1 工程概况

　　河谷汉江公路大桥及接线工程为双向6车道一级公路，全长4 701.5m，桥面跨度32m，主航道桥长420m，为部分斜拉结构，跨堤孔桥长208.5m，为等截面连续梁结构。引桥均为简支T梁桥，设计标准盖梁全长14.75m，采用三柱式桥墩接桩基础形式。

　　桥址区上覆地层为第四系全新统冲洪积卵石，基底岩层为第三系细砂岩、泥质粉砂岩。钻探揭示场区岩(土)层自上而下为:(1)卵石灰色，稍密，饱和，主要成分为石英岩、硅质岩;粒径一般为2.00～6.00cm，最大达12.00cm;含量约67%，磨圆度较好，主要呈次圆状，颗粒级配较好，充填细砂;整个桥址区均有分布。(2)强风化细砂岩灰白色，细粒砂状结构，层状构造，主要成分为石英、长石和少量泥质砂岩;风化裂隙发育，岩石胶结差，岩芯极破碎，主要呈砂状或砂柱状，局部含砾;质量指标差，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级分类为Ⅴ类。(3)中风化泥质粉砂岩棕红色，粉砂状结构，层状构造，主要成分为石英、长石和少量泥质砂岩;风化裂隙发育，岩芯较破碎，主要呈柱状，少部分呈块状、饼状，属极软岩;RQD值为61.5%，质量指标较差，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级分类为Ⅴ类。(4)强风化泥质粉砂岩棕红色，粉砂状结构，层状构造，强风化，主要成分为石英、长石和少量泥质砂岩;岩石胶结差，岩芯极破碎，主要呈碎块状;质量指标差，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级分类为Ⅴ类。

　　2 原设计方案

　　原设计方案中40,34m跨径简支T梁桥均采用三柱式桥墩，标准盖梁全长14.75m、高1.6m、宽2 m，柱间距5m，墩柱和桩基础直径均为1.8/2.0m。

　　桥址区下伏基岩为第三系粉砂岩和含砾砂岩，属软岩类，全桥桩基础均采用摩擦桩，基础底部以中风化和强风化砂岩作为持力层，砂岩饱和极限单轴抗压强度为0.6～2.8MPa。推荐桩侧摩阻力标准值为80～120kPa，地基承载力容许值为300～550kPa。

　　桩基础受力主筋为28mm螺纹钢，采用2次截断设计，一半主筋在桩长70%处截断，另一半主筋通至桩底。

　　3 两柱式桥墩

　　三柱式桥墩因工程应用较多，安全性得到了长时间检验，可在一定程度上保证结构安全，也可减少设计计算量。但三柱式桥墩以安全富余度作为保证，造成资源浪费，进而影响工程整体经济效益。因此，组织专家进行充分讨论，专家组成员一致认为本工程原设计三柱式桥墩可优化为两柱式桥墩。目前两柱式桥墩应用实例较少，须根据本工程实际情况重新进行墩柱布置设计，并对结构进行严格的受力验算。专家组和设计单位在技术层面进行了深度讨论，通过仔细解读规范条文，双方一致认为本工程汽车荷载制动力小于支座摩阻力，荷载按汽车荷载制动力取值计算。

　　3.1 结构设计

　　结合实际情况，设计单位开展两柱式桥墩结构设计工作，将柱间距由5m调整为8.75m，考虑刚度和挠度要求，将盖梁高度由1.6m调整为2m，墩柱和桩基础直径不变，桩长根据实际地质参数重新计算确定。

　　3.2 结构受力验算

　　3.2.1 整体结构验算

　　采用有限元软件Midas/Civil建模，计算模型如图1所示，按规范进行整体结构验算分析。

　　图1 计算模型  

　　由计算结果可知，两柱式桥墩、盖梁、桩基础承载能力极限状态配筋和正常使用极限状态裂缝均满足规范要求。

　　3.2.2 下部结构验算

　　考虑40,34m跨径简支T梁桥下部结构相同，墩柱尺寸主要由高度确定，因此选取典型矮墩和高墩进行验算，其中矮墩高7.1～8.0m，墩柱直径1.6m，桩基础直径1.8m;高墩高12.2～13.7m，墩柱和桩基础直径均为1.8m。

