時速200 km鐵路橋梁樁基在高烈度地震軟土地區設計及沉降控制的基本特點

李聰林

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司,昆明 650200)

1 概述

鐵路是國民經濟的大動脈,一旦中斷行車,政治、經濟和國防都將受到重大的損失和影響,特別是目前大規模建設的高速及準高速鐵路,一旦橋梁基礎出現問題,后果將會非常嚴重。因此,在地震區修建大型鐵路建筑物,必須重點考慮地震的影響。軟土由于其地質力學特征較差,鐵路以橋梁方式通過軟土地區時,一般都使用樁基礎。而位于高地震烈度的軟土地區,地震將使土的抗剪能力大幅度降低,從而會出現諸如承載力下降、地面塌陷、地震液化等不良地質現象,在進行樁基設計時,除按常規設計以外,還需考慮樁周負摩阻力和地震液化等的影響,特別是群樁的沉降控制,以確保樁基礎的安全可靠。

2 高烈度地震軟土地區的地質特性

軟土一般是指天然含水量大,有機質含量多,壓縮性高,孔隙比大,滲透性差,承載能力低的一種軟塑到流塑狀態的黏性土。如淤泥、淤泥質土、泥炭以及其他高壓縮性飽和黏性土。它是在靜水或緩慢水流環境下,經生物化學作用形成的以細粒土為主的近代沉積物。

地震液化是指飽和松散的砂土或低塑性黏性土在地震過程的短暫作用下,呈流動狀態,幾乎喪失抗剪強度和承載能力的現象。

地震液化的機理是由于松散的砂土和低塑性黏性土,受到振動時有變得更緊密的趨勢,但是飽和砂土的孔隙是全部為水充填的,這種趨于緊密的作用,將導致孔隙水壓力的驟然上升,而在地震過程短暫時間內驟然上升的孔隙水壓力來不及消散,就使原來有砂土粒通過其接觸點所傳遞的壓力減小,當有效壓力完全消失時,砂土層完全喪失抗剪強度和承載能力,變成像液體一樣的狀態。

我國《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)規定,當設計烈度為7度,地面下15 m以內；當設計烈度為8度和9度,地面下20 m內,有飽和砂層時(包括粉砂、細砂、中砂和黏砂土),橋梁樁基設計時,要判定其是否液化。

3 高烈度地震軟土地區時速200 km鐵路橋梁樁基設計

地震時,樁身產生的位移較非地震時要大得多；另外,樁身受到反復荷載的作用,地震時樁側土的地基系數也較非地震時降低,對于較差的地基,設計時樁側土的地基系數較非地震時降低20%～40%；對于較好的地基,設計時樁側土的地基系數較非地震時降低10%～20%,而時速200 km及以上鐵路對基礎的沉降控制有較高的要求。

在高烈度地震軟土地區,由于軟土地基大部分屬于飽和性黏土,因此,一般將軟土地層作為液化土層進行考慮。在鐵路橋梁樁基礎實際設計過程中,除了按照地震區一般樁基的設計要求考慮外,還要考慮樁周可能出現的負摩阻力和地震液化的影響,以便合理地確定承臺尺寸,樁徑、樁間距的大小和樁長。

3.1 樁周負摩擦力

負摩擦力是指樁側面上摩阻力出現負值,此時,摩擦力的方向是向下的。負摩阻力不僅不能起到支承作用,反而變成施加在樁上的軸向荷載,樁上軸向力隨深度增加而增大。在工程實踐中,要在設計階段即考慮可能出現的負摩擦力以保證基礎的穩定性,在施工階段要采取必要的措施避免出現負摩擦力,使用階段出現的負摩擦力也要及時防治。

在樁側面引起負摩擦力的條件是樁周圍的地面沉降大于樁的沉降。如圖1所示,若地面沉降為S,地基內的豎向位移曲線如圖中虛線所示。樁端沉降為S1,樁身彈性壓縮量為S2(假設沿樁身按比例變化)。則樁的沉降曲線與地基沉降曲線交點N即為中性點,因此,當地面沉降S為一定值時,則當樁底端沉降S1及樁身彈性壓縮量S2減小時,中性點就下移,作用在樁上的負摩擦力就增大；反之,當S1及S2增加時,中性點就上移,作用在樁上負摩擦力就減小。

