桥梁与环境(桥梁工程与环境保护)

基于环境保护理念的山区桥梁基础设计分析

在桥梁结构设计过程中，做好了上部结构设计、下部墩台设计之后，再下来的设计重点就是基础设计。任何结构物的基础都是与相应的地基相接触，因而设计人员在做基础设计时必须掌握两方面的知识。一是掌握各种桥论文联盟http://梁基础结构方面的知识，一是懂得相关的工程地质方面的知识。山区桥梁，正是由于其工程地质方面的复杂多样性导致了桥梁基础设计具有了相当的难度，再加上山区工程地质当中往往会遇到岩溶、滑坡、冻土、黄土等各种不良地质条件，就更加增添了基础设计的复杂性。近年来，公路工程环境保护越来越被人们所认识和重视，早期的一些较粗糙的基础设计常常诱发地质病害，防护加固、地基处理又加大了工程费用，被破坏的原有自然环境又进一步造成水土流失……种种迹象都要求工程设计人员在做工程设计时，应尽可能的做到环保优先，最大限度的减少对自然环境的扰动，在做基础设计时就更应精心设计，地制宜的选择最适宜的基础结构型式。
　　1基础设计
　　任何结构物都建造在一定的地层上，结构物与地层接触的部分就是基础。工程实践表明：结构物的地基与基础的设计和施工质量的优劣，对整个结构物的质量和正常使用起着根本的作用。基础工程时隐蔽工程，如有缺陷，较难发现，也较难弥补和修复，而这些缺陷往往直接影响整个结构物的使用甚至安全。基础工程在质量、工期、费用3大指标上影响着整个工程建设的始终，在工程建设中占据了举足轻重的重要地位。因此，对于桥梁工程设计人员，应该全面掌握桥梁基础的专业知识，了解各种桥梁基础的特点及适用范围，才能在各种复杂的地质条件下发挥所长精心设计基础工程，确保桥梁工程建设更好完成。
　　2基础工程的分类及特点
　　基础根据埋置深度分为浅基础和深基础。将埋置深度较前(一般小于5米)，且施工简单的基础称为浅基础；由于浅层土质不良，需将基础置于较深的良好土层上，且施工较复杂的基础称为深基础。基础埋置在土层内深度虽较浅，但在水下部分较深，如深水中桥墩基础，称为深水基础，在设计和施工中需要作为深基础考虑。公路桥梁及其人工构造物首先考虑用天然地基上的浅基础。当需要设置深基础时常采用桩基础或沉并基础，我国公路桥梁现今最常用的深基础是桩基础。
　　（一）浅基础的特点
　　天然地基浅基础特点是施工简单，不需大型的机具设备，比较经济，在中、小型桥梁上使用较广泛。浅基础根据受力条件及构造可分为刚性基础和柔性基础两大类。基础内不需配置受力钢筋，这种基础称为刚性基础。柔性基础需在基础当中配置一定数量的钢筋，如十字条形基础、箱形基础等。其特点是整体性能较好，抗弯刚度大，对上部结构产生的附加应力比较小，适用于地基条件略差上部结构较高时。
　　（二）深基础的特点
　　深基础特点是承载力高、稳定性好、埋置深度大、工期短、适应大型及大跨度桥梁的建设。常用的深基础有桩基础、沉井基础、气压沉箱基础等。沉井基础是以井内挖土，依靠自身重量克服井壁摩阻力后下沉至设计标高，然后经过混凝土封底，并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其他结构物的基础。沉箱基础是一个有盖无底的箱形结构物，人在压入压缩空气的工作室内挖土，沉箱依靠自重沉入土中。这两种基础都具有整体性强，稳定性好，能承受较大荷载等特点。但在公路桥梁中最常用的深基础是桩基础。
　　（三）桩基础的特点