　　计算知墩顶负弯矩区抗弯承载力为24 392kN·m，大于最大弯矩(5 913kN·m);盖梁跨中抗弯承载力为20 570kN·m，大于最大弯矩(8 766kN·m)。盖梁墩柱内、外侧均采用8肢箍筋，间距分别为150,100mm，箍筋抗剪承载力达10 615kN，大于最大剪力(5 363.8kN)。盖梁裂缝宽度<0.2mm，满足正常使用极限状态要求。

　　墩柱主要为轴心受压，纵、横向弯矩均较小。经验算，按现有配筋，墩柱承载能力极限状态下压弯、抗剪均满足结构配筋要求。墩柱裂缝宽度<0.2mm，满足正常使用极限状态要求。

　　经验算，按现有配筋，桩基础承载能力极限状态下压弯、抗剪均满足结构配筋要求，裂缝宽度<0.2mm，满足正常使用极限状态要求。

　　4 桩基础优化设计

　　对优化后的两柱式桥墩结构进行进一步分析，发现桩基础设计计算过程仍存在过度保守和参数选取不当的情况，在桩长和配筋率方面存在较大优化空间。重新选取计算参数后，对全桥桩基础进行计算，在保证结构安全的前提下，减小不合理富余度，使结构更符合工程实际，达到最优技术经济性。

　　4.1 桩长优化

　　1)使用准确的地层数据

　　不同土层承载力不同，地层数据对桩长计算具有较大影响，原设计方案中地质勘察数据存在宽度、深度、密度不足的情况，因此通过地质补勘工作获取准确的地层数据后重新计算桩长，使计算结果更切合实际。

　　2)精准测定地层力学参数

　　通常设计人员计算桩长时存在桩顶反力和桩侧摩阻力取值过度保守的情况，因此需通过试桩试验精准测定地层力学参数后重新计算础桩长。原设计方案中下层泥质粉砂岩桩侧摩阻力标准值为110～120kPa，推荐地基承载力容许值为500～600kPa，查阅有关规范后认为上述指标取值与粗砂、圆砾相当，偏于保守，导致桩基础较长。通过研究全桥工程地质条件，选择有代表性的工点进行试桩试验，结果表明下层泥质粉砂岩最大桩侧摩阻力可达220kPa。设计单位参考试验结果，同时考虑试验代表性有限及安全问题，最终按下层泥质粉砂岩桩侧摩阻力为150kPa进行重新计算，使全桥桩基础工程量有较大幅度的优化。

　　3)合理选取深度修正系数

　　本工程桩底地层一般为泥质粉砂岩，按规范要求，深度修正系数应取2～2.5，而原设计方案取为1，造成桩基础计算偏于保守。与设计单位沟通后，将深度修正系数调整为2，可在较大程度上优化桩长。

　　4)合理考虑安全富余度

　　桩长计算完成后通常通过乘以系数保证桩基础安全富余度，不同设计单位依据各自的设计习惯和桩基础知识储备选取不同的系数。按规范要求计算桩长时已规定了2%的富余度，可不额外考虑，但为充分保证结构安全，增加一定富余度是合理的，如果考虑较大的富余度将造成不必要的浪费。本工程原设计方案考虑15%的富余度，经反复研究讨论，结合计算结果与已有工程经验，最终将富余度确定为8%，可在很大程度上优化桩基础工程量。

　　4.2 配筋率优化

　　较长的摩擦桩最大弯矩发生点一般不会太深，桩基础下部受力以受压为主，所以基础主筋应进行截断配置，下部受压位置减小钢筋密度，以达到优化配筋率的效果，使工程经济性更优。

　　本工程下部结构优化为两柱式桥墩后，全桥平均桩长为40m左右，均为摩擦桩。原设计方案中桩基础钢筋采用2次截断设计，配筋率达7.7‰。重新计算后采用3次截断设计，1/3主筋在桩长50%处截断，1/3主筋在桩长70%处截断，1/3主筋通至桩底，结构受力满足规范要求，全桥配筋率降低1‰，带来了经济效益。

　　5 下部结构优化效果

　　通过下部结构优化使本工程减少2 000m桩长，节约桩基础4 700m³混凝土及610t钢筋;减少192个墩柱，节约墩柱3 600m³混凝土及380t钢筋;节约4 000万元资金投入，且桩基础相关技术参数得到一定优化。

　　6 结语

　　通过优化桥墩形式和桩基础，在较大程度上减少河谷汉江公路大桥下部结构工程量，加快了施工速度，带来了经济效益。工程规模的降低有利于减小对环境的影响，在工程美学效果上得到良好提升。