港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標(biāo)段工程地質(zhì)分析

2024年3月7日發(fā)(作者：畏途)

港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標(biāo)段工程地質(zhì)分析

戚玉紅;裴成玉;安鵬程

【摘 要】The engineering Geological Investigation and relevant

achievements were described briefly for the first contract period of DB01

bid ction of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project. It was propod

to apply rock-socketed piles(steel pipe composite piles)to the bridge

abutment foundation by estimating and analyzing the bearing capacities

of different types of piles. The pile foundation parameters were proved

accurate and reliable by comparing the theoretical calculation results with

the experimental data of pile bearing capacity.%本文簡(jiǎn)要介紹了港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標(biāo)段第一合同段的地質(zhì)勘察工作和成果；通過(guò)對(duì)不同樁型單樁承載力的估算與分析，提出了橋墩基礎(chǔ)采用嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）的建議；通過(guò)單樁承載力理論計(jì)算與試樁數(shù)據(jù)的對(duì)比，確認(rèn)了提供的樁基參數(shù)是準(zhǔn)確、可靠的。

【期刊名稱(chēng)】《港工技術(shù)》

【年(卷),期】2014(000)005

【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P82-85)

【關(guān)鍵詞】港珠澳大橋;地質(zhì)勘察;樁基參數(shù);單樁承載力;嵌巖樁

【作 者】戚玉紅;裴成玉;安鵬程

【作者單位】中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222;中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222;中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222

【正文語(yǔ)種】中 文

【中圖分類(lèi)】P642.4

1 工程概況

港珠澳大橋海中橋隧工程總長(zhǎng)約35.6 km，其中香港界內(nèi)橋梁長(zhǎng)約6.0 km，粵港分界線至珠澳口岸之間的海中橋隧主體工程（簡(jiǎn)稱(chēng)“主體工程”）長(zhǎng)約29.6 km，按6車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度100 km/h。主體工程采用橋隧組合方案，其中橋梁長(zhǎng)約22.9 km，沉管隧道長(zhǎng)約6 km，為實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換設(shè)置兩個(gè)長(zhǎng)度各為625 m的隧道人工島。

主體工程DB01標(biāo)段第一合同段（K13+413～K17+263）非通航孔橋是擬建港珠澳大橋主體工程深水區(qū)非通航孔橋之一，位于港珠澳大橋東部，東起西人工島，西至跨崖13-1氣田管線橋。該段非通航孔橋設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 850 m（16～51號(hào)橋墩），采用110 m等跨徑等截面連續(xù)鋼箱梁橋。主梁采用大懸臂整體式鋼箱梁，梁高4.5 m。基礎(chǔ)擬采用鋼管復(fù)合樁，樁徑2.0～2.2 m，單樁承載力30 000 kN，全預(yù)制混凝土承臺(tái)、墩身方案。

本勘察橋段16至51號(hào)墩每墩布置鉆孔2～3個(gè)（圖1），共布置87個(gè)：取土試樣鉆孔43個(gè)，原位測(cè)試鉆孔44個(gè)。終孔條件為鉆入中風(fēng)化12 m或中～微風(fēng)化12 m或微風(fēng)化3 m，控制性加深孔鉆入中風(fēng)化15 m或中～微風(fēng)化15 m或微風(fēng)化6 m。

圖1 代表性橋墩鉆孔平面位置示意

2 工程地質(zhì)條件

2.1 巖土層簡(jiǎn)介

本橋段16～51號(hào)墩位于青州航道和伶仃航道之間，區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層發(fā)育，厚度

71.5～93.5 m不等，海底泥面高程一般為-7.21～-5.74 m，海床面地形總體上比較平緩。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合前期勘察成果與區(qū)域地質(zhì)資料，按地質(zhì)時(shí)代、地質(zhì)成因、巖性、物理力學(xué)性質(zhì)等特征，對(duì)勘探深度內(nèi)的巖土層進(jìn)行了單元巖土體的劃分。結(jié)果表明，巖土層分布比較有規(guī)律，自上而下可劃為5個(gè)大層、25個(gè)亞層。

2.2 巖土層指標(biāo)

按照勘察技術(shù)要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采取的巖土樣進(jìn)行了物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)。以本次勘察劃分的單元巖土體為基礎(chǔ)，對(duì)各巖土層的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)。