圖1 沉降示意

3.2 軟土層中樁基礎的設計

由于地震或地面豎向荷載可能導致樁側軟土層地下水位下降引起土層固結下沉,使樁側軟土層相對樁身產生相對下沉,對樁身作用向下的負摩擦力,從而增大樁基礎中的樁所承受的軸向荷載。

在軟土地區,當樁底持力層為非堅硬土時,負摩擦力不發生于樁側整個軟土層內,而是樁的上部為負摩擦力,下部為正摩擦力。試驗及研究表明,中性點的深度(自地面算起)h1≈0.77h3～1.0h3(h3為樁側軟土層的厚度),當樁底持力層比較差時,可取h1≈0.8h3；當樁底持力層為砂土層時,可取h1≈0.9h3；當樁底持力層為堅硬土層時,可取h1≈1.0h3。

對于樁側軟弱黏土層,可取0.5qu作為負摩擦力強度f的最大值(qu為該土層的無側限抗壓強度)。位于軟弱黏土層之上或位于軟弱黏土層之間的其他薄土層(如細砂層等),由于軟弱黏土層下沉,也將對樁產生向下的負摩擦力,其強度最大值可按f=rhKntanφ計算,式中：r為樁側土的容重,h為計算處的深度,Kn為靜止土壓力系數(一般采用Kn=0.5),φ為計算深處土的內摩擦角。

在按上式計算時,假定負摩擦力的最大值發生于樁側正摩擦力和樁底支承力均達到極限值。設計時,單樁應滿足下列要求

式中，P1為作用于樁頂的設計荷載,P2為樁底的極限承載力,P3為樁側極限正摩擦力,P4為樁側最大負摩擦力,P5為樁身自重,P6為樁所占同體積的土重,K采取等于求算樁身正摩擦力容許值的安全系數(一般K=2)。計算時,P4/K不得大于該單樁所分配承受的樁周下沉土柱重。

3.3 土層液化時樁基礎的設計

樁基設計時,當判定樁周土可能液化時,樁周土層的各種特征值(如黏聚力C和內摩擦角φ等)以及土的豎向承載力(包括樁側摩阻力)和土的水平抗力的地基系數等于根據《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)中所列的液化土力學指標折減系數ψ1乘以非液化時土的各種特征值以及土的承載力(包括樁側摩阻力)和地基系數。液化土力學指標的折減系數見表1。

表1 液化土力學指標的折減系數

在鐵路橋梁樁基礎設計中,對于液化土層,從安全角度考慮,有時將在液化層深度范圍內的樁作為“空樁”考慮,既不考慮樁側土對樁的作用,樁的計算按照高承臺群樁進行設計。

4 鐵路橋梁樁基沉降控制

時速200 km及以上鐵路對線路沉降的控制非常嚴格,在軟土地區,鐵路橋梁的樁基礎除了要考慮承載力的要求,還要考慮樁基礎的沉降是否滿足規范要求,尤其是樁基全部位于軟土地層中,設計時更要注意。

在鐵路橋梁實際工程中,墩臺的樁基礎通常由群樁組成。由摩擦樁和承臺組成的群樁,在豎向荷載作用下,其沉降的變形性狀是樁、承臺、地基土之間相互影響的綜合結果。群樁沉降與孤立的單樁明顯不同,群樁沉降性狀涉及到群樁幾何尺寸(如樁間距、樁長、樁數、樁基礎寬度與樁長的比值等)、成樁工藝、樁基施工與流程、土的類別與性質、荷載的大小、持續時間及承臺的設置方式等因素。在實際設計過程中,主要考慮的是樁端以下地基土壓縮變形對群樁沉降的影響。

