深厚素填土地基鐵路橋梁基礎設計

王德華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

深厚素填土地基鐵路橋梁基礎設計

王德華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

深厚素填土地基，除需要考慮土層固結沉降引起的負摩擦力外，還需要考慮其厚度、密實度不均勻性，以及濕陷性等引起的水平蠕動對橋梁基礎的影響。以南廣鐵路跨工業大道特大橋樁基礎設計為工程實例，進行基礎方案比選，并進行試樁試驗。試驗結果表明，在樁外側設置鋼管套，并在鋼管表面涂刷特制瀝青層，利用鉆孔泥漿套，可有效減少樁身負摩擦力，同時鋼管套的設置可有效提高樁身水平抗力，抵抗素填土的水平蠕動產生的水平變形。

鐵路橋梁;基礎設計;深厚素填土;負摩阻力;鋼管套

由于城鎮建設規模的擴大及建設用地日趨緊張，越來越多的建筑物包括鐵路橋梁將建造在素填土地基上。由于素填土回填時間短，土體固結的程度低，通常素填土具有地基承載力低、壓縮性高和均勻性差等特點。為克服素填土的缺陷，基礎設計通常采用地基處理或提高樁基抗力的方法。樁基穿過新沉積的欠固結土或新填土而支承在硬持力層上時，土層產生自重固結下降對樁基礎產生負摩阻力［1－3］。

以南廣鐵路跨工業大道特大橋工程為例，在最大素填土厚度24m的深厚素填土區，提出樁－土隔離法，即在樁外側設置表面涂刷特制瀝青層的鋼管套，以有效減少樁身負摩擦力，同時提高樁身水平抗力以抵抗素填土的水平蠕動。并系統闡述樁身負摩擦力計算、施工措施、構造細節、試驗方法。

1 工程概況

南廣鐵路為客運專線鐵路，設計速度目標值為250 km/h，橋上線路曲線半徑4 500m，墩身縱向剛度要求不小于400 kN/cm，橫向折角不大于1.0%。受梧州南站站位控制，線位于廣西蒼梧縣城南穿越梧州蒼梧縣工業園區東區，在園區范圍設工業大道特大橋一座，橋跨為常規32m跨簡支梁及小跨度連續梁，全橋長786.8m。園區原始地貌為丘陵，后經挖填整平開發為工業園區，橋址位于原溝谷，全橋地基分布有10～24m厚度不等的素填土，填土年限為5年。工業園東區已建成并投入使用，部分工廠已投入生產，部分工廠正在施工建設當中。

2 工程地質條件

橋址范圍原為丘陵區，地表多為農田、林地，2004年開始建設工業區平整填筑場地，素填土層厚3.8～24.0m。填土成分為花崗巖殘坡積土及全風化層，以黏土、粉質黏土為主，多夾石英顆粒，局部夾有零星建筑垃圾及強風化巖塊。工業大道處填土已分層壓實，橋址區其他地段的填土未作處理。相鄰建筑物基礎類型為人工挖孔樁，鋁箔廠基礎最大樁長24m。現場發現填土上圍墻及未處理路面均有沉陷破壞現象。

素填土層填筑時間不足5年，工程性質變化較大。標貫擊數:最大值21擊，最小值5擊，平均值11擊;靜力觸探:P平均值1.23MPa，最硬層Ps值為2.77MPa，最軟層P值0.56MPa。勘探顯示該地層無論是在鉆孔之間，還是在同一鉆孔的不同深度，其密實度均有較大變化，均勻性很差，局部強度較低，有自重濕陷性，故應充分考慮素填土負摩阻的影響。

全橋地層巖性為第四系堆積層(Q4ml)素填土，全新統沖洪積層(Q4al+pl)粉質黏土，第四系全新統殘坡積層(Q4el+dl)粉質黏土，燕山期晚白堊世(γ5)花崗巖。

粉質黏土分布于素填土之下，有灰黑色、灰褐色軟塑狀粉質黏土。根據勘探資料及場地環境分析，考慮到橋址區為人工挖填形成，原地貌可能為稻田地，該層土在回填之前為軟弱土層，場地填平后，局部已壓實固結呈硬塑狀態，但大多呈軟塑狀。該層土為不穩定層面，樁基設計時應注意。

素填土的巖土力學參數值見表1，地質縱斷面見圖1。

表1 素填土的巖土力學參數值一覽

圖1 地質縱斷面(單位:cm)

3 場地素填土特性及工程影響分析

根據場地素填土范圍的歷史地貌及勘探所揭示的物理力學性能，該場地素填土的主要特性為素填土的欠固結及場地不均勻性，對工程的影響主要為欠固結素填土對樁基的負摩阻力作用，以及不均勻場地土體蠕動多導致的水平力作用。

