橋梁下部結(jié)構(gòu)施工方法進(jìn)展比較少，傳統(tǒng)的工法一直延續(xù)到新世紀(jì)。其中氣壓沉箱幾乎絕跡，20世紀(jì)興起的工法有地下連續(xù)墻、沉入管柱、鉆孔灌注樁，在特殊環(huán)境中人工凍土也有采用。本節(jié)只介紹地下連續(xù)墻和人工凍土，其他工法可以很方便的找到技術(shù)資料。
20世紀(jì)60年代鉆孔灌注樁工法在中國(guó)掀起高潮，幾乎完全替代了打入樁、沉井，占領(lǐng)了百米以內(nèi)的所有的橋梁深基礎(chǔ)，和雙曲拱橋一起為中國(guó)交通建設(shè)立下了汗馬功勞。
1、地下連續(xù)墻工法
深水基礎(chǔ)氣壓沉箱工法也很少使用，沉井使用較多（圖17）；鉆孔灌注樁是用鉆機(jī)在地下鉆成圓孔成樁，作為基礎(chǔ)；地下連續(xù)墻是用鉆機(jī)在地下連續(xù)鉆孔，削成多邊形孔，若干個(gè)多邊形孔連續(xù)起來(lái)成墻，幾道墻可以圍成一個(gè)封閉的空間，挖除空間內(nèi)的土（可能要抽水）澆注橋梁基礎(chǔ)。圖18是連續(xù)墻施工示意圖。先把圍水結(jié)構(gòu)全部完成再挖土，所以說(shuō)地下連續(xù)墻是逆作圍堰，它可以保證挖土工序是有完整支護(hù)的；而沉井是挖土同時(shí)下沉，工作面是無(wú)支護(hù)的。
2、人工凍土工法
人工凍土工法是用循環(huán)低溫鹽水冷卻地基一直到地基孔隙土結(jié)冰，形成凍結(jié)帷幕，然后在凍結(jié)帷幕內(nèi)挖土鑿巖，澆注基礎(chǔ)。
（1）鳳臺(tái)淮河斜拉橋，1984年鳳臺(tái)淮河斜拉橋北岸沉井落床后，井外河水從刃腳涌入，
圖19 鳳臺(tái)淮河斜拉橋人工凍土工法
巖層裂隙也與河水連通，無(wú)法抽水鑿巖。后采用人工凍土工法，連同土島和基巖凍成一個(gè)冰殼——凍結(jié)帷幕，成功封水。抽干水后，用風(fēng)鎬在100MPa石灰?guī)r中鑿出φ7.6m深7m的孔，澆鑄砼成剛性嵌巖基礎(chǔ)嵌入基巖中（圖19）。此后，還為后面兩個(gè)工程作了技術(shù)咨詢，并參與施工方案制定。
（2）潘陽(yáng)湖大橋，1990年潘陽(yáng)湖大橋也采用了人工凍土工法成功完成了鉆孔灌注樁。
（3）潤(rùn)揚(yáng)大橋，國(guó)內(nèi)最大的凍土工程是2003年潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋南錨的人工凍土基礎(chǔ)（圖20、21）。作者參與了這兩個(gè)工程的人工凍土工法決策過(guò)程，和施工方案咨詢，介紹了鳳臺(tái)橋凍土工程的施工組織。因?yàn)闈?rùn)揚(yáng)鏟江大橋南錨靠近長(zhǎng)江大堤，若采用沉井工法，挖除井內(nèi)土壤時(shí)，井外大堤下土層可能會(huì)‘流入’井內(nèi)，導(dǎo)致毀堤。而當(dāng)時(shí)地下連續(xù)墻設(shè)備只有一套，用在北錨。只能選擇人工冷凍工法，（1）先在基坑周圍鉆成一排鉆孔樁，（2）樁外打入冷卻管，（3）冷凍成殼，（4）逐層挖土，同時(shí)在排樁內(nèi)側(cè)逐層澆注框架，直至達(dá)到基底標(biāo)高，（5）清底澆注基礎(chǔ)。在整個(gè)挖土過(guò)程中凍土帷幕內(nèi)無(wú)液態(tài)水，全部干作業(yè)，這是其他任何工法都做不到的。
在凍土殼和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)傳感器，觀測(cè)分析結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力，緊急情況動(dòng)用應(yīng)急液氮。確有一次分析觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)有凍土蠕動(dòng)的征兆，隨即啟動(dòng)預(yù)案，灌入液氮，解除了可能的位移。
