本固方能枝荣——悬索桥新型锚碇基础案例分析

  在悬索桥中，锚碇基础作为桥梁整个受力系统的关键结构，其竖向沉降或滑移变位，都将影响整个桥梁体系的受力。可见，锚碇基础的合理设计对于悬索桥结构体系至关重要。

  当前，随着悬索桥跨径、通行载荷的增加，锚碇基础承受缆索拉力的要求慢慢的升高，提出新型锚碇基础及其相关理论具备极其重大意义。本文以四川卡哈洛金沙江大桥等8座锚碇基础为分析案例，阐述其特色与创新，以期为悬索桥领域的研究和实践提供参考。

  为严格控制重力式锚碇基础的竖向沉降和水平变位，工程中通常将锚碇基础置于高承载力和低压缩性的深层岩石上。然而，深埋往往导致基坑支护和废土处理等问题，造成施工工期加长、环境破坏、实施工程的成本增加。相比之下，浅埋式锚碇基础更具有优势。

  伍家岗长江大桥江南侧锚碇原设计持力层为中风化岩层，其上分布有一定厚度卵砾石层。为减少开挖深度及减小渗透风险，抬高锚碇标高15米至卵石层。工程采用外径85.0米的重力式圆形浅埋锚碇基础。根据基础不均匀受力特性，基底分3个区域进行注浆加固，前趾区注浆孔间距1.5米，中间区注浆孔间距2米，后趾区注浆孔间距3米，实现3个变刚度调平设计，以解决持力层不均匀沉降和稳定能力问题，如图2所示。

  为验证该设计的具体方案的可行性，现场开展平板载荷试验和现场直剪试验，获得地基的承载力和摩阻系数，采用数值模拟分析了锚碇基础施工期和运营期的变位，如图3所示。该方案不仅节约了工期、降低了基础造价，而且将锚碇基底置于长江水位之上，减小了施工期长江水位变化对锚碇基础的影响。

  竖向变刚度协调在悬索桥锚碇基础的应用，对拱桥基础的设计与施工具备极其重大指导意义，图4为某拱桥三维变刚度示意图。变刚度协调不仅可提高基础的稳定性和承载力，还能优化施工全套工艺流程，减少相关成本，延长基础的常规使用的寿命，具备极其重大工程意义。

  山区普遍有陡坡现象，传统重力式锚碇基础开挖量巨大，弃土处理困难，严重对环境造成污染，容易使地基刚度分布不均。因此，有必要提出一种浅埋式锚碇基础方案，适应山区复杂地质环境。

  云南省元阳县红河特大桥建水侧锚碇地形地貌复杂，原设计持力层为中风化岩层，导致开挖量巨大。经研究确定将基础上抬15米，基础平面尺寸69.5m×48m，平均埋深约15m。采用钻孔灌注桩对前趾区域进行地基处理，呈矩形布置，桩径d=1.2m，桩间距s=4.5m。桩长l随中风化板岩埋深而变化，9排桩的桩长分别为2.7m、5.2m、7.3m、8.6m、9.0m、9.2m、9.3m、9.4m、9.4m，最终形成了浅埋重力式锚碇基础+非等长刚性桩复合地基这一新型组合型地基基础，如图5所示。

  为保证锚碇基础在施工和运营期的不均匀沉降和抗倾覆稳定性，对两根基桩开展单桩载荷试验，对岩石及土体开展直剪试验和平板载荷试验，得到了各种力学指标。利用积分方程法系统研究了倾斜基岩面上非等长桩组合地基的竖向和水平承载特性，建立了可考虑基岩-非等长刚性桩复合地基的锚碇基础理论模型，得到了各基桩的桩顶刚度，并结合现场试验参数开展了锚碇基础变位分析。根据结果得出，经过非等长刚性桩复合地基加固后的锚碇基础满足工程要求。

