晉中南山區(qū)黃土地層鐵路橋涵設(shè)計(jì)

吳向明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

1 概述

山西中南部鐵路通道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為國家Ⅰ級重載鐵路,全長1251 km,是山西中南部煤炭基地向沿海輸送煤炭的專用運(yùn)輸通道,正線為雙線,速度目標(biāo)值為120 km/h。軌道結(jié)構(gòu)形式除1 km左右的隧道內(nèi)鋪設(shè)雙塊式無砟軌道,其余均鋪設(shè)有砟重型軌道。

通道工程瓦塘至洪洞段共穿越了三個大的地貌單元,黃土高原的丘陵及低山區(qū)、呂梁山脈的低中山區(qū)、臨汾盆地沖洪積平原區(qū)及邊緣丘陵區(qū)。沿線境內(nèi)新黃土分布廣泛,新黃土和淺部老黃土具濕陷性,多屬自重濕陷性黃土,濕陷性黃土厚度為5～15 m,局部可達(dá)20～30 m,地基濕陷等級一般為Ⅱ、Ⅲ級,局部為Ⅳ級,濕陷系數(shù)δs=0.015～0.126。全線范圍地震動峰值加速度為0.05g～0.29g,地震基本烈度Ⅵ～Ⅶ。

2 關(guān)于山區(qū)陡坡地段橋梁基礎(chǔ)計(jì)算注意事項(xiàng)

2.1 陡坡地段墩臺刷坡坡率

黃土具有孔隙比大,豎直節(jié)理發(fā)育,濕陷性黃土具有易溶蝕、易沖蝕、各項(xiàng)異性等工程特征,因此濕陷性黃土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)刷坡防護(hù)是必須要重視的設(shè)計(jì)工作。結(jié)合本線地質(zhì)情況,同時借鑒太中線、大西客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),利用比擬法對本線山區(qū)地貌黃土地層橋梁基礎(chǔ)施工刷坡坡率進(jìn)行如下約定。一般情況下黃土邊坡坡率可按表1采用。

表1 黃土邊坡坡率

2.2 邊坡防護(hù)

沿線廣泛分布黃土,表層新黃土多具有濕陷性。呂梁山區(qū)東西兩側(cè)局部地區(qū)分布膨脹土,出露于溝谷地帶。黃土邊坡應(yīng)采取“加固坡腳、加強(qiáng)坡面防護(hù)和排水”的綜合防護(hù)措施。膨脹土邊坡應(yīng)采取“緩放坡、寬平臺、加固坡腳、加強(qiáng)坡面防護(hù)和排水”的防護(hù)措施。本著上述防護(hù)原則,結(jié)合不同地質(zhì)條件、坡率,本線主要采用拱形骨架護(hù)墻、孔窗式護(hù)墻兩種邊坡防護(hù)形式,如圖1、圖2所示。孔窗式護(hù)墻適用于1∶0.75邊坡,坡度≥1∶1時宜采用拱形骨架式護(hù)墻。當(dāng)刷坡高度超過13 m時,需設(shè)置平臺,分級高度及平臺寬度按10 m一級2 m平臺寬采用。

2.3 陡坡地段樁基礎(chǔ)計(jì)算自由樁長取值

位于陡坡處的墩臺基礎(chǔ),為保持邊坡穩(wěn)定需進(jìn)行刷坡及邊坡防護(hù)處理。陡坡上的橋梁墩臺基礎(chǔ)受力有別于平原區(qū),陡坡地區(qū)相鄰墩臺間地面高差較大,承臺下樁身側(cè)面由于受其他墩臺的刷方影響(圖3),土體穩(wěn)定線范圍以上的樁側(cè)土體已不能提供足夠的土抗力及有效的摩阻力,樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時需考慮一定長度的自由樁長保證橋梁的安全。

圖1 孔窗式護(hù)墻方案(單位：cm)

圖2 拱形骨架式護(hù)墻方案(單位：cm)

