《深厚覆蓋層下的懸索橋錨碇基礎》結(jié)合深厚覆蓋層地區(qū)已建懸索橋的錨碇基礎工程，針對錨碇的地連墻基礎、沉井基礎和排樁凍結(jié)基礎，系統(tǒng)總結(jié)了懸索橋錨碇基礎的結(jié)構(gòu)形式、設計、施工監(jiān)測和施工控制技術，闡述了影響深厚覆蓋層地區(qū)橋用錨碇基礎穩(wěn)定性的主要因素，探討了深厚覆蓋層地區(qū)錨碇基礎選型、錨碇基礎承載力計算、基礎沉降計算和基礎穩(wěn)定性分析等問題。以泰州長江公路大橋的錨碇沉井基礎為原型，依據(jù)結(jié)構(gòu)模型相似理論，基于錨碇基礎的模型試驗，研究錨碇基礎與土體相互作用的力學機理和錨碇基礎的覆土效應及地下水位對基礎穩(wěn)定性的影響。此外，《深厚覆蓋層下的懸索橋錨碇基礎》還簡要介紹了國內(nèi)已建十座懸索橋的有關資料。
《深厚覆蓋層下的懸索橋錨碇基礎》由十個部分組成，層次分明、重點突出、內(nèi)容客觀，緊密聯(lián)系工程實際，既翔實敘述了深厚覆蓋層地區(qū)錨碇基礎工程建設的經(jīng)驗，又有一定程度的理論闡述。
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《深厚覆蓋層下的懸索橋錨碇基礎》可供從事橋梁基礎工程建設的設計、施工、監(jiān)測、科研等工作人員閱讀和參考，也可供高等院校相關專業(yè)的師生參考。
第1 章 緒 論
1.1 概 述
隨著世界經(jīng)濟建設的發(fā)展，交通運輸在國民經(jīng)濟中的地位和作用日益重要，洲際?海峽兩岸和陸島之間迫切需要修建大跨度?特大跨度或超長跨度橋梁?橋梁工程的建設需求也逐步由跨越大江大河?河口寬闊水域?近海連島走向跨越海峽更廣闊水域，跨江越海大型橋梁工程建設方興未艾，這對建橋技術提出了更高的要求?
從目前橋梁結(jié)構(gòu)設計來說，懸索橋是跨越能力最大的一種橋型?懸索橋是以懸索為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁類型，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造包括基礎?橋塔?錨碇?主纜索?吊索?加勁梁和橋面等，其受力特征為荷載由吊索傳至主纜索，再由主纜索傳至錨碇，傳力途徑明確?由于懸索橋主要構(gòu)件主纜索承受拉力，材料利用效率高，更因近代懸索橋的主纜索采用高強鋼絲，跨越能力大，同時還以整體造型流暢美觀和施工安全快捷等優(yōu)點而倍受推崇?同600m 以上跨度的其他橋型相比，懸索橋具有很強的競爭力?因此，目前跨度超過千米的已建橋梁大多為懸索橋形式，從學術研究來說，大跨度懸索橋的研究也是當前橋梁學科中最重要與最活躍的領域之一?
我國在深厚覆蓋層地區(qū)規(guī)劃建設的跨江?跨湖通道不下數(shù)十條，其中江蘇境內(nèi)在2020 年前規(guī)劃建設跨長江與太湖的通道為13 條，目前在建與待建的為8 條?在深厚覆蓋層地區(qū)建設特大跨度的懸索橋已經(jīng)成為我國交通高速發(fā)展的一個重要選擇?例如，目前在建的泰州長江公路大橋位于長江下游，河段兩岸均為長江中下游沖積平原，土質(zhì)松軟，覆蓋層厚，基巖埋藏一般在180~190m，覆蓋層的厚度是目前國內(nèi)外橋梁建設均沒有遇到過的，且錨碇設置于長江大堤之外，還需要考慮基礎開挖對堤壩的擾動影響?因此，針對深厚覆蓋層錨碇進行系統(tǒng)研究，既是實際工程需要，又可以形成系統(tǒng)的研究成果?這為我國深厚覆蓋層地區(qū)進行錨碇的設計與施工提供技術支撐，提高我國橋梁建設水平?