3 單樁承載力

3.1 巖土層樁基參數(shù)

依據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)資料、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果、巖石試驗(yàn)成果、巖體風(fēng)化后的狀態(tài)及巖體完整性等指標(biāo)，按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD63-2007），經(jīng)綜合分析確定巖土層承載力基本容許值[fa0]與樁基參數(shù)。

3.2 單樁承載力估算

根據(jù)各巖土層樁基參數(shù)，依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007），選擇代表性鉆孔對(duì)嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）、摩擦樁（鋼管復(fù)合樁）及摩擦樁（鋼管樁）分別進(jìn)行單樁承載力估算。

3.2.1 嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值估算

按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007），嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值：

式中：為單樁軸向受壓承載力容許值（kN）；

c1為端阻發(fā)揮系數(shù)；

Ap為樁端截面面積（m2）；

frk為樁端巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

u為各土層或各巖層部分的樁身周長(zhǎng)（m）；

c2i為第i層巖層的側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)；

hi為樁嵌入中風(fēng)化層的厚度（m）；

ζs為覆蓋層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)樁端frk確定：當(dāng)2 MPa≤frk＜15 MPa時(shí)，取0.8；當(dāng)15 MPa≤frk＜30 MPa時(shí)，取0.5；當(dāng)大于frk≥30 MPa時(shí)，取0.2；

li為各土層的厚度；

qik為樁側(cè)第i層土的側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

n為土的層數(shù)，強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化巖層按土層考慮。

樁端持力層為風(fēng)化混合片巖，16～45號(hào)墩樁徑2 m，46～50號(hào)墩樁徑2.2 m，嵌巖樁嵌入中風(fēng)化5 m，中風(fēng)化巖層的情況按破碎考慮，端阻力發(fā)揮系數(shù)c1取0.24，巖層側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)c2取0.018。選代表性橋墩進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值孔號(hào) 樁長(zhǎng)/m 樁底高程/m樁端進(jìn)入持力層深度/m飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk/kPa樁端阻力/kN SZK17-2

SZK20-2 SZK27-1 SZK34-1 SZK37-2 SZK41-2 SZK44-1 SZK47-3 SZK50-1

97.0 78.9 80.6 91.1 112.2 106.3 105.8 99.0 97.4-103.99-85.10-86.83-97.36-118.44-112.46-111.72-105.10-103.66 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 43

100 21 700 45 000 42 100 40 300 40 400 41 700 29 700 37 200 32 480.2 16

353.1 33 912.0 31 726.6 30 370.1 30 445.4 31 425.1 27 086.4 33 926.4單樁受壓承載力容許值[Ra]/kN 60 253.8 32 938.6 61 003.6 58 173.5 57 337.6 57

032.6 58 436.0 53 547.5 60 502.2

由表1可知，嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值為33 000～61

000 kN左右，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)單樁承載力30 000 kN的要求。

3.2.2 摩擦樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值估算

按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007），摩擦樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值：

式中：[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值（kN）；

u為樁身周長(zhǎng)（m）；

n為土的層數(shù)；

li為承臺(tái)底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

qik為與li對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

qr為樁端處土的承載力容許值（kPa），由于樁端以強(qiáng)風(fēng)化層作持力層，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化取值不超過(guò)1 450 kPa，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化取值不超過(guò)2 750 kPa；

[fa0]為樁端處土的承載力基本容許值（kPa）；

h為樁端的埋置深度（m），取地面高程-20.0 m（可能最大沖刷深度）向下至設(shè)計(jì)樁端位置，大于40 m按40 m計(jì)算；

k2為容許承載力隨深度的修正系數(shù)，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖取5，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖取值6；

γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均密度（kN/m3），取各層有效密度；

λ為樁的長(zhǎng)徑比修正系數(shù)，根據(jù)不同長(zhǎng)徑比取0.70～0.85；

m0為樁的清底系數(shù)，取0.8。

公式中各參數(shù)取值如下：選擇強(qiáng)風(fēng)化混合片巖為樁基持力層，16～45號(hào)墩樁徑2

m，46～50號(hào)墩樁徑2.2 m，m0=0.80，λ=0.85。選代表性橋墩進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 摩擦樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值孔號(hào)SZK17-2 SZK31-2

