浅谈深水基础发展对桥梁结构体系选择的影响

【摘要】随着交通的迅猛发展，铁路公路横跨江河湖海的需求越发突出。上世纪80年代以来，我国跨江跨海的桥梁越来越多，但由于受水下基础环境制约，基本上采用的都是大跨度结构设计，涉及的结构体系也基本属于斜拉和悬索体系。21世纪以来，深水基础不断发展，处理深水地基越来越娴熟，恶劣的水下环境以及缺乏的水下工艺情况得到了明显改善，多基础中跨度的梁式桥开始出现在部分桥型中来。本文将介绍我国深水基础的发展状况，提出基于真空预压机理的新形式的基础设想，简述将来深水基础的发展对桥梁结构体系选型的影响。

【关键词】深水基础；水下真空预压；结构体系

在桥梁设计中，结构的选型尤为重要，它直接关系到结构的受力性能以及经济合理性。在跨越江河湖海的桥梁中，跨度成为了设计者考虑结构选型的关键因素。由于水下环境复杂，设计者往往会刻意避免出现大量的水下结构构件，所以对跨度适中的工程常选取无水下结构的拱桥体系，对跨海等超大跨度的桥梁则会选择只有2至3个水下基础的斜拉桥或悬索桥。由此可见，水下基础制约了结构体系的选择，而随着将来深水基础的发展成熟，跨度很大的桥梁也就有可能像陆地桥梁一样采用梁式桥的形式，发挥梁式桥的优势。故深水基础的发展能为桥梁结构体系的选择提供新的思路。

1、深水基础国内外发展状况

1.1国内桥梁深水基础现状

新中国成立以来，我国桥梁深水基础的理论研究有着快速的提升。60年代以前，常用的深水基础是气压沉箱，而1957年建成的武汉长江大桥首次使用了通过钢柱板围堰的管柱基础，1968年建成的南京长江大桥同样采用了这类管柱基。由此，管柱基础成为了新的深水基础中的常用类型。除此之外，在某些特殊的场地条件下，如1985年建成的九江长江大桥中场地基岩强度较高，并且覆盖成薄弱，该工程则独创性的通过双壁钢沉井围堰的钻孔桩基础，成功实践了新的基础模式。该工程由于其围堰内部无支撑，简化了工序，改善了施工条件，为此后一段时间的深水基础形式开创了模板，如1995年建成的武汉长江二桥[1]。

1.2国外桥梁深水基础现状

国外修建大跨度桥梁时间比较早，1950年以来就在深水及海峡地区修建了桥梁。国外的这类桥梁多为斜拉桥和悬索桥，深水基础主要是主塔结构。这类深水基础相较国内的发展而言，其主要优点是提升了基础结构的大型化和整体化，施工中的材料尽量在工厂预制，施工多用大型机械。这种大框架的设计思路称为设置基础（placed foundation）[2]。其目的是减少水上施工的周期和工作量，将工作场地放在工厂的预制上，降低场地的人力，尽量通过大型的机械进行施工。

2、现行常用的深水基础

随着我国后期突飞猛进的发展，大量中大跨桥梁我修建使我国积攒了丰富的经验，在深水基础的设计及施工方法上已跟上世界水平。目前常用的深水基础形式如下：

2.1管柱基础

管柱基础首次运用于1957的武汉长江大桥，并在之后的桥梁建设中不断丰富和发展。管柱基础按照其支撑情况分为两类，一类是管柱落在坚硬的岩石层上，与岩层形成固接或铰接支座，称为端承式管柱。另一类管柱则下沉到达密实的土层，主要靠柱底端承力和柱周摩擦力共同受力，称为摩擦式管桩[3]。管桩基础的优点是可使水下的施工工作全部改到水面上进行，降低工人的劳动强度，此外还能减少施工周期，加快工程进度。另一方面，管柱基础能达到气压沉箱不能达到的水下施工深度，并且水位的变化不會对施工造成太大的影响，因此可常年施工。管桩基础一般适用于深水区域的无覆盖层或厚覆盖层，其缺点是不适用于有严重缺陷的地区。

2.2钻孔桩基础

钻孔桩是20世纪美国发明的基础方法，我国第一次将其运用于桥梁工程是1963年修建的南省安阳冯宿桥[3]，自此我国桥梁工程开始广泛采用这种基础形式。桥梁深水桩基础是深水基础中最经济的一种基础形式。其多用在深度不是很大的情况下。与另外两类基础相比，相同深度下桩基础的用料要节省40%～60%[4]。相对的，钻孔桩的缺点是刚度相对较小，在大流速和大量冲刷的情况下，桩的直径必须适当的增大，由此导致造价的增加，并且对打桩的机械提出更大的要求。

3、新形式深水基础的发展需求

3.1现行水下基础出现的问题

深水基础存在于水中，结构构件的环境相对其他陆地环境要恶劣得多。无论是混凝土材料还是钢材，都需要能够经受其长期的水下浸泡和水流冲刷。此外，深水环境中的高水压力也对构件抗渗透能力提出了挑战。由此，现行的深水基础病害问题十分突出，对于混凝土结构水下基础，比较常见的病害有：混凝土表面脱离、蜂窝、裂缝、露筋、掏空等[5]。

3.2对深水基础发展的需求

上面列出的深水基础的病害和原因，使得在桥梁工程对水下基础部分的发展提出了很高的要求。下面主要介绍一种基于真空预压机理的新形式的基础设想，来应对传统深水基础常见的缺陷。