  传统岩基只考虑锚碇基础底面与地基之间的摩阻力，虽然工程中常设置抗滑台阶以增强水平抗力，但对被动区抗力机理研究不足，设计时忽略该部分抗力造成大量工程浪费。

  燕矶长江大桥鄂州侧锚碇基底处于中风化泥质粉砂岩，岩质较硬，遇水易软化，基坑开挖较容易，设计采用了台阶型重力式基础。

  基于数值模拟、弹性理论和规范法，探究了锚碇基础在自重应力作用和施加缆索力工况下的承载特性，确定了整体抗滑力，其中有限元计算如图6所示。根据结果得出，锚碇基础底面摩阻力占水平向总抗力的42%，对于长宽比、宽高比更小的基础，这部分贡献会更加减弱。

  国内规范对锚碇基础的设计基本仅考虑基底摩擦力，而混凝土与基岩接触面的粘聚力往往被忽略。若考虑这部分，可更全面利用材料特性，优化基础设计，减少材料用量和施工难度，大大降低工程成本。

  多数桥梁工程锚碇基础均以岩层为地基持力层，尤以我国西部山区和长江流域分布居多。现行《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）和《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）等对岩石地基承载力已有相关规定，正常情况岩石不能深度修正。但勘察部门提供岩基承载力过于保守，众多现场载荷试验结果远大于规范确定值，从而导致基础尺寸过大，工程成本大幅增加。因此，有必要对部分软质岩石地基承载力进行深度修正，减少实际工程成本。

  南京龙潭长江大桥地下水位较高，主要包含6个地层，如图7所示。基于软质岩承载力深度修正系数计算方法，李忠伟等对25m埋深的弱胶结砂岩持力层分别开展基岩深层和浅层平板载荷试验，得到南京长江流域地层中弱胶结砂岩持力层深度修正前后的地基承载力特征值，从而进一步确定该地层的地基承载力深度修正系数k2取值。结果表明，深层地基承载力有较大提升，对弱胶结砂岩承载力做深度修正是有必要的。

  最终大桥北锚碇采用重力式锚碇基础，基坑外径由90米优化到72米，以成岩作用较差的弱胶结砂岩为持力层，基础埋深25米。此成果为类似地质条件下的桥梁工程借鉴参考。

  自锚式悬索桥在某些特殊情况施工需要设置临时地锚，合龙后转换受力体系，临时地锚不参与使用过程受力，造成极大浪费。

  广东东江南支流港湾大桥为国内最大跨径“先缆后梁”自锚式悬索桥，首次采用了“永临结合地锚转自锚”的新技术，地锚到自锚体系转换是建设过程的关键点。工程充分利用引桥20、21、28、29#4个墩原有16根直径1.5m钻孔桩，增加16根临时桩，通过承台及拉梁连成整体，通过16根临时拉索传递水平力，实现自锚式悬索桥“地锚式”施工，临时锚碇布置见图8。

  有限元计算根据结果得出，当临时锚碇基础采用直径1.5m钻孔桩时，桩顶水平位移达到24mm，将桩径由1.5m调整至1.8m，最大竖向位移1mm，桩顶最大水平位移13.5mm。该工程顺利完工，临时群桩锚碇基础经受了考验。

  此外，桥梁工程中往往也会通过地基加固直桩周边或设置斜桩来应对复杂的基础受力情况。直桩主要承担竖向荷载，在直桩周围进行地基加固（如注浆），可提高地基的抗剪强度和承载力。

  相比于直桩，斜桩抵抗水平承载能力更优，其通过倾斜角度，将水平力分解为沿桩身的轴向力，以提高桩基的抗滑移能力和整体稳定性，图9为国外两座悬索桥锚碇基础的斜桩应用情况。

  自1997年虎门大桥首次将地连墙应用于锚碇基础后，地连墙多次在大跨桥梁中应用。虽然地连墙均为封闭式，施工时内部仍需大体积开挖和大体积浇筑混凝土隔舱，其主要以摩擦力承担拉力，未能充分发挥墙侧阻力作用。