1.2 懸索橋的發(fā)展
1.2.1 歷史上的懸索橋
懸索橋的構(gòu)思據(jù)說來自“猴橋”，它是由若干強壯的猴子組成一條懸鏈來讓病猴或年老體衰的猴子通過的“橋梁”?最原始的人類懸索橋采用植物類的竹子或藤條來制造懸索，例如，早期熱帶原始人利用森林中藤?竹?樹莖做成懸式橋以渡小溪，使用的懸索有豎直的?斜拉的，還有兩者混合的，這就是早期懸索橋的雛形?17 世紀出現(xiàn)了最初利用鐵鏈作為懸索的橋梁，又如，1706 年在我國四川省大渡河上建成的由9 根鐵鏈組成的瀘定橋;另據(jù)文獻史料記載，1734 年薩克森的軍隊遠征但澤，途徑奧得河時，修建了西方第一座臨時鐵索橋;1741 年英國建成一座鐵鏈懸索橋，其跨度為21.34m，使用了61 年，毀壞于1802 年?而利用鋼纜繩?鋼鉸線和鋼絲等現(xiàn)代鋼材制造的懸索橋基本是進入20世紀后才出現(xiàn)的?
1.2.2 現(xiàn)代懸索橋
現(xiàn)代懸索橋的發(fā)展經(jīng)歷了四次高峰?第一次發(fā)展高峰(以美國為代表)在20 世紀30 年代，以1931 年建成的紐約喬治 華盛頓(George Washington)橋(跨度首次突破千米，主跨1067m)和1937 年建成的舊金山金門(Golden Gate)大橋(主跨1280m)為代表，曾保持世界最大跨度記錄達27 年之久?
在經(jīng)歷了1940 年美國華盛頓州塔科馬(Tacoma)老橋的風毀事故之后，大跨度懸索橋的修建停頓了10 年之久?但在此期間，針對懸索橋的抗風設計，引入了風洞試驗而使懸索橋的發(fā)展在20 世紀50 年代得到復蘇，并在20 世紀60 年代進入第二次發(fā)展高峰(以美國和歐洲為代表)?在20 世紀60 年代建成了三座跨度超過千米的大橋，分別為1964年在紐約建成的維拉扎諾海峽(Verrazano-Narrows)橋(主跨1298m，超過金門大橋18m)?1964 年英國在蘇格蘭建成的福斯(Foth)公路橋(主跨1006m)?1966 年在葡萄牙首都里斯本建成的4 月25 日大橋(主跨1013m)?第二次發(fā)展高峰以美國的維拉扎諾海峽橋(主跨1298m)和英國的塞文(Seven)橋(主跨988m，首次采用鋼箱梁與斜吊橋而聞名)為代表?其中，前者為美國流派，后者為新型的英國流派?
在20 世紀七八十年代建成千米以上的大跨度懸索橋共有4 座，形成懸索橋發(fā)展史中的第三次高峰(以歐洲和日本為代表)，以1981 年英國建成的恒伯爾(Humber)橋(主跨1410m，破記錄)與1988 年在日本建成的南備贊大橋(主跨1100m，其公路鐵路合用的荷載規(guī)模與結(jié)構(gòu)規(guī)模當時為世界第一)為代表?
進入20 世紀90 年代，首先是1998 年日本在本州-四國聯(lián)絡橋的后期建設中出現(xiàn)再度破跨度記錄的神戶至鳴門線上的明石海峽大橋(主跨 1990m)，以及尾道至今治線上的來島一橋?二橋和三橋，其中來島二橋(主跨1020m)和三橋(主跨1030m)的主跨都超過千米;其次是20 世紀90 年代初，中國也進入發(fā)展懸索橋的隊伍之中，例如，在20 世紀末建成的江陰長江大橋(主跨1385m)和1998 年建成的香港青馬大橋(主跨1377m)分別進入世界大跨度橋梁序列中第四和第五位?在20 世紀90 年代修建的跨度超過千米的懸索橋有7 座(其中亞洲有5 座，歐洲有2 座)?從此，懸索橋的發(fā)展中心已從歐美移到亞洲，形成了懸索橋建設的第四次發(fā)展高峰?
