1.引言
高等级公路的中小桥梁普遍采用桩柱式墩台、桩基础。较为常规的做法是在桩顶设置承台与柱相 连或是在桩柱顶设帽梁，这两种方案均不失为较好的墩、台型式。但随着近年来我国公路与城市道路 的迅速发展，互通式立交、枢纽内的桥梁越来越多，且与被交道路多为斜交，若一跨跨越被交路，主梁建筑高度增加，将影响到桥梁的长度以及主线的填土高度。因此只要条件许可，一般采用在被交叉道路中央分隔带内设置桥墩，以缩短桥跨，从而降低主梁建筑高度，减少工程投资。若采用多柱式桥墩，尤其是设置在被跨道路的中央分隔带内，既不美观也不利于高速行车。
2.工程概况
某高速公路上的互通式立交，匝道全长3.09km，共设3座桥梁，13道涵洞、通道，1处匝道收费站。在该互通式立交中，匝道桥上跨高速公路，上部结构为搭支架现浇的斜交预应力混凝土连续箱梁桥，斜度为25°，全长105.06m，跨径组合为20m+30m+30m+20m，下部为柱式墩，挖孔桩基础、肋板式台、扩大基础(见图1)。其设计技术指标如下：
桥面宽度：双向车道，全宽16m；
车辆荷载：汽车-超20，挂-120；
地震烈度：基本烈度为7度，按8度设防；
桥下净空：按高速公路要求，净高5.0m。
3.地质概况
桥位处地质概况：第一层为路基填土，厚1.0m；第二层为可硬塑状亚粘土，厚1.4m：第三层为碎石土，硬塑粘土--亚粘土夹10%碎石，厚3.6m；第四层为棕红色强风化泥岩，已风化成土状，厚3.5m；第五层为弱风化泥岩，棕红色，裂隙发育，间夹粉砂岩，厚1.9m；第六层为弱风化粉砂质泥岩，棕红--灰紫色。岩芯基本完整，厚2.6m；第七层为微风化粉砂质泥岩，岩芯完整，有少量裂缝发育(见图2)。
4.桩身结构设计
通过地质资料分析，对中墩及基础型式进行优化，提出了双柱墩、独柱墩、双排桩基础、单排桩基础等型式．最终采用无承台大直径挖孔桩，桩径为2.2m，独柱墩，柱径为1.8m。这种型式在江苏尚为首例，在国内亦不多见。与其他型式相比较，其主要特点如下：
(a)无承台可节省承台及部分桩基础工程量(桩基受力更为明确),经济效益显著；
(b)能减少开挖承台对已实施的高速公路路基的不良影响，有利于高速公路通讯管线的布置；
(c)对司机视觉影响小，有利于高速行车；
(d)桥下空间通透，外形比较美观。
独柱墩墩顶设固定支座，其余各墩、台均为活动支座，共考虑如下四种水平力：
(a) 温度及砼收缩、徐变影响，由于结构对称，近似认为中墩受温度、砼收缩、徐变等影响，所受水平力H
l=0；
(b)汽车制动力，考虑最不利情况，活动支座均已滑动，制动力由中墩承受，按四车道布载，求得制动力H
2=330kN；
(c)汽车撞击力，由于波形护栏离墩较近，汽车撞击力较大，参照国外有关规定，考虑汽车撞击力H
3=500kN，作用点距地面1.2m；
(d)顺桥向地震力，南京地区基本烈度为7度，按8度设防，最不利情况为活动支座滑动，连续梁随固定支座的桥墩振动，但须考虑墩顶活动支座的摩擦阻尼对地震力的折减，可得H
4=410kN。
由此可得桩顶总水平力H=1240kN，弯矩=4474kN·m。墩顶垂直力用空间梁格法，支座采用桁架单元模拟求得。中墩处恒载反力为8696kN，最大活载反力为1235kN。
桩身内力采用m法，计算模式如下页图3所示，桩柱顶假设为铰接，采用m法计算桩身截面内力。现行规范中取地面以下h=2(d+1)m深度内各层土的平均m值作为整个深度的m值(d为桩径)。但当大直径桩及桩侧各层土的力学性质有很大变化时,应按多层地基考虑。将桩按其刚度不同划分为n层，使各层具有相同的地基系数及抗弯刚度，建立桩的挠曲微分方程：
式中，(E1)
i为第i个桩基处的刚度；X
i为第i个桩基处的水平位移；z
i4为第i个桩基处的垂直位移；q
i为第i个桩基处水平应力。
将桩尖矩阵X
n =F
n·F
n-1…F
i…
F2·F
1·X
0=E·X
0展开为（推导过程略）：
式中，X
0、φ
0、M
0、Q
0 分别为桩地面处位移、转角、弯矩和水平力，X
n 、φ
n、 M
n、Q
n 为桩底处水平位移、转角、弯矩和水平力。 Q
n、M
n可按结构力学方法算得，由桩底边界条件：
X
n =0， φ
n=0
可求得桩最大弯矩M=6952kN·m，桩顶的水平位移为0.78cm，最大水平压应力为246kPa，均满足要求。桩身弯矩如图4所示，据此对偏心受压构件进行桩柱配筋设计及强度验算。
设计桩长时,考虑到第六层为软质岩石，遇水极易软化，而岩石软化会使桩端阻力及桩侧摩阻力显著降低，因此设计中将第七层作为桩端持力层。由桩身内力可得桩在岩层表面处弯矩值M
H，作如图5所示假设，即忽略嵌固处水平剪力的影响，桩在岩层表面处弯矩M
H作用下，绕嵌入深度h的1/2处转动：不计桩底与岩石的摩阻力；不考虑桩底抵抗弯矩，由桩侧岩层产生的水平抗力平衡。同时考虑到桩侧为圆柱状曲面。其四周受力不均匀，假定最大应力为平均应力的1.27倍。根据静力平衡条件(ΣM=0)，便可得出下式：
为了保证桩在岩层中嵌固牢靠，要求桩体对桩周岩层产生的最大侧向压应力σ
max不应超过岩石的侧向容许抗力
(其中K为安全系数，且K=2)，得圆形截面柱嵌入岩层最小深度的计算公式如下：
式中，β为抗压强度折减系数；R
c为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度。
由于桩顶水平力较大，故设计桩底嵌岩深度为3.0m，以增加桩基的稳定性和承载能力。
5.结论
该互通立交已竣工，高大的混凝土桥墩稳健地托起平缓舒展、看上去薄如蝉翼的桥面板，反映了内部力的传递顺序，表达了结构与外形的统一，具有良好的真实感。由于设计手段的完善，施工技术的发展，具有显著优点的无承台大直径桩基础正在悄然兴起。上述计算方法应用在互通式立交桥中取得了良好的效果。
参考文献
【1】凌治平，基础工程[M]，北京 人民交通出版社 1986。
【2】匡文起，结构矩阵分析和程序设计[M]，北京 高等教育出版社 1991。
【3】JTJ 024—85，公路桥涵地基与基础设计规范[S]。
【4】胡人礼，桥梁桩基础分析和设计[M]，北京 中国铁道出版社1987。