4、基于真空预压机理新形式深水基础的设想

4.1真空预压法

真空预压最早是在1952年由瑞典皇家地质学院的W.Kjellman提出的，他阐述了在真空预压过程中孔隙水压力降低、有效应力增加的正确观点[7]。在软土地基中设置竖向排水通道，然后在地面铺上一层不透气的膜，在膜下抽真空形成压力差，该压力差称为“真空度”，真空度通过竖向的排水通道向下传递，从而引起土中孔隙水压力下降，使得水分渗出，由泵抽出，起到排水固结的作用。真空预压法的关键在于保证密封的环境条件，另外早期缺少合适的抽真空装置，难以达到所需的真空度，因此该方法在当时很难用于实际工程中。

4.2水下的真空预压法

随着我国的发展，科研的不断进步，再加上机械发展给予了真空预压法提供了可能条件，通过不断的实践研究，我国在陆地上对真空预压技术已经十分成熟，在国际上也达到了先进水平。在实际工程中，该方法主要用于加固软土地基和回填土。类似与陆地上的应用，水下真空预压法适用范围也比较广泛，可用在港口码头的岸坡工程、围海造池项目、防波堤加固工程等的软基处理工程，并且在这些工程中已经得到了实践。

利用水下真空预压机理于工程中最大的用途就是处理软土地基问题，其代表的处理方法就是排水固结法。排水固结法的原理就是在施工区域设置排水系统，采用真空施压系统，通过改善排水的边界条件，使海地的土层固结成块，提高土地的密实度，减少土层的沉降。尽管卸载后土体会产生一定程度的反弹，但与固结前的相比则已经处于超压密状态，从而也就提高了水下地基的承载能力，同时也减少了土层的沉降量[8]。

与传统的加压压密的方式不同，真空预压法对于加固前后上部的总应力没有发生变化，它是通过真空技术将原孔隙水压力中的上覆水压力降低后形成的水压力使得土体排水后固结。目前经常使用的抽真空设备基本可以满足水下真空预压施工的要求，可以在密封膜下面的砂石垫层中形成负压边界，达到加固效果[8]。

4.3新形深水基础的设想

基于真空预压法的机理，下面提出一种新形深水基础的设想。由于深水环境中，水压力十分巨大，利用高强度的水压力以及抽真空的真空度，所能达到的压强是十分可观的。由此，设想一种类似真空预压装置的空间块状基础，开口倒扣于土层上，土层上铺上平整的沙砾，再覆盖一层不透气的膜，通过抽真空使得该块状基础像吸盘一样吸附在土层上。由于水压随着深度的增加而上升，附着在基础上部向下的压力也随着深度的增大而上升，再加上真空本身的真空度，使得基础产生抗拉力以及抗弯距性能。满足上部结构传递下来的荷载。

这种设想的基础优点十分明显：

（1） 施工上十分简单，不再需要混凝土材料，工期大大缩减，提高了施工效率，减少了水下工作时间；

（2） 该设想所用的材料只需满足密闭性已经自身的各个力学性能上，因此不再局限于传统的建筑材料，可以往新兴的其他材料上寻求突破；

（3） 在环保上，施工阶段不污染海洋环境，减少对海洋经济作物的影响；

（4） 从大的方向上，该设想如果运用实际，将改变桥梁设计中对深水基础的传统观念，在设计选型上将打破固有局限，产生新的突破。

结合实际情况下，此种设想的深水基础也有很多的局限性，其中最主要的就是它只能处理较为平整而且很厚的土层，对岩石类的场地，其压强差引起的吸附作用有待研究；基础作为长期结构构件，需要保证长达50年甚至上百年发挥作用，所以抽真空也将伴随这个过程持續进行，并且要对真空度进行实时的监控；另外，该理论只保证了与场地土地的高强度加压吸附作用，但对土体的横向并没有约束，水平移动产生的影响不容忽视。

总结：

深水基础能否向陆地上的基础一样可靠方便，将成为桥梁设计阶段对桥型的选择以及桥墩数的决定性因素。而随着交通系统的发展，将来的桥梁势必更多的横跨大跨度的江河湖海，对深水基础提出了更高的要求。总之，深水基础的研究将是未来桥梁发展的关键课题，它也将直接影响以后桥梁的结构设计。

参考文献：

[1]铁道部大桥工程局.武汉长江二桥技术总结[M].北京：科学出版社，1998

[2]周一桥.桥梁深水基础的新动向[J].公路交通技术，2000，（04）：32-36

[3]刘自明.桥梁深水基础[M].北京：人民交通出版社，2003

[4]韦清江，刘根.大型桥梁深水基础类型及其特点[J].四川建筑，2008，（05）：71-72+74

[5]陈夏阳，李秀芳.桥梁水下基础的加固技术研究[J].公路交通科技（应用技术版），2016，（04）：201-202

[6]王建胜.深水基础施工围堰方案比选以淮河特大桥水中墩施工为例[J].中华建设，2016，（03）：132-133.

[7]王传成.水下真空预压的机理研究[D].天津大学，2006.

[8]刘璟.水下真空预压加固软基技术的应用[J].中国水运（下半月），2014，（08）：385-386

作者简介：

陆海天（1993—），男，布依族，贵州省都匀市人，重庆交通大学土木工程学院结构工程专业2016级工学硕士，研究方向：结构动力学。