1.2.3 懸索橋的發(fā)展趨勢
懸索橋的發(fā)展歷史證明，纖巧美觀的懸索橋是特大跨徑橋梁的合理結(jié)構(gòu)形式，當今排名世界前十跨度的大橋都是懸索橋，專家分析今后懸索橋的跨徑有望超過3000m?在21 世紀，懸索橋技術將會不斷向前發(fā)展并廣泛運用到建橋?qū)嵺`中，其設計理論將會得到不斷完善，懸索橋的橋型將會得到不斷創(chuàng)新?
現(xiàn)代橋梁跨度的不斷增大與材料科學的進步是密不可分的?隨著工業(yè)技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的新型材料，如纖維增強聚合物復合材料，這類材料強度高?質(zhì)量輕，其中的碳纖維增強樹脂強度達到3000MPa，而質(zhì)量僅為鋼材的 1/5?但這類高強材料如果用到大跨度懸索橋上，由于其自身重量小?重力剛度小，只有通過增加加勁梁和橋面系的重量，才能使得懸索橋達到一定的剛度，否則高強材料很難發(fā)揮作用，因此需要研究新型的結(jié)構(gòu)體系，才能充分發(fā)揮材料的抗拉性能?可以預見，隨著高強材料的應用?新型結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)，懸索橋橋梁的跨度將會進一步增大?
1.2.4 世界懸索橋現(xiàn)狀
迄今，美國?英國和日本是世界上的懸索橋大國，全球各類懸索橋的總數(shù)已超過100座?盡管美國在20 世紀60 年代之后修建的懸索橋相對較少，但它還是擁有與修建懸索橋最多的國家，其建成的跨度超過千米的懸索橋已有4 座，跨度超過500m 的有15 座以上?美國在懸索橋的發(fā)展上用了近百年的時間，技術相對成熟，為世界懸索橋的發(fā)展奠定了基礎?
美國?英國和日本這三大懸索橋大國，在設計和風格等方面隨時代的發(fā)展各具特色，并自成流派?美國懸索橋的特點:①主纜采用AS 法架設;②加勁梁采用非連續(xù)的鋼桁梁，適應雙層橋面，并在橋塔處設有伸縮縫;③橋塔采用鉚接或栓接鋼結(jié)構(gòu);④吊橋采用豎直的4 股騎跨式;⑤索夾分為左右兩半，在其上下采用水平高強螺栓緊固;⑥鞍座采用大型鑄鋼鐵;⑦橋面板采用RC 構(gòu)件?
英國懸索橋的特點:①采用流線型扁平鋼箱梁作為加勁梁;②早期采用鉸接斜吊索，后期改為豎直吊索;③索夾分為左右兩半，在其兩側(cè)采用垂直于主纜的高強螺栓緊固;④橋塔采用焊接鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);⑤鋼橋面板采用瀝青混合料鋪裝?
日本懸索橋的特點:①采用預制平行鋼絲索固架設主纜，簡稱PWS 法;②加勁梁主要沿襲美國流派的鋼桁梁形式，但近年來對非雙層橋面的梁體已轉(zhuǎn)向采用流線型扁平鋼箱梁;③吊橋采用豎直的4 股騎跨式，不接受英國流派的斜吊索;④橋塔采用鋼結(jié)構(gòu)，主要采用焊接方式;⑤鞍座采用鑄焊混合方式;⑥采用鋼橋面板瀝青混合鋪裝橋面;⑦主纜索股與錨碇內(nèi)鋼構(gòu)架采用預應力工藝錨固?
除了美國?英國和日本三個懸索橋大國，世界其他國家(包括中國)對加勁梁基本上采用英國流派的流線型扁平鋼箱梁形式，而對吊索仍然保持美國流派的豎直形式?表1-1 給出世界各國已建成的大跨度懸索橋的概要資料，供讀者參考?
1.3 懸索橋的類型與構(gòu)造
1.3.1 懸索橋的基本類型
懸索橋又名吊橋，指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁?其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線?從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設置加勁梁，與纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形?
懸索橋的構(gòu)造方式是19 世紀初發(fā)明的，現(xiàn)在許多橋梁使用這種結(jié)構(gòu)形式?現(xiàn)代懸索橋是由索橋演變而來的，適用范圍以大跨度及特大跨度公路橋為主，當今大跨度橋梁全采用此結(jié)構(gòu)?