由于活載作用下的沉降變形是瞬間的、彈性的,一般可以恢復,所以《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》規定：橋涵墩臺基礎的沉降僅按恒載計算,對于外部靜定結構,其墩臺總沉降量與墩臺施工完成時的沉降量之差不得大于下列容許值：

對于有砟橋面橋梁：墩臺均勻沉降量50 mm；相鄰墩臺均勻沉降量之差20 mm。

樁基礎由于其底面以下受壓土層zn壓縮產生的總沉降量S按下式計算，計算圖式如圖2所示。

式中,ms為沉降經驗修正系數,軟土地基取1.3；zi、zi-1分別為基礎底面至第i層底面和第i-1層底面的距離；Ci、Ci-1分別為基礎底面至第i層底面和第i-1層底面范圍內平均附加應力系數；σz(0)為基礎底面處的附加壓應力。

圖2 樁基總沉降量計算圖式

由于軟土地基大部分屬于飽和性黏土,為了減少樁間土的影響和干擾,保持土的天然結構不受破壞,盡量減小樁基沉降量,在設計時,宜采用較大的樁間距,同時,優先考慮小樁徑,多樁數的方案。樁間距過小,不但會使地基土遭到破壞,還會給施工帶來困難。試驗表明,樁周表面摩擦力隨軟土固結而提高,樁間距為3.5倍樁徑的樁周表面摩擦力要比樁間距為3倍樁徑的樁周表面摩擦力提高20%。

5 算例

5.1 算例一

一座孔跨為33×32 m的特大橋,采用混凝土矩形橋墩,地震設計烈度為8度(地震動峰值加速度為0.2g,地震動反應譜特征周期為0.4 s),地基土為Ⅲ類場地土。現以該橋號26號橋墩的樁基礎設計來說明地震區和非地震區樁基設計的不同。

該墩地面以下土層依次為人工填筑土、粉質黏土、軟土、粉質黏土、粉細砂和粉質黏土。樁基采用5根φ1.25 m的鉆孔灌注摩擦樁,樁身采用C20鋼筋混凝土。如圖3所示。

圖3 樁基布置(單位：cm)

(1)按不考慮地震力和砂土液化影響來設計

樁底土極限抗壓強度R=1 500 kPa,樁底土基本承載力σ0=150 kPa,樁底土豎向地基系數C0=225 000 kN/m3。

各土層地質力學指標見表2。

樁頂荷載組合見表3。

表2 各土層地質力學指標

表3 樁頂荷載組合

采用“地基系數法(m法)”進行計算后可得：當樁長為25 m時候,單樁承載力即可滿足要求,單樁承載力P=2 948.2 kN<[P]=2 984.5 kN。此時,樁群作為整體基礎,樁底平面處的最大壓應力σd max=580.16 kPa,小于修正后樁底平面處的容許承載力[σ]=1 447.99 kPa。

(2)按考慮地震力和砂土液化影響來設計

根據地質提供資料顯示,該墩地面下20 m內地層須考慮砂土液化,按規范對20 m內的各土層進行液化土層力學指標折減。折減系數采用0.66計。同時,樁頂荷載按地震荷載進行組合。

樁底土極限抗壓強度R=1 500 kPa,樁底土基本承載力σ0=150 kPa,樁底土豎向地基系數C0=225 000 kN/m3。各土層地質力學指標見表4,樁頂荷載組合見表5。

圖4 馬家塘雙線特大橋布置示意(單位：cm)

表4 各土層地質力學指標

表5 樁頂荷載組合

采用“地基系數法( m法)”進行計算后可得：當樁長為36 m時候,單樁承載力可滿足要求,單樁承載力P=3 489.0 kN<[P]=3 599.8 kN。此時,樁群作為整體基礎,樁底平面處的最大壓應力σd max=787.9 kPa,小于修正后樁底平面處的容許承載力[σ]=2 050.4 kPa。