圖20 潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋人工凍土工法——示意圖
圖21 潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋人工凍土工法——凍土帷幕內(nèi)砼框架和液氮預(yù)案
3、 懸索橋錨碇樁式基礎(chǔ)展望
摘 要：懸索橋錨碇可以采用群樁基礎(chǔ)替代常用的重力式基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)已建成工程實(shí)例的分析證明大直徑群樁比小直徑群樁剛度大，抵抗水平荷載能力更強(qiáng)。對(duì)馬鞍山長(zhǎng)江大橋群樁基礎(chǔ)錨碇方案的分析，表明錨碇的水平位移可以滿足大跨懸索橋正常工作地需要，樁側(cè)土體應(yīng)力在彈性范圍之內(nèi)，不至于產(chǎn)生蠕變。為進(jìn)行以上分析，建立了考慮摩擦滑動(dòng)的樁土單元用有限單元逐次分析法計(jì)算，用編制的計(jì)算程序計(jì)算得到的結(jié)果可信。并建議完善現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范樁基計(jì)算參數(shù)。
3．1 懸索橋錨碇基礎(chǔ)形式
懸索橋錨碇基礎(chǔ)形式可歸納于表2。常用的有重力式錨碇和隧道式錨碇，隧道式錨碇實(shí)際上將山體作為基礎(chǔ)。重力式錨碇多采用沉井或圍堰圍水開(kāi)挖再澆筑重力式基礎(chǔ)，現(xiàn)代已很少使用沉箱。近代懸索橋開(kāi)挖時(shí)采用的逆作圍堰形式有地下連續(xù)墻、人工凍土帷幕（潤(rùn)楊大橋南錨），在圍堰中明挖基坑，澆注重力式基礎(chǔ)。只有在覆蓋層不厚的情況下才能用直接明挖基坑。這些工法的水（地）下開(kāi)挖工作量很大，工作環(huán)境惡劣。
實(shí)際上還有一種錨碇的輕型基礎(chǔ)形式——樁基礎(chǔ)，在國(guó)外已有采用，由于工程實(shí)例少，在國(guó)內(nèi)很少被人注意。以至于這種施工方便的基礎(chǔ)形式被認(rèn)為不適合用于錨碇基礎(chǔ)，擔(dān)心在運(yùn)營(yíng)期會(huì)產(chǎn)生過(guò)量水平位移影響結(jié)構(gòu)安全。基于三維理想彈塑性Mohr—Coulomb模型的有限元分析證明這是可以避免的[4]，但是這種計(jì)算模型的參數(shù)取用與規(guī)范的方法理論基礎(chǔ)不同，難以為常規(guī)設(shè)計(jì)接受。本文以馬鞍山長(zhǎng)江大橋的一個(gè)設(shè)計(jì)方案為對(duì)象，嘗試用常規(guī)方法計(jì)算樁式基礎(chǔ)錨碇的水平位移、豎向位移和樁側(cè)土體應(yīng)力所處的力學(xué)狀態(tài)，驗(yàn)證三維理想彈塑性模型的結(jié)論，為樁基錨碇常規(guī)設(shè)計(jì)建立一個(gè)可供選擇的方法。
3．2 打入樁式錨碇基礎(chǔ)工程實(shí)例
3．2.1 Vincent Thomas橋
樁式錨碇基礎(chǔ)工程在美國(guó)早有采用，典型的工程是1997年在洛杉磯建成的Vincent Thomas懸索橋錨
碇基礎(chǔ)。采用188根樁，其中前3排中有26根直樁，其余都是5：12的斜樁，見(jiàn)圖22。
3．2.2 New Carquinez 橋
2002年在加利福利亞建成的三跨懸索橋New Carquinez橋[2]（或稱Third Carquinez 橋，官方命名為 Alfred Zampa Memorial橋）。橋跨為147 m+728 m+181 m，橋面寬度25.6 m，6個(gè)汽車道加人行和自行車道，見(jiàn)圖23。
圖23 New Carquinez橋
該橋位于San Francisco海灣，高地震帶，水深約27 m，覆蓋層約15 m到24 m厚。風(fēng)化巖（weathered rock）上的覆蓋層是軟土(soft clay)，松沙(loose sand)。地下水位高，地震時(shí)沙土可液化。