圖3 陡坡橋梁樁基礎(chǔ)自由樁長計(jì)算圖示(單位：cm)

圖3中β=45°-ψ/2，L=2.5/α

式中ψ——土的內(nèi)摩擦角；

α——樁的變形系數(shù)；

L0——自由樁長取值。

土的內(nèi)摩擦角對于黃土地層ψ按30°考慮,其他土層可參考地質(zhì)土工試驗(yàn)報(bào)告或者鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊《橋涵地基和基礎(chǔ)》表1-19采用,風(fēng)化巖根據(jù)風(fēng)化程度及土層描述對照不同土層選用。

第二種計(jì)算自由樁長方法,樁前至天然土體的水平距離小于5 m的樁長范圍考慮自由樁長。與第一種比較采用大值作為設(shè)計(jì)采用自由樁長。計(jì)算時注意因陡坡引起的自由樁長不與表層濕陷性黃土對基礎(chǔ)計(jì)算的影響疊加。

3 關(guān)于濕陷性黃土地區(qū)橋涵基礎(chǔ)計(jì)算注意事項(xiàng)

中南通道工程沿線廣泛分布新黃土、老黃土,新黃土多具有濕陷性。因此對于濕陷性黃土地區(qū)橋涵設(shè)計(jì)是工作中的一項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目。《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005)6.2.7條規(guī)定,位于濕陷性黃土和軟土地基中的樁基礎(chǔ),當(dāng)土壤可能出現(xiàn)濕陷或固結(jié)下沉?xí)r應(yīng)考慮樁側(cè)的負(fù)摩阻力的作用。

下面就濕陷性黃土負(fù)摩阻力成因及計(jì)算方法、鐵路規(guī)范對于濕陷性黃土地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)之建議、本線針對濕陷性黃土地區(qū)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分述如下。

3.1 負(fù)摩阻力及其產(chǎn)生的原因

樁周土摩阻力的方向取決于樁與周圍地基土層的相對位移。當(dāng)樁的沉降大于樁周地基土的沉降時,土層與樁側(cè)表面之間就會產(chǎn)生向上作用的摩阻力,即正摩阻力；反之,當(dāng)樁的沉降小于樁周地基土的沉降時,土層與樁側(cè)表面之間就會產(chǎn)生向下作用的摩阻力,即負(fù)摩阻力，如圖4所示。濕陷性黃土場地產(chǎn)生負(fù)摩阻力的原因主要是因?yàn)樵诘乇硭⒌叵滤那治g作用下,地面沉陷引起的。

圖4 樁基礎(chǔ)正負(fù)摩阻力圖示

3.2 樁側(cè)負(fù)摩阻力的特性

中性點(diǎn)：樁側(cè)負(fù)摩阻力并不一定發(fā)生于整個濕陷黃土層中,產(chǎn)生負(fù)摩阻力的深度是樁側(cè)土層與樁基產(chǎn)生相對下沉的范圍,它與樁側(cè)土的壓縮、固結(jié),樁身壓縮及樁底下沉等直接有關(guān)。在特定深度的樁斷面上,該深度以上土的下沉量大于樁,樁承受負(fù)摩阻力；該深度以下則樁的下沉量大于土,樁受正摩阻力；該斷面處就是樁土位移相等、摩阻力為零的臨界點(diǎn),且該斷面的軸向力最大,稱為中性點(diǎn)。

時效性：濕陷性黃土地區(qū)樁基負(fù)摩阻力受到許多因素的影響,例如樁的類型、樁周土層性質(zhì)、沉降速度、穩(wěn)定時間等,且某些因素也會隨時間變化。