3.1 負摩阻力

素填土地基的填料雖然來自近處，但土的天然結構已經破壞，黏性土的黏聚性完全消失或大為降低，結構處于極不穩定狀態。素填土在本身自重作用下，有效應力相應增加，土的密實度和強度隨之增大，這個過程就是素填土的再固結作用。素填土的固結除自重固結外，地下水位變化、周圍地面大面積堆載也是其影響因素。伴隨素填土的固結過程，樁周土相對樁身發生沉降，對樁側產生負摩阻力。

3.2 土體蠕動

土體蠕動一方面場區內素填土層厚度變化較大、密實程度不均，素填土在固結沉降過程中，土體產生蠕動，使土體顆粒分布及結構趨于均勻;另一方面由于原地面起伏較大(素填土橫向分布見圖2)，且原地表分布黑色粉質黏土，回填之前為軟弱土層，受固結沉降及周圍地面大面積堆載影響，會產生局部蠕滑面，導致土體蠕動。隨著填土靜置時間的延長，填土逐漸壓密，蠕動趨于結束。

圖2 素填土橫向分布示意(單位高程為m，其余為cm)

土體處于“V”字形山谷中，具有一定的對稱性，山坡兩側水平蠕動相向而行，水平位移受到相互限制，使得素填土不能發生大的水平位移。且素填土填筑已有5年，沉降固結已部分完成，后期不會發生急劇大量下沉情況，因而整個素填土層也不會同時發生較大的水平位移。這個特性使得它對結構的危害程度受到一定的限制。

4 橋梁基礎設計方案比選

4.1 素填土地基處理一般方法

對于較厚的素填土地基，目前較成熟的地基處理方法有強夯法、灌漿法、振沖法等。

強夯法處理地基是利用夯錘自由落下產生的沖擊波使地基密實，采用8 000 kN·m能級強夯的有效加固深度為10.0～11.5m［4－5］，采用12 000 kN·m能級強夯的有效加固深度為 12m［6］。

灌漿法的實質是用氣壓、液壓或電化學原理，把某些能固化的漿液注入天然或人為的裂隙或空隙，以改善各種介質的物理力學性質［4］。采用注入水泥漿，可處理地基深度達 30m［7］。

利用振動和水沖加固的方法叫作振沖法［4］，振沖法加固處理地基深度可達30m［8］。

4.2 提高樁基抗力法

單純加大樁徑可有效提高單樁豎向和水平承載能力，克服負摩擦力和素填土水平蠕變等影響。

4.3 樁－土隔離法

采用在樁外側設置表面涂刷特制瀝青層的鋼套筒，以降低負摩擦力，同時鋼套筒與混凝土樁身共同受力，提高了樁身抵抗地基水平蠕變能力。

4.4 設計方案比選(表2)

深厚素填土橋梁基礎設計需充分考慮:墩臺水平剛度限值要求和工后沉降限制要求、素填土沉降固結產生的負摩擦力影響、克服素填土固結過程中不均勻沉降以及附加水平蠕變等不利影響。

(1)強夯法、灌漿法、振沖法對周圍環境建筑物影響大，且加固范圍受場地范圍限制，要達到24m以上的加固深度具有較大的困難。

(2)單純加大樁徑的辦法經濟性差，當素填土厚度大于20m時，樁身承載力主要消耗在克服自身所受的負阻上，且素填土區樁基施工易造成坍孔等不利情況發生，難以控制成樁質量。

(3)鉆孔樁外設鋼套筒，鋼套筒外側設置特制瀝青層和泥漿護套，以降低負摩擦力，即樁－土隔離，同時鋼套筒與混凝土樁身共同受力，提高了樁身抵抗地基水平蠕變能力，并利于鉆孔樁基成孔。

經過技術、經濟比選，選用樁外側設置表面涂刷特制瀝青層的鋼筒管方案。

表2 各類基礎方案比較

5 減小負摩擦力措施研究

樁側負摩阻主要取決于樁體材料、樁基類型、土的特性、土－樁的相對位移量及速度，最有效的方法采用瀝青涂層，也有采用聚乙烯塑料外護層的方法［9］。實驗室試驗表明，采用混凝土或鋼材，外涂瀝青材料能減少85%～97%的摩擦［10］。現場試驗表明，外涂瀝青的鋼管樁，負摩阻能減少至14%［9］。

目前國內尚未有采用瀝青涂層樁的報道，考慮材料組份、制作工藝等因素與國外的差異性，設計時考慮采用瀝青涂層后，負摩阻減小至30%，并選取3根工程樁進行現場試驗，實測消除負摩阻效果。