因?yàn)槟襄^離原有的2座老橋太近不能過(guò)多的擾動(dòng)地基土，放棄了沉井方案，改用樁基。設(shè)計(jì)樁基為380×φ0.76 m CISS管樁群（Cast-in-situ-steel Pipe Piles），為抵抗纜索的拉力，其中1:3斜樁占55%，樁中心距為2.63倍樁徑（圖24）。
設(shè)計(jì)者EMI(Earth Mechanices Inc.)用三維非線性有限單元法解析樁基支承土層的工作狀況?？紤]了作用在錨碇基礎(chǔ)上的重力、錨索的作用以及地震的周期荷載引起的基礎(chǔ)初始位移和永久位移。計(jì)算取得的數(shù)據(jù)，作為樁基底部沖剪（punching shear）設(shè)計(jì)的依據(jù)。
3．3 樁群基礎(chǔ)分析
對(duì)New Carquinez橋南錨，用常規(guī)平面剛架有限元法計(jì)算，樁側(cè)土約束采用基于溫克爾地基梁理論的三次基樣條單元?jiǎng)偠染仃嘯3]，不計(jì)樁壁摩阻力。分析樁的布置、直徑、土體效應(yīng)對(duì)錨碇位移的影響。
3．3.1 結(jié)構(gòu)和布置分析
由圖3得到的計(jì)算簡(jiǎn)圖示于圖25中第1種布置方式，在土層全部液化不能承受水平荷載的極端環(huán)境下， 100 000 kN纜索拉力作用，得到散索鞍的位移如表2。同樣可以計(jì)算圖25中第2種布置方式的散索鞍位移，因?yàn)榇蛉霕兜臉都夂茈y固結(jié)在支承巖層中，全部直樁的水平位移不可接受，必須用斜
設(shè)計(jì)者EMI(Earth Mechanices Inc.)用三維非線性有限單元法解析樁基支承土層的工作狀況?？紤]了作用在錨碇基礎(chǔ)上的重力、錨索的作用以及地震的周期荷載引起的基礎(chǔ)初始位移和永久位移。計(jì)算取得的數(shù)據(jù)，作為樁基底部沖剪（punching shear）設(shè)計(jì)的依據(jù)。
3．3 樁群基礎(chǔ)分析
對(duì)New Carquinez橋南錨，用常規(guī)平面剛架有限元法計(jì)算，樁側(cè)土約束采用基于溫克爾地基梁理論的三次基樣條單元?jiǎng)偠染仃嘯3]，不計(jì)樁壁摩阻力。分析樁的布置、直徑、土體效應(yīng)對(duì)錨碇位移的影響。
3．3.1 結(jié)構(gòu)和布置分析
由圖3得到的計(jì)算簡(jiǎn)圖示于圖25中第1種布置方式，在土層全部液化不能承受水平荷載的極端環(huán)境下， 100 000 kN纜索拉力作用，得到散索鞍的位移如表2。同樣可以計(jì)算圖25中第2種布置方式的散索鞍位移，因?yàn)榇蛉霕兜臉都夂茈y固結(jié)在支承巖層中，全部直樁的水平位移不可接受，必須用斜樁群。
圖25 樁群基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和布置（單位：m）
如果按圖25第3種圖示，在同樣的基底面積中布置42×φ3 m大直徑鉆孔灌注樁群，樁中心距取2倍樁徑，散索鞍位移計(jì)算結(jié)果也列在表3中。其水平位移大大小于斜樁基礎(chǔ)；其豎向位移也比較小?？梢?jiàn)，大直徑樁群的剛度比小直徑斜樁群還要大，抵抗纜索拉力的效果更好。如果采用可鑿巖鉆機(jī)或采用沉管工法，還可以達(dá)到樁尖固結(jié)的效果。輔助優(yōu)質(zhì)泥漿薄沉淀工藝和樁底壓漿工藝也可以有效提高樁尖支承能力。所以從抵抗水平位移的角度來(lái)說(shuō)大直徑樁群應(yīng)該是首選方案，可能是由于設(shè)備周轉(zhuǎn)原因該橋選用了打入斜樁群錨碇基礎(chǔ)，而在塔柱基礎(chǔ)采用了φ3 m大直徑鉆孔灌注樁群。因此，后面敘述的馬鞍山長(zhǎng)江大橋錨碇基礎(chǔ)采用大直徑管柱的方案是有理論基礎(chǔ)的。
3．3.2 土層作用分析