懸索橋的類型一般按懸吊跨數(shù)?主纜錨固方式和懸吊方式等方面加以分類?
1)按懸吊跨數(shù)分類
按懸吊跨數(shù)可分為單跨懸索橋?三跨懸索橋?四跨懸索橋和五跨懸索橋?其中，單跨懸索橋和三跨懸索橋最為常用?
(1)單跨懸索橋?單跨懸索橋常用于高山峽谷地區(qū)，兩岸地勢較高，采用橋墩支承邊跨更為經(jīng)濟，或者道路的接線受到限制，使得平面曲線布置不得不進入大橋邊跨?就結(jié)構(gòu)特性而言，單跨懸索橋由于邊跨主纜的垂度較小，主纜長度相對較短，對中跨荷載變形控制更為有利?
(2)三跨懸索橋?三跨懸索橋是當今實際工程中采用最多的橋型，世界上大跨度懸索橋幾乎都采用此種橋型，一方面其結(jié)構(gòu)受力特性比較合理，另一方面其流暢對稱的建筑造型更能迎合人們的審美觀念?
(3)多跨橋懸索橋?相對于三跨懸索橋，四跨或五跨懸索橋又稱為多跨懸索橋?鑒于此類橋型結(jié)構(gòu)柔性大?固有振動頻率較低，難以滿足特大跨度懸索橋的受力及控制變形的剛度需要，也就不具備實際采用的優(yōu)勢，目前世界上還沒有此類橋型的特大跨度橋的工程實例?
2)按主纜的錨固方式分類
按照錨固的形式來分，懸索橋主要有自錨式懸索橋和地錨式懸索橋兩種?地錨式懸索橋錨于重力式混凝土塊或巖洞中混凝土錨塊上，錨于重力式混凝土塊上的錨碇稱為重力式錨碇，錨于巖洞中混凝土錨塊上的錨碇稱為隧道式錨碇?
(1)自錨式懸索橋?自錨式懸索橋的主纜在邊跨兩端將主纜直接錨固于加勁梁上，主纜的水平拉力由加勁梁提供，軸向壓力自相平衡，無需另外設置錨碇?在較小跨度的懸索橋中，也有以自錨式錨固主纜的?但是由于此種橋型的加勁梁要先于主纜安裝施工，實踐中因施工困難?經(jīng)濟性較差，一般極少推薦采用?
(2)地錨式懸索橋?目前已建或在建的絕大多數(shù)懸索橋均采用地錨式錨固主纜?地錨式懸索橋的主纜通過重力式錨碇或隧道式錨碇將荷載產(chǎn)生的拉力傳至地基來達到大橋的受力平衡?此類錨固形式也是大跨度懸索橋最佳的受力方式?
此外，從懸吊方式上分還有雙鏈式和斜拉-懸吊混合形式的懸索橋?前者用于中小跨度的懸索橋，后者作為發(fā)展特大跨度懸索橋，學術界也進行了探討?
1.3.2 懸索橋的構(gòu)造
懸索橋上部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件為橋塔?主纜和加勁梁，以及吊索?鞍座?索夾等，而主纜兩端的錨碇(錨固體)通常視為下部結(jié)構(gòu)?
橋塔也稱為主塔，它是支撐主纜的主要構(gòu)件?懸索橋的荷載(含活載和恒載)通過主塔傳遞到下部的塔墩和基礎?主纜是通過塔頂鞍座懸掛在主塔上，并錨固于兩端錨固體的柔性承重構(gòu)件?主纜本身又通過索夾和吊索承受活載及加勁梁和橋面的恒載，此外，還受部分橫向風荷載并將其傳遞到塔頂?
索夾是主纜和吊索的連接件，位于每根吊索和主纜的連接結(jié)點上?索夾以套箍的形式緊固在主纜上，它在主纜上夾緊后產(chǎn)生一定的摩阻力來抵抗滑移，由此可固定吊索與主纜的結(jié)點位置，同時也是固定主纜外形的主要措施?
吊索是將活載和恒載(含加勁梁和橋面)通過索夾傳遞到主纜的構(gòu)件?吊索的上端
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