從上述算例可看出,在軟土地震區如果沒有考慮到地震力和砂土液化的影響,進行樁基設計時會導致單樁承載力偏小,樁長不夠,對工程的危害是十分巨大的。

5.2 算例二

昆明東南環鐵路線,鐵路全長51 km,為新建雙線I級鐵路,旅客列車設計最高速度為200 km/h。鐵路線路基本行走于昆明滇池旁邊的壩子中,分布有較厚軟土層,其中部分地帶還存在砂土液化段。在DK46+636處設有一座孔跨為41×32 m+(40+64+40) m+7×32 m+2×24+9×32 m的馬家塘雙線特大橋(圖4),采用混凝土圓端形橋墩,地震設計烈度為8度(地震動峰值加速度為0.2g,地震動反應譜特征周期為0.4 s),地基土為Ⅲ類場地土。現以該橋43號、44號橋墩的樁基礎設計來說明高烈度地震軟土地區樁基礎沉降計算的特點。

(1)橋墩基本資料

43號連續梁主墩墩高20 m(雙線圓端形實心墩)；承臺尺寸：長邊15.5 m,短邊12.2 m；樁長62 m；樁數20根φ1.5 m；44號連續梁邊墩墩高22.5 m(雙線圓端形實心墩)；承臺尺寸：長邊14.3 m,短邊9.7 m；樁長59 m；樁數12根φ1.5 m。

(2)計算

基礎沉降采用群樁摩擦樁沉降計算程序,根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》 (TB10002.5—2005)計算。土層資料見表6,土層高壓縮指標參數見表7～表9。

表6 馬家塘雙線特大橋土層物理力學參數

表7 <4-15>松軟土(黏土)高壓縮試驗(垂直)土層指標推薦值

表8 <4-16>黏土高壓縮試驗(垂直)土層指標推薦值

表9 <4-20>泥炭質土高壓縮試驗(垂直)土層指標推薦值

負摩擦深度的采用：43～44號墩處表層土為4-18淤泥、4-15松軟土,考慮堆土以及其他因素產生的負摩阻力。計算原則：表層當某一深度下的土層沉降之和小于樁基沉降時,此深度應為負摩擦深度。表層按堆土3.0 m計算,推出負摩擦深度為5.0 m。

(3)計算結果(表10)

表10 43號墩樁基礎沉降計算結果

計算結果匯總如下：承臺自重12 291.5 kN；群樁自重40 202.6 kN；擴散模式按樁長擴散；樁底有效擴散面積350.5 m2；樁底附加壓應力478.1 kPa；壓縮模量當量Es=23 999 kPa；沉降經驗修正系數為0.2；群樁平均沉降量0.005 2 m；地基壓縮變形0.052 1 m；總沉降量0.047 3 m；施工階段沉降0.021 2 m。

(4)結論及分析

43號墩總沉降量S=47.3 mm；44號墩總沉降量S=37.0 mm(計算未列)。該段樁底土層根據地質提供指標其壓縮模量Esv0.1-0.2為4～5.5 MPa,查《橋梁地基和基礎》得知該土層為中壓縮性飽和性黏土,該類土層橋梁施工期間基礎所完成的沉降量為總沉降量的20%～40%。為偏安全考慮,計算工后沉降按總沉降的80%計算,各墩工后沉降計算如下：

43號墩工后沉降量S=47.3×80%=37.84 mm；44號墩工后沉降量S=37.0×80%=29.6 mm；各墩工后沉降量均小于50 mm,相鄰墩臺沉降量之差小于20 mm,均滿足規范要求。

6 結論

高烈度地震軟土地區由于地層地質力學條件差,在高速鐵路選擇線路走向時應盡量繞行避開,以降低路基和橋涵的防護處理工程,減少安全隱患。當鐵路必須通過高烈度地震軟土地區時,對于橋梁工程的樁基設計一定要結合地質資料,認真分析各種可能出現的不利情況,包括：砂土液化、負摩擦力、不均勻沉降等,充分考慮各種不利因素,采取合理的計算模式,通過單樁承載力、單樁及群樁沉降計算控制,確保橋梁設計的安全可行。

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