當(dāng)計(jì)入土體的水平抗力，即使是全部直樁的情況下，在比較差的土層中，不計(jì)樁壁摩阻力，其散索鞍位移也是可以接受的，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn)土體水平抗力對(duì)抵抗樁式錨碇水平位移是有效的，但是該橋土體可液化，所以采用了斜樁群，用群樁結(jié)構(gòu)承受水平索力，把土體的水平抵抗作用降到最低。
3．4 沉入管柱
在馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋的設(shè)計(jì)中曾對(duì)沉入管柱用于懸索橋錨碇基礎(chǔ)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究工作，方案之一是采用18×φ6 m的管柱呈梅花形排列，結(jié)構(gòu)和布置見(jiàn)圖264]。
3．4.1 基本參數(shù)
地基土層基本參數(shù)見(jiàn)表5，依據(jù)現(xiàn)行《中國(guó)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（簡(jiǎn)稱《中路規(guī)》）并參考《日本道路橋示方書(shū)》[5]（簡(jiǎn)稱《日橋規(guī)》）的取值方法。
（1）樁側(cè)水平約束彈性地基系數(shù)按《中路規(guī)》推薦的“非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)”m的最大值取用kH=ym，y為埋置深度。對(duì)于kH中、日規(guī)范有一定出入，《中路規(guī)》取值在稍軟土層中偏小，硬土層中偏大；（2）樁底豎向約束彈性地基系數(shù)按規(guī)范推薦的“非巖石地基樁端處豎向抗力系數(shù)的比例系數(shù)”m0的最大值取用kV=ym0。中、日規(guī)范二者的kV相差較大，《中路規(guī)》幾乎是《日橋規(guī)》的3倍，如果m0取最小值kV=1 731(103kN/m3)才與日規(guī)接近。（3）對(duì)樁側(cè)豎向約束彈性地基系數(shù)kSVB《中路規(guī)》無(wú)推薦值，按《日橋規(guī)》取用kSVB =0.3kH。
此外，中規(guī)對(duì)比例系數(shù)m和m0的推薦值的條件是在地面處位移不大于6 mm，而錨碇的水平位移可以達(dá)到100 mm，隨著水平位移增加比例系數(shù)呈雙曲線形減小，因此需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，找到與水平位移相關(guān)的比例系數(shù)或比例系數(shù)的折減系數(shù)。不失一般，可以認(rèn)為《中路規(guī)》推薦比例系數(shù)m對(duì)應(yīng)的是試樁地表水平位移6 mm，根據(jù)‘樁的地表位移×比例系數(shù)=常數(shù)’的雙曲函數(shù)取用比例系數(shù)的計(jì)算值。
3．4.2計(jì)算方法
采用平面桿系有限單元分級(jí)逐次加載法，樁土單元?jiǎng)傟囉洖閇K]，
[K]=[K0]+[KH]+[KV]
式中，[K0]是樁身彎曲和壓縮平面剛架單元?jiǎng)傟?。[KH]樁側(cè)土法向約束剛陣，采用基于溫克爾地基梁理論的三次基樣條單元?jiǎng)偠染仃嘯3]。[KV]樁側(cè)土沿樁長(zhǎng)切向約束剛陣（摩擦元），6×6的[KV]元素kVij=δ（i=j =1 or 4），其余kVij=0；δ是單元摩阻剛度的一半，當(dāng)計(jì)算摩阻力大于或等于容許值時(shí)下一計(jì)算階段δ=0，容許摩阻力和容許承載力見(jiàn)表6，作用機(jī)理見(jiàn)圖27。
為便于計(jì)入樁底與彈性地基之間的作用，在樁底水平設(shè)置一根大剛度的彈性地基梁，梁與地基接觸面積與樁底面積等效。
根據(jù)這個(gè)計(jì)算模型用Matlab7.0編制了專用計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算時(shí)需要用逐次迭加法，并累計(jì)各階段、各節(jié)點(diǎn)摩阻力和位移，用圖形輸出。