6 樁基礎基本構造

設計采用變樁徑，素填土部分樁徑比下部樁徑大20 cm，下部樁徑分別為1.25m和1.5m，素填土部分鋼套筒樁徑分別為1.45m和1.7m。為了有效克服素填土水平蠕變影響，鋼套筒下端應伸入素填土以下不小于2.0m，上端沿護筒外側四周等間距焊接30根和40根HRB335鋼筋伸入承臺內。鋼護筒切割時，預留伸入承臺內15 cm。

7 外涂瀝青涂層的構造細節及施工措施

任何樁身涂料的有效性都取決于施工過程中的損傷程度及現場效果測試，并考慮涂料的耐久性。

7.1 瀝青涂層厚度及性能要求

在挪威，鋼管樁的瀝青涂層最小要求為1 cm。實驗室試驗表明，5mm厚的瀝青涂層較2～3mm的瀝青涂層的消除摩擦效果較好。考慮到降低涂樁的難度及施工過程中的損傷及老化，瀝青涂層厚度要求為6～10mm。

為保證涂層溫度穩定性及粘滯性，改性瀝青軟化點為60℃;針入度為75mm。

7.2 施工措施

為減少施工過程中對鋼套筒外側瀝青涂層的損傷，需采用下列施工措施。

(1)鋼護筒在打入之前先在樁位處利用沖擊鉆鉆一等直徑的孔。鉆孔樁施工必須采用沖擊鉆，這樣既可以擠密樁周土，提高樁周土的密實性，同時可以保證樁孔垂直度，有利于鋼套筒的安裝。

(2)由于鉆孔樁護壁泥漿的作用，既可有利于護筒的下沉，也可以有效保證鋼護筒打入過程中其外壁的瀝青涂層不被破壞，并有利于成樁后，進一步減少樁側負摩阻力。

(3)為防止瀝青涂層在鋼護筒下沉時被破壞，可將鋼護筒底部做稍大些，一般可在鋼套筒底部外側焊接1～2mm厚鋼板。

(4)施工中應按配方預先生產少量瀝青，按上述施工措施進行試打鋼護筒，根據試打鋼護筒情況決定是否調整施工工藝或施工措施。

8 樁基負摩阻的設計取值

中性點的位置、負摩擦力取值方法是樁基負摩擦力計算的2個重要方面。

8.1 中性點的位置

中性點是指樁的下沉量和地基沉降量相等的點，亦即負摩擦和正摩擦的轉換點，與樁身最大軸力點一致。一般幾乎不下沉的端承樁的中性點深，摩擦樁中性點淺［11］。一般研究得出中性點位置大致在0.65～0.75倍樁長間［12］。該橋樁基全按摩擦樁設計，持力層為全風化及強～弱風化花崗巖及細砂巖，持力層上為原狀3～9m厚的粉質黏土(σ0=120 kPa)及素填土，考慮風化花崗巖的低壓縮性及摩擦樁的下沉，設計時可保守地把中性點定義在風化層的表面上。

8.2 負摩阻力的取值

確定樁側摩阻力fN的方法有:靜力觸探法、鉆孔取土定值法、不排水抗剪強度試驗法、有效應力法、標準慣入試驗法。

標準慣入試驗法(不考慮瀝青涂層):fNi=3+N/5，其中N為標貫擊數，即N63.5。

9 樁基負摩阻的現場試驗

9.1 現場試驗概況

為確定試樁的單樁承載力并驗證設計，確定樁在自由狀態下試樁的水平承載力、樁側素填土地基系數的比例系數m值，測試樁穿越各土層的實際摩阻力，驗證消除負摩阻的工程措施效果，根據實驗結果進行工藝性總結，為剩余的工程樁提供參考。在全橋樁基施工前，選取3根φ1.25m、3根φ1.5m樁基進行試驗，分別為20號橋墩的1號、2號、4號樁基，11號橋墩的1號、2號、5號樁基。

采用自平衡法試樁［13］，試驗樁參數及實驗結果見圖3。

9.2 試驗成果及分析

設計時，分別按靜力觸探法、有效應力法、標準慣入試驗法進行負摩阻力計算，并采用較大值。取值大小與實驗值對比見表3。

圖3 樁身軸力和樁周摩阻力分布

表3 負摩阻力計算值與采取消除負摩阻措施后的實驗值比較

實驗結果表明，通過樁孔樁外設置鋼套筒，并在鋼套筒外涂制特制瀝青和泥漿，可以有效降低樁身負摩擦力。設計預估樁身平均負摩擦力系數為15 kPa，實際試驗實測負摩擦力系數值為2.1～10.9 kPa，平均為6.7 kPa，比設計預估值小。考慮到泥漿隨時間變化干縮后鋼套筒與土層黏結力會有一定的增大，適當提高負摩擦系數是符合實際的。