3.3 樁側(cè)負(fù)摩阻力的計(jì)算

關(guān)于負(fù)摩阻力計(jì)算的方法很多,不但有很多理論算法,還有不少的經(jīng)驗(yàn)估算公式。有效應(yīng)力法(卞侖公式)是目前較為認(rèn)可的方法,它能考慮固結(jié)過程中的負(fù)摩阻力,亦能考慮地層表面的荷載作用,又依據(jù)試驗(yàn)資料提出Ktanθ的值,故計(jì)算結(jié)果較符合實(shí)際,可操作性強(qiáng),現(xiàn)將其計(jì)算方法介紹如下,以供參考。

有效應(yīng)力法建議按下式計(jì)算負(fù)摩阻力強(qiáng)度

qf=σKtanθ

式中σ——樁周土中的豎向有效應(yīng)力，kN/m2；

K——水平的與豎向的有效應(yīng)力之比,對正常固結(jié)黏土K可取靜止土壓力系數(shù)；

θ——樁周土的有效內(nèi)摩擦角。

有效應(yīng)力σ是隨著土的固結(jié)過程而變化,可根據(jù)孔隙水壓力的實(shí)測結(jié)果,按下式計(jì)算

σ=p+γZ-U

式中P——作用于地面的荷載，kN/m2；

γ——樁周土的浮容量，kN/m3；

Z——自天然地面起算的深度，m；

U——孔隙水壓力，kN/m2。

以上即為有效應(yīng)力方法計(jì)算負(fù)摩阻力強(qiáng)度,若無實(shí)測U值,從安全考慮實(shí)際工程計(jì)算時,令U=0,即可得到最大負(fù)摩阻力強(qiáng)度qf。

利用以上公式,在求得最大摩阻力強(qiáng)度后,就很容易利用力學(xué)知識求得最大負(fù)摩阻力了,現(xiàn)推導(dǎo)如下。

(1)NF1=qfA

式中NF1——最大負(fù)摩阻力，kN；

qf——最大負(fù)摩阻力強(qiáng)度，kN/m2；

A——產(chǎn)生負(fù)摩阻力深度范圍內(nèi)樁身表面積。

(2)G=γπ(d2-r2)Z

式中G——單樁所分配承受的樁周土重，kN；

γ——樁周土的浮容重，kN/m3；

d——相鄰樁中心距之半，m；

r——樁截面半徑，m；

Z——自天然地面起算的深度，m。

(3)NF=min(NF1,G)

即在樁基計(jì)算中,按上式求得的作用于單位樁上的最大負(fù)摩阻力不應(yīng)大于單樁所分配承受的樁周下沉土重。

3.4 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于濕陷性黃土負(fù)摩阻力計(jì)算及黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005)并未對濕陷性黃土負(fù)摩阻力的計(jì)算進(jìn)行明確闡述。結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),同時與規(guī)范編寫者溝通,負(fù)摩阻力的計(jì)算主要參考《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊》、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》、《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》等資料,可以按下列原則進(jìn)行基樁負(fù)摩阻力的計(jì)算。

(1)確定中性點(diǎn)的位置。中性點(diǎn)的深度與持力層性質(zhì)有關(guān),大致可參照表2確定。(摘自JGJ94-2008《建筑樁基計(jì)算規(guī)范》)

表2 中性點(diǎn)取值

注：ln、lo分別為中性點(diǎn)深度和濕陷性黃土層深度。

(2)濕陷性黃土地區(qū)的樁基礎(chǔ),樁端必須穿透濕陷性黃土層。在非自重濕陷性黃土場地,樁端應(yīng)支承在壓縮性較低的非濕陷性黃土層中；在自重濕陷性黃土場地,樁端應(yīng)支承在可靠的巖(或土)層中。

在非自重濕陷性黃土場地,當(dāng)自重濕陷量的計(jì)算值小于50 mm時,摩擦樁的豎向承載力可計(jì)入濕陷性黃土層內(nèi)的正摩阻力,按規(guī)范中摩擦樁公式計(jì)算樁的承載力滿足下列要求

P1+(P3-P4)≤[P]