  张靖皋长江大桥紧邻长江，位于深厚软土地区，140m深度范围内无坚硬持力层，承压水头高，缆索拉力14万吨，锚碇基础选型、变位控制、施工均面临巨大挑战。项目最终采用一种全新格栅式复合地连墙锚碇基础型式，该型式采用双层地连墙+填芯复合结构，对基础分隔舱进行水下施工，基础底部粉质黏土关键持力层进行地基加固处理，通过结构技术将地连墙由临时构筑物转化为永久构筑物，如图10所示。该方案充分的利用了地连墙与原状土体的相互作用，截面布置形式灵活，有效发挥了地连墙的阻力作用，提高了施工效率，降低了造价，具有较好的社会效益和经济效益。

  井筒式地连墙受力机理较为复杂，既要考虑外部土体的抗力和摩阻力，也要考虑内部土芯作用。国内外对于井筒式地连墙水平承载特性的研究尚未形成统一结论，尤其是对于内部土芯所发挥的作用认知不够，有关工程实践经验有待进一步发展。

  卡哈洛金沙江大桥锚碇采用了一种适应山区复杂地形的分体多格地连墙锚碇基础，如图11所示。该基础整体平面尺寸为64.8m×57.04m，分为前后两排，均由6个井筒构成，单筒平面尺寸为11.8m×18m。工程开展了碎石土地区新型井筒式地连墙锚碇基础的水平承载性能研究，并基于有限元模拟、理论计算、现场试验等方法研究了考虑土芯作用的分体井筒式地连墙水平承载特性。根据结果得出，分体多筒地连墙锚碇基础能充分利用井筒与周围土体的相互作用，筒前及筒侧土体承担了大部分荷载。该项目地连墙基础对悬索桥锚碇基础具有重要参考意义。

  关于地连墙水平静载试验，目前该技术已成功推广应用于建筑行业。以深圳北站超核绿芯项目为例，该项目进行了地连墙基础8000吨水平承载力试验，成功创造了新的世界纪录，见图12。该试验的成功实施不仅为超大型建筑物的基础设计提供了宝贵的经验，还推动了地连墙技术在全球范围内的应用与发展。

  目前山区地形合适时隧道锚是个不错的选择，与重力锚相比开挖量大幅减少。当岩石完整较好时，可对岩石进行钻孔和固定，将悬索桥的钢索固定在岩石中，以实现锚碇的功能。岩锚能充分的发挥岩石的力学性能，具有良好的稳定性和承载能力，且工程量小、投资省、环保。

  舟山西堠门公铁两用大桥册子岛侧锚碇采用岩锚，如图13所示。为掌握该桥岩锚锚碇的稳定性、承载特性，严爱国等基于地质概化模型、岩体力学参数，构建了岩锚锚碇结构与岩体互相作用的三维弹塑性数值模型，研究了岩锚锚碇系统在预应力加载后和运营２种状态下围岩变形特征与塑性区分布规律，并通过超载试验研究岩锚锚碇结构破坏模式和围岩稳定安全系数。根据结果得出，在承受主缆荷载时，岩锚锚碇系统工作性能良好，带动了较大范围的深层岩体参与承担主缆荷载。该桥对岩锚在悬索桥中的应用与推广具备极其重大的指导和借鉴意义。

  此外，韩国李舜臣大桥Yeosu侧也采用岩锚，通过在发育良好的岩层中开挖直径6m，深31m的竖井，来更好抵抗锚索缆力，相比于Gwangyang侧重力式锚碇基础，其造价仅为28.6%，如图14所示。

  悬索桥锚碇基础在选型设计过程中，已越来越多考虑可持续性和环保因素，在满足工程要求的同时最好能够降低对生态环境的影响。实践证明：可采取地基处理提高锚碇前趾部分竖向承载力，适当考虑岩基台阶水平抗力，部分岩石可进行承载力深度修正，井筒式地连墙可采用被动区土抗力承担拉力。这些理念可在锚碇设计中推广应用，可有效缩短工期、降低造价。