SZK34-1 SZK37-2 SZK41-2 SZK44-1 SZK47-3 SZK50-1樁長(zhǎng)/m 90.7 98.0

85.5 107.0 99.7 100.4 93.0 91.8樁底高程/m-97.69-104.11-91.76-113.24-105.86-106.32-99.10-98.06樁端持力層⑦22⑦22⑦21⑦22⑦21⑦21⑦21⑦21樁端進(jìn)入持力層深度/m 6.0 2.0 3.0 3.0 15.0 15.0 6.0 6.0樁端處土的承載力容許值qr/kPa 2 406 2 406 1 450 2 406 1 450 1 450 1 450 1 450樁側(cè)土的摩阻力/kN 14 087.6 18 315.0 13 015.3 20 927.5 18 150.8 17 047.1 15 543.0 16

969.5單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]/kN 21 642.5 25 869.8 17 568.3 28 482.3

22 703.8 21 600.1 21 053.0 22 479.5

式中：[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值（kN）；

u為樁身周長(zhǎng)（m）；

n為土的層數(shù)；

li為承臺(tái)底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

qik為與li對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

qrk為樁端處土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

由表2可知，摩擦樁（鋼管復(fù)合樁）單樁軸向受壓承載力容許值為17 500～28

500 kN左右，達(dá)不到設(shè)計(jì)單樁承載力30 000 kN的要求。

3.2.3 摩擦樁（鋼管樁）單樁軸向受壓承載力容許值估算

按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007），摩擦樁（鋼管樁）單樁軸向受壓承載力容許值：

αi、αr分別為振動(dòng)沉樁對(duì)各土層樁側(cè)摩阻力和樁端承載力的影響系數(shù)，錘擊、靜壓沉樁其值均取為1.0。

其中樁徑按16～45號(hào)墩取2 m、46～50號(hào)墩取2.2 m。選代表性橋墩進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見(jiàn)表3。

由表3可知，僅SZK50-1以⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖為持力層時(shí)摩擦樁（鋼管樁）單樁軸向受壓承載力容許值大于設(shè)計(jì)單樁承載力30 000 kN的要求，其它鋼管樁單樁軸向受壓承載力容許值為22600～28600kN左右，達(dá)不到設(shè)計(jì)單樁承載力30 000 kN的要求。本次估算中，鋼管樁基本按照打入強(qiáng)風(fēng)化混合片巖5 m考慮的，但在實(shí)際施工中，成樁很困難。

3.3 試樁

港珠澳大橋主體工程橋梁試樁工程中鋼管樁試樁共2根，試樁編號(hào)分別為SZ1、SZ2。鋼管樁試樁均位于港珠澳大橋青州航道橋設(shè)計(jì)軸線北側(cè)，距青州航道橋設(shè)計(jì)軸線150 m左右。SZ1、SZ2試樁樁底高程均為-80.0 m，樁頂高程均為5.0 m，試樁的單樁極限荷載不小于18 580 kN。

表3 摩擦樁（鋼管樁）單樁軸向受壓承載力容許值孔號(hào)SZK17-2 SZK31-2

SZK34-1 SZK37-2 SZK41-2 SZK44-1 SZK47-3 SZK50-1樁端持力層④5粗礫砂⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖④6圓礫⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖④6圓礫⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖④5粗礫砂⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖④5粗礫砂⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖④5粗礫砂⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖④5粗礫砂⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖④5粗礫砂⑦21強(qiáng)風(fēng)化混合片巖樁長(zhǎng)/m 78.0 84.1 80.9 86.9 82.0 85.5 85.0 90.6 83.9 89.7 85.0 90.4 87.0 92.0

85.0 90.8樁底高程/m-84.99-91.09-87.01-93.01-88.26-91.76-91.24-96.84-90.06-95.86-90.92-96.32-93.10-98.10-91.26-97.06樁端進(jìn)入持力層深度/m

6.0 5.0 3.0 5.0 3.0 3.0 1.0 5.0 5.0 5.0 8.0 5.0 5.0 5.0 7.0 5.0樁側(cè)土的摩阻力/kN 12 425.0 15 142.7 11 988.5 14 814.5 12 750.9 14 399.4 12 914.8 15