式中P1——作用于樁頂?shù)脑O(shè)計(jì)荷載；

P3——樁身自重；

P4——樁所占同體積土重；

[P]——單樁容許承載力,見《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式(6.2.2—1)、(6.2.2—2),計(jì)算樁側(cè)正摩阻力時應(yīng)包括濕陷性黃土和非濕陷性黃土兩個部分。飽和狀態(tài)下濕陷性黃土的正摩阻力可采用10～20 kPa,非濕陷性黃土的正摩阻力參照黏性土采用。

柱樁既不計(jì)正摩阻力亦不計(jì)負(fù)摩阻力,按規(guī)范中柱樁公式計(jì)算樁的承載力。

P1+P3≤[P]

式中，P1、P3符號意義同前；[P]為單樁容許承載力,見《規(guī)范》中公式(6.2.2—3)、(6.2.2—4)。

在自重濕陷性黃土場地,不論摩擦樁還是柱樁均應(yīng)計(jì)算濕陷性黃土層內(nèi)的樁周負(fù)摩阻力,作為荷載作用于樁上。樁在濕陷性黃土層以下的持力層中,根據(jù)持力層巖土性質(zhì),分別按規(guī)范中摩擦樁或柱樁的公式計(jì)算樁的承載力。

摩擦樁

P1+P2+(P3-P4)≤[P]

式中P2——樁側(cè)負(fù)摩阻力；

柱樁

P1+P2+P3≤[P]

式中，P1、P2、P3、[P]符號的意義同前。

影響樁側(cè)負(fù)摩阻力的因素很多,精確計(jì)算負(fù)摩阻力是復(fù)雜而困難的。迄今國內(nèi)外學(xué)者提出的計(jì)算方法與公式都是近似的和經(jīng)驗(yàn)性的。樁側(cè)負(fù)摩阻力最好通過現(xiàn)場浸水試驗(yàn)確定,但一般情況下不容易做到。國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定樁側(cè)負(fù)摩阻力可采用正摩阻力的數(shù)值。《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025—2004)根據(jù)試驗(yàn)資料提出：對樁側(cè)負(fù)摩阻力進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)確有困難時,建議可按下列表3的數(shù)值估算。樁周平均極限負(fù)摩阻力可按表4估算(摘自《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》)。

表3 樁周平均極限負(fù)摩阻力 kPa

3.5 晉中南鐵路濕陷性黃土地區(qū)橋涵設(shè)計(jì)原則及經(jīng)驗(yàn)介紹

3.5.1 濕陷性黃土地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)

(1)濕陷性黃土地區(qū)橋梁的基礎(chǔ),基底均置于非濕陷性土層。樁基配筋長度根據(jù)計(jì)算確定并應(yīng)大于濕陷性土層厚度。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》,①、②區(qū)自重濕陷場地樁基應(yīng)通長配筋。無論采用何種基礎(chǔ),基底置于黃土層中時,應(yīng)詳細(xì)各墩臺沉降,滿足規(guī)范要求。

(2)濕陷性黃土地區(qū)的橋涵基礎(chǔ)應(yīng)避免在雨季施工。如必須在雨季施工時,應(yīng)有專門的防洪、排水設(shè)施,保證基坑不受水浸泡。

(3)關(guān)于樁側(cè)平均負(fù)摩阻的取值及負(fù)摩阻力取值深度,目前的參考規(guī)范有《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》。根據(jù)鄭西鐵路客運(yùn)專線試驗(yàn)結(jié)果,實(shí)測樁側(cè)負(fù)摩阻力的大小較《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》確定的值要大,而與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算的值較為接近。鄭西客運(yùn)專線的試驗(yàn)結(jié)果是：對于Ⅱ、Ⅲ級自重濕陷性黃土層,平均負(fù)摩阻-22～-44 kPa,對于Ⅳ級自重濕陷性黃土層,平均負(fù)摩阻-70 kPa。試驗(yàn)結(jié)果是在完全飽和的狀態(tài)下測得的,實(shí)際結(jié)構(gòu)是不可能達(dá)到這個狀態(tài)的,再加上排水、3∶7灰土回填等措施有效的減小了濕陷土層的負(fù)摩阻力影響。因此建議按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》進(jìn)行取值,具體詳見表4。