單樁水平荷載試驗表明，20號墩樁側土水平抗力系數m值為13 000～19 000 kN/m4，11號墩樁側土水平抗力系數m值為64 000～71 000 kN/m4，設計采用m值為6 000 kN/m4，實測m值較設計采用m值大。考慮到素填土仍處于沉降固結過程中，地表水下滲會引起填土局部濕陷軟化等因素，樁身水平剛度適當富余是合適的。

單樁水平荷載試驗表明，20號墩樁水平承載力特征值600 kN，11號墩樁水平承載力特征值1 800 kN，滿足抵抗素填土沉降過程中水平蠕動的要求。單樁最大水平位移10mm;試驗荷載下單樁沉降實測值摩擦樁為8～35mm，柱樁為1～14mm。由于豎向試驗荷載比使用狀態下荷載大，按試驗荷載推算橋墩工后沉降值均小于10mm。

10 結語

深厚素填土地基，除需要考慮土層固結沉降引起的負摩擦力外，還需要考慮其厚度、密實度不均勻性，以及局部濕陷等引起的水平蠕動對橋梁基礎的影響。一味通過加大樁徑，增加樁數來克服負摩擦力的不利影響既不經濟，也不現實。試驗結果表明，在樁外側設置鋼管套，并在鋼管表面涂刷特制瀝青層，利用鉆孔泥漿套，可有效減少樁身負摩擦力，同時鋼管套的設置可有效提高樁身水平抗力，抵抗素填土的水平蠕動產生的水平變形。

［1］趙明華．橋梁樁基礎計算與檢測［M］．北京:人民交通出版社，2000．

［2］方根男．樁基設計中樁側土的負摩阻力問題［J］．鐵道標準設計，2006(3):63－65．

［3］楊友梅．橋梁樁基負摩阻力淺析［J］．公路交通技術，2009(1):80－81．

［4］龔曉南．地基處理手冊［M］．3版．北京:中國建筑工業出版社，2008．

［5］年延凱，等．不同土質條件下高能級強夯加固效果測試與對比分析［J］．巖土工程學報，2009(1):139－144．

［6］趙振東，趙翔宇．高能級強夯處理碎石土地基的應用研究［J］．工程勘察，2011(10):29－32．

［7］楊照祥，等．固結灌漿方法在深厚新近填土地基加固中的應用［J］．貴州地質，2007(2):138－141．

［8］尤立新，劉勇．振沖法處理地基技術規范某些問題的討論［J］．巖土工程界，2000(2):15－21．

［9］ GEOTECHNICAL ENGINEERING OFFICE，Civil Engineering and Development Department，The Government of the Hong Kong Special Administrative Region． FOUNDATION DESIGN AND CONSTRUCTION［M］．Hong Kong:GEO PUBLICATION，2006(1):131－135．

［10］ Makarand G．Khare，Shailesh R．Gandhi．SKIN FRICTIONOFPILES COATEDWITH BITUMINOUSCOATS［J］．Geo-Denver，2007(2):18－21．

［11］馬時冬．樁身負摩阻力的現場測試與研究［J］．巖土力學，1997(1):8－15．

［12］張曉健．樁基負摩阻力研究現狀［J］．地下空間與工程學報，2006(2):315－319．

［13］李正祥．鐵路橋梁工程單樁承載力測試的自平衡法［J］．鐵道標準設計，2010(6):62－65．

Foundation Design of Railway Bridge w ith Deep and Thick Plain-Fill Subsoil

WANG De-hua

(China Railway Engineering Consulting Group Co．，Ltd．，Beijing 100055，China)

As for the deep and thick plain-fill subsoil，except needing to consider the negative friction force arising from soil consolidation settlement，the in-homogeneity on thickness and density，the influence on bridge foundation caused by horizontalwriggle of collapsible soil，also should be taken into account．In this paper，the foundation design of a supermajor bridge crossing above the Gongye Avenue on Nanning-Guangzhou Railway was taken as an example，and then comparison and selection for foundation scheme were carried out，together with the pile testing．The test results show that if a steel sleeve，which is painted by special asphalt，is installed outside of the pile，togetherwith the utilization of a drilling mud sleeve，the negative friction force can be effectively reduced．Simultaneously，the steel sleeve can increase the horizontal resistance force of the pile structure effectively，resisting the horizontal deformation caused by horizontalwriggling of plain fill．

railway bridge;foundation design;deep and thick plain-fill;negative friction force;steel sleeve

U443.1

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．019

1004－2954(2014)03－0080－05

2013－06－28;

2013－07－22

王德華(1965—)，男，高級工程師，1988年畢業于石家莊鐵道學院橋梁工程專業，工學學士，E-mail:wangdh111222@163．com。