验数据统计，平均值42.3MPa（10.6~111.5MPa），变异系数δ为0.56，统计结果表明中风化岩石的强度数据离散，与钻探外业揭示的岩体差异风化特征较为一致。结合桥梁基础的布置特点，经过单个桥墩的岩石强度统计发现，尽管个别桥墩变异性仍偏大，但单墩台抗压强度数据统计的变异性明显好于全桥段统计，各墩台抗压强度平均值也表现出明显的大小分布格局，与墩台钻探反映的岩体破碎程度分布匹配性较好。岩石抗压强度统计结果列表1。表1还列出了各墩台岩石强度统计平均值以下样本的平均值，即小值平均值。通过综合分析讨论，认为以小值平均值作为各墩台岩石饱和抗压强度标准值推荐的基数，可以进一步降低岩体在深度分布上的风化不均所带来的风险。经专家验收讨论，一致认为，对该岩体的差异风化勘察方案、高密度强度试验、数据的统计分析方法推荐岩石抗压强度是合理的，安全的。
4．单桩承载力估算对应桩基方案选择的分析
表2、表3列举了打入式钢管桩（桩径2.2m，进入强风化混合片岩）、嵌岩钻孔桩（上段钢管桩径2.5m，下段钻孔桩径2.2m）单桩承载力估算的结果。2.2m的钢管桩方案已经在1.7m的试桩基础上桩径提高了0.5m、沉桩深度也增大了27~33m，不仅单桩承载力估算不能满足设计要求，沉桩能否达到假设深度更是疑问。是以，结合试桩情况，本桥梁不宜优先考虑钢管桩方案。对于嵌岩钻孔灌注桩方案，单桩承载力估算满足设计要求；虽然桩长稍大，但国内类似工程施工的成功工程经验也不少，是完全有能力、有把握完成这种深长桩施工的。综合分析认为，嵌岩钻孔桩从单桩承载力、施工技术操控能力、工程质量保证措施等几个环节都能较好的适应该桥梁设计的要求，建议优先采用嵌岩型钻孔桩方案（钢管复合桩）。对于钢管桩方案，即使通过调整桩基平面布置、降低单桩承载力要求，仍需要进一步进行试桩论证，才能从单桩承载力要求、沉桩可行性两方面来证明该桩型的可行性。
五、结语
通过珠江口海域特大桥勘察成果介绍、勘察研究重难点分析，总结了类似桥梁工程场地岩土工程勘察值得关注和重点研究的几个重要岩土工程问题或解决思路。其中对于桥梁岩石地基场地的勘察，建议充分关注岩体差异风化可能给岩土分类、岩土定量带来的不确定性，提前制定相应勘察对策，统一岩土划分判别标准。做到岩土划分合理，参数推荐可靠，工程使用安全。
作者：李书轮 单位：中交第二航务工程勘察设计院有限公司