　　桩基础由若干根桩和承台两个部分组成。桩在平面排列上可成为一排或几排，所有桩的顶部由承台联成一整体并传递荷载。桩基础的作用是将承台以上结构物传来的外力通过承台、由桩传到较深的地基持力层中去，承台将各桩联成一整体共同承受荷载。各桩所承受的荷载由桩通过桩侧土的摩阻力及桩端土的抵抗力将荷载传递到桩周土层中去。桩基础的特点是承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀，具有较好的适应性。桩基础按施工方法可分为挖孔桩、打入桩和钻孔灌注桩。桩基础按受力特性可分为支承桩(或嵌岩桩)及摩擦桩。需要说明的一点是，对于支承桩(或嵌岩桩)，可认为大部分垂直荷载可由桩底岩层抵抗力承受，但对于较长的支承桩(或嵌岩桩)，因受荷载后桩身弹性压缩较大，将在桩侧产生摩阻力，作设计时尚应考虑。对于摩擦桩，一般情况下，除桩侧土的摩阻力支承垂直荷载外，桩底土层抵抗力也支承部分垂直荷载。
　　3山区桥梁基础工程的常见形式及特点
　　对于山区公路桥梁，墩台基础形式主要有两类：钻(挖)孔桩基础(嵌岩桩或摩擦桩)和明挖扩大基础。
　　在做设计时，应根据具体地基条件来选择基础形式。一般来说，对于地质条件较好的桥位处，指岩层或地基持力层埋藏位置较浅，一般不大于5米，且基岩稳定，山体平缓，基础边缘距坡面有一定安全距离的情况下，我们首先选择明挖扩大基础。小型构造物，如涵洞、通道，一般也考虑设计为浅基础，若地基持力层达不到承载力要求可考虑采用换填或夯实等方法对地基先进行处理。对于荷载较大，地基上部土层软弱，适宜的地基持力层位置较深时，可考虑采用桩基础。桩基础的设计核心是在满足单桩承载力的前提下，以摩擦桩桩长作为控制指标；嵌岩桩一般取用双控指标：嵌岩深度和基岩强度。目前规范对嵌岩深度无明确要求，设计中一般取用2.5倍桩径。此外，对于山区中一些常见的不良地质现象，如滑坡、岩溶、崩塌、泥石流、断层、破碎带、湿陷性黄土、膨胀土、冻土等等，在公路选线上首先应合理绕避，在基础设计时应先对地基进行综合处理。例如，对于湿陷性黄土地区桥梁基础设计时，必须考虑不均匀沉降与地基承载力不均匀给上部结构带来的问题，采用明挖扩大基础时，尽量以非自重湿陷性黄土层作为持力层，并对其进行加固和防排水处理，采用桩基础时，桩必须穿透湿陷性黄土层，计算摩擦桩承载力时必须考虑湿陷性土层产生的负摩阻力。对于岩溶地区的基础设计，首先应详细进行工程地质勘探，在设计方案上使结构物尽量避开强岩溶地区和地质构造破碎带，桩位处的溶洞应进行逐桩钻探，准确查明桩位溶洞的详细资料，并根据具体情况采用打穿或挤填等处理方法。
　　4桩基础的设计计算
　　桩基础的设计，最根本的是从分析单桩入手，确定单桩承载力，然后结合桩基础的结构和构造型式进行基础受力分析计算。
　　根据《公路桥涵地基及基础设计规范》，摩擦桩的单桩轴向受压容许承载力[p]可按下列方法进行计算：
　　
　　式中a：桩截面面积(m2)
　　u：桩截面周长(m)
　　(成孔直径按钻头直径增大5cm-10cm)
　　l：桩在局部冲刷线以下的有效长度(m)
　　 ：桩壁土的平均极限摩阻力(kpa)
　　
　　 ：土层i的层厚(m)
　　 ：桩尖土的极限承载力(kpa)，按下式计算：
　　
　　式中 ：桩底清底系数取0.7~0.8
　　 ：桩长比效应修正系数0.7~0.72
　　 ：桩尖土容许承载力(kpa)
　　 ：桩尖土容许承载力深度修正值取2.0~3.0
　　 ：桩周土平均容重(kn/m3)取20kn/m3
　　h：桩埋置深度(m)当h的计算值大于40m时，按40m计算。
　　嵌岩桩的单桩轴向受压容许承载力[p]可按下式进行计算：
　　
　　式中 ：岩石单轴抗压强度(kpa)
　　a：桩截面面积(m2)
　　u：桩截面周长(m)
　　h：桩嵌岩深度(m)
　　 ：桩端阻力修正系数0.4
　　 ：桩端阻力修正系数0.032
　　结束语
　　在山区桥梁基础设计过程中，应本着环境保护的理念，因地制宜的慎重选择基础结构型式，准确计算精心施工才可以保证基础设计的成功。