3．4.3位移和反力分析
將所有荷載轉(zhuǎn)換到承臺(tái)頂面中心處，水平荷載H=53 760 kN，豎向荷載N=1289 660 kN，力矩M=-1389 560 kN·m。并將M折算為偏心矩為e=M/N=-1.078 m的N，以簡(jiǎn)化加載信息，計(jì)算3個(gè)工況列入表7。
（1）工況1，取《中路規(guī)》第i層m(i)按深度修正，并按《日橋規(guī)》計(jì)入樁側(cè)豎向約束彈性地基系數(shù)kSVB(i)；結(jié)果樁頭（地面附近）水平位移達(dá)到12.70 mm大于6 mm，按《中路規(guī)》需要適當(dāng)降低m的取值。
（2）工況2，在工況1的基礎(chǔ)上，按“樁的地表位移×比例系數(shù)=常數(shù)”的雙曲函數(shù)，對(duì)m折減，預(yù)計(jì)實(shí)際水平位移在30 mm左右，相對(duì)于水平位移6 mm時(shí)比例系數(shù)m折減到20%，計(jì)算結(jié)果為32.55 mm與假設(shè)相當(dāng)?？紤]到隨著深度增加水平抗力貢獻(xiàn)減小，所以不再對(duì)不同深度的土層選用與該深度水平位移相應(yīng)的折減系數(shù)，而偏于保守的統(tǒng)一使用了較大的地表折減系數(shù)。圖28中給出了工況2，豎向荷載和力矩分5×10個(gè)階段、水平荷載分5個(gè)階段加載的計(jì)算位移。
圖29中計(jì)算樁壁對(duì)土層的水平壓力（□）基本上在地基承載力基本容許值（○）范圍之內(nèi)，可見(jiàn)該壓應(yīng)力在彈性范疇，不至于由土層蠕變產(chǎn)生水平位移增量。
圖30中分別為樁壁摩阻力控制在上、下限（○）以內(nèi)的圖式。其中（*）和（Δ）分別是首先施加豎的向荷載和后續(xù)施加的水平荷載產(chǎn)生的各階段摩阻反力。由于局部滑動(dòng)，土層的摩阻效應(yīng)并不能處處充分發(fā)揮，而且各土層摩阻反力的增長(zhǎng)也是不均衡的。kSVB高的土層增長(zhǎng)速度快，摩阻力很快達(dá)到限值，滑動(dòng)；剛性約束附近或kSVB突變的土層附近增長(zhǎng)速度慢，甚至達(dá)不到限值，不能充分發(fā)揮摩阻作用。
與圖9相對(duì)應(yīng)的樁底承載應(yīng)力圖畫(huà)在圖31中，兩側(cè)柱狀圖是樁底土層的容許承載力下限和上限，中間為5排樁底的土層應(yīng)力。圖31中柱狀圖的各種灰度代表著不同加載階段的應(yīng)力，中間最亮的細(xì)條是最終累計(jì)結(jié)果。以容許摩阻力上限為控制目標(biāo)的樁底應(yīng)力是可以接受的，以容許摩阻力下限為控制目標(biāo)的樁底應(yīng)力尚嫌偏大，需要采用改善樁壁容許摩阻力的措施，所以在[4]中提出了樁壁頂出根鍵的新工藝。
圖31 樁底土層的應(yīng)力
（3）工況3，不計(jì)樁側(cè)豎向約束彈性地基系數(shù)，檢驗(yàn)其對(duì)水平位移的影響。由工況3與工況2計(jì)算的水平位移結(jié)果對(duì)比可以看到，樁基的豎向約束與水平位移的耦合效應(yīng)很弱，基礎(chǔ)的豎向承載力可以與橫向承載能力分離計(jì)算。
3．5 結(jié) 論
（1）樁（柱）基錨碇在很多情況下比沉井施工方便，幾乎不需要水（地）下作業(yè)而且價(jià)格低廉，應(yīng)該予以重視。
（2）通過(guò)摩擦滑動(dòng)樁土單元計(jì)算分析，管柱基礎(chǔ)的錨碇在纜索水平力的作用下水平位移小于100 mm，對(duì)于大跨徑懸索橋是可以接受的；樁壁對(duì)土的壓應(yīng)力在地基承載力基本容許值的控制范圍之中，仍處在彈性狀態(tài)，不至于產(chǎn)生后期土體蠕變導(dǎo)致錨碇水平位移的增加，這種結(jié)構(gòu)是安全的。
（3）《中路規(guī)》需要增列樁基礎(chǔ)前方水平向、樁底豎向、樁側(cè)豎向地基反力系數(shù)取值方法，完善實(shí)用計(jì)算的基本參數(shù)。