467.6 12 610.6 15 229.3 11 923.8 14 410.7 13 798.7 13 798.7 15 649.2 18

529.8沉樁的承載力容許值［Ra］/kN 23 101.0 26 132.7 23 763.5 25 804.5 24

525.9 25 389.4 23 590.8 26 457.6 23 286.6 26 219.3 22 599.8 25 400.7 26

718.7 27 098.7 28 569.2 31 829.8

試樁為直徑170 cm、壁厚25/22 mm的敞口鋼管樁，采用Q345C鋼鋼板加工。樁長(zhǎng)為85 m，在樁頂12.3 m范圍設(shè)置內(nèi)壁剪力環(huán)。鋼管外壁采用雙層環(huán)氧粉末涂層涂裝，內(nèi)壁采用無(wú)溶劑液體環(huán)氧涂層涂裝。

試樁SZ1和SZ2樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層分別為0.90 m和1.08 m，成樁后分別作了高應(yīng)變?cè)囼?yàn)和錨樁反力架法試驗(yàn)。同時(shí)，在勘察區(qū)選擇代表性橋墩，利用試樁樁型和本次勘察提供的樁參數(shù)對(duì)單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 試樁與單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算成果比較樁號(hào)SZ1 SZ2 SZK18-1

SZK21-2 SZK22-3 SZK38-1 SZK42-1樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化混合片巖強(qiáng)風(fēng)化混合片巖強(qiáng)風(fēng)化混合片巖強(qiáng)風(fēng)化混合片巖強(qiáng)風(fēng)化混合片巖樁端進(jìn)入持力層深度/m 0.90 1.08 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00樁端高程/m-80.00-80.00-82.61-81.32-79.07-88.82-94.68樁徑/m 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75

1.75 1.75單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值/kN高應(yīng)變?cè)囼?yàn)22 918 22 042錨樁反力架法試驗(yàn)20 500 18 760理論計(jì)算22 072 21 404 24 626 26 279 23 489 28 912

30 096

由表4可見(jiàn)，SZ1、SZ2的試驗(yàn)結(jié)果均滿足單樁極限荷載不小于18580kN的要求；樁號(hào)SZK18-1、SZK21-2和SZK22-3與試樁樁長(zhǎng)相近，按試樁樁型和提供樁參計(jì)算的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與試樁成果相近，驗(yàn)證了本次勘察提供的樁基參數(shù)是準(zhǔn)確可靠的。

樁號(hào)SZK38-1和SZK42-1的理論計(jì)算值比試樁數(shù)據(jù)較大，主要是因?yàn)闃堕L(zhǎng)增加，使樁側(cè)阻力增大的緣故。

4 結(jié)語(yǔ)

1）港珠澳大橋橋位區(qū)場(chǎng)地內(nèi)巖土層分布較穩(wěn)定，可供選擇的持力層較多，擬建橋梁區(qū)場(chǎng)地屬構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，適宜本工程的建設(shè)。

2）勘察區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層發(fā)育，厚度71.5～93.5 m不等，海床面地形總體上比較平緩。以本次勘察劃分的單元巖土體為基礎(chǔ)，對(duì)各巖土層的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)，提供了設(shè)計(jì)所需的物理力學(xué)參數(shù)及樁基參數(shù)。

3）選擇代表性鉆孔對(duì)嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）、摩擦樁（鋼管復(fù)合樁和鋼管樁）分別進(jìn)行了單樁承載力估算，結(jié)果表明：樁端嵌入中風(fēng)化5 m以上的嵌巖樁（鋼管復(fù)合樁）的單樁承載力能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而以強(qiáng)風(fēng)化混合片巖為持力層的摩擦樁（鋼管復(fù)合樁和鋼管樁）的單樁承載力基本上達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

4）通過(guò)單樁承載力理論計(jì)算值與試樁數(shù)據(jù)的對(duì)比，確認(rèn)了本次勘察提供的樁基參數(shù)是準(zhǔn)確可靠的。

參考資料：

[1]JTJ064-98公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社.

[2]JTGD63-2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社.

[3]廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司聯(lián)合體.港珠澳大橋主體工程橋梁試樁工程鋼管樁試樁試驗(yàn)初步報(bào)告［R］.2011，6.