表4 濕陷性黃土地區(qū)負(fù)摩阻力及m值

(4)表層新黃土具有濕陷性,基礎(chǔ)開挖后基坑表層1 m厚應(yīng)以3∶7灰(新鮮的消石灰)土分層夯填密實(shí),回填面高出地面約0.3～0.5 m并形成自然排水坡,嚴(yán)防滲漏水,坑底夯填原土。橋址附近出現(xiàn)的陷穴,應(yīng)采用3∶7灰土夯填或挖除的方法進(jìn)行處理。

(5)重視橋梁附屬設(shè)施設(shè)計(jì),橋頭錐體填土采用A組填料,錐體護(hù)坡設(shè)置直徑10 cm泄水孔,坡度為4%,采用PVC管材預(yù)埋,間距不大于1.5 m。泄水孔后0.5 m×0.5 m范圍內(nèi)設(shè)砂礫反濾層,厚0.3 m。PVC管靠碎石墊層一側(cè)管頭用0.2 m×0.2 m大的透水土工布(400 g/m2)包裹。表層新黃土具有濕陷性,錐體坡腳范圍內(nèi)天然地面以下0.7 m厚新黃土應(yīng)換填為3∶7灰(新鮮的消石灰)土,分層夯填密實(shí)。

(6)重視排水系統(tǒng)設(shè)計(jì),了解水的來路、去處,凡水流經(jīng)處,均應(yīng)采取防護(hù)措施,保證不存水、不滲水。橋墩臺刷坡防護(hù)采用拱型骨架或者孔窗式護(hù)墻,內(nèi)植草并種植紫穗槐。濕陷性黃土地區(qū)的橋涵建筑物,受水浸泡時會產(chǎn)生較大的沉降,對橋隧相連、路橋過渡段范圍的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其需要加強(qiáng)重視。

3.5.2 濕陷性黃土地區(qū)涵洞設(shè)計(jì)要求

(1)涵洞基礎(chǔ)應(yīng)采用整體式基礎(chǔ),并對地基土進(jìn)行加固處理。濕陷性黃土地基上的涵洞(陡坡涵除外)一律加設(shè)上拱度,按H/25(H為涵洞凈空)計(jì)算。

(2)在填土高度滿足要求的前提下,涵身均采用框架箱涵。

(3)地基采用如下處理措施：

①基底以下為Ⅰ、Ⅱ級非自重濕陷性黃土：采用換填3∶7灰土處理。

②基底以下為自重濕陷性黃土：濕陷性黃土厚度小于3 m時,采用全部換填3∶7灰土的辦法處理；濕陷性黃土厚度大于3 m時,采用打灰土擠密樁的辦法處理。

③采用肋板涵時,基底濕陷性黃土厚度小于3 m采用全部換填3∶7灰土的辦法處理；厚度大于3 m采用打灰土擠密樁的辦法處理。

4 結(jié)語

目前晉中南鐵路通道工程全線橋涵下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)施工正在有序的進(jìn)行之中,文章中提及的橋涵設(shè)計(jì)原則在施工中得以充分的實(shí)踐,為確保工程的安全高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)合理的順利開展起到了一定的指導(dǎo)作用。山區(qū)鐵路因受地形地貌條件限制,加上線路走向等諸多因素控制,設(shè)計(jì)的多變性很大,文中提及的設(shè)計(jì)原則及經(jīng)驗(yàn)不能涵蓋多種情況,筆者撰寫本文僅為山區(qū)黃土地區(qū)鐵路橋涵設(shè)計(jì)提供一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以供參考借鑒,在今后的設(shè)計(jì)中還會繼續(xù)完善設(shè)計(jì)心得,爭取達(dá)到理論與實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合。

[1]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

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