中小橋明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)軟弱下臥層地基承載力驗(yàn)算

宋 佳

(合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司,安徽 合肥 230041)

0 引 言

明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)由于埋深淺,結(jié)構(gòu)形式簡單,施工方法簡便及工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),成為中小橋最常用的基礎(chǔ)形式[1]。但明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)往往自重較大,對(duì)地基強(qiáng)度要求較高。如果地質(zhì)條件較好,明挖淺基礎(chǔ)是中小橋設(shè)計(jì)的首選方案。根據(jù)JTG D63-2007《公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(下文簡稱“規(guī)范”),在淺基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中,需驗(yàn)算基底應(yīng)力、基礎(chǔ)沉降和基礎(chǔ)穩(wěn)定。而對(duì)于基礎(chǔ)底面下有軟弱地基或軟土層時(shí),還要驗(yàn)算軟弱地基或軟土層的承載力。本文通過某工程實(shí)例,從地基承載力驗(yàn)算的角度,探討有軟弱下臥層的明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)的驗(yàn)算方法。

1 工程實(shí)例

某1～20 m跨簡支板橋,橋?qū)?2 m,臺(tái)高6 m。擬采用重力式橋臺(tái),明挖擴(kuò)大基礎(chǔ),2層基礎(chǔ),每層厚度0.75 m,擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深0.5 m,基礎(chǔ)寬度b=3.8 m,基礎(chǔ)長度l=12.8 m。橋臺(tái)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 橋臺(tái)構(gòu)造示意圖

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告,橋位處巖土層從上至下依次為① 黏土、② 粉質(zhì)黏土、③ 黏土,各巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。不考慮地下水影響。

表1 各巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 關(guān)于軟弱下臥層的概念

地基中直接承受結(jié)構(gòu)荷載的巖土層叫持力層,下臥層是指位于結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)持力層以下,并處于壓縮層范圍內(nèi)的各巖土層[2]?！耙?guī)范”對(duì)于軟弱下臥層沒有明確規(guī)定,僅表示基底下有濕陷性土或液性指數(shù)大于0.6的黏性土下臥層時(shí)才進(jìn)行驗(yàn)算。在工程實(shí)際中,軟弱下臥層一般指下臥層中承載力明顯低于持力層(或上層土層)的巖土層。

本工程① 層黏土為基礎(chǔ)持力層,② 層粉質(zhì)黏土為下臥層,由于其承載力明顯低于持力層,可定性為軟弱下臥層。故本工程的地基強(qiáng)度驗(yàn)算不僅要保證基底應(yīng)力不超過持力層的強(qiáng)度,還要對(duì)持力層以下的軟弱下臥層進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)軟弱下臥層的承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),需采取相應(yīng)的地基處理措施。

1.3 持力層強(qiáng)度驗(yàn)算

本橋橋臺(tái)承受的荷載主要有:上部結(jié)構(gòu)恒載、活載、臺(tái)身自重、基礎(chǔ)及基礎(chǔ)上土重、臺(tái)后土壓力等。橋臺(tái)臺(tái)身受力及各分項(xiàng)荷載如圖2和表2。

圖2 橋臺(tái)受力簡圖(未示出橋臺(tái)側(cè)墻)

表2 橋臺(tái)各項(xiàng)內(nèi)力計(jì)算

各作用效應(yīng)在基底產(chǎn)生的豎向力和彎矩值分別為:G=10 194 kN,M=3 296 kN·m。

持力層的最大壓應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

(1)

式中:pmax為基底最大應(yīng)力,kPa;A為基礎(chǔ)底面面積,m2;W為基礎(chǔ)底面的抵抗矩,m3;γR為地基承載力容許值抗力系數(shù),取1.25;[fa]為修正后的地基承載力容許值,[fa]=[fa0]=220 kPa。

經(jīng)計(jì)算pmax=241 kPa≤1.25×220=275 kPa，即基礎(chǔ)持力層強(qiáng)度滿足要求。

1.4 軟弱下臥層承載力驗(yàn)算

在上文計(jì)算的基底壓應(yīng)力基礎(chǔ)上,可采用附加應(yīng)力系數(shù)法計(jì)算軟弱下臥層承載力。

根據(jù)“規(guī)范”第4.2.6條,軟弱下臥層承載力為

pz=γ1(h+z)+α(p-γ2h)≤γR[fa]

(2)

式中:pz為軟弱下臥層壓應(yīng)力,kPa;h為基底埋置深度,m;z為基底到軟弱下臥層的距離,m;γ1為(h+z)范圍內(nèi)各土層換算重度,kN/m3;γ2為h范圍內(nèi)各土層換算重度,kN/m3;α為土中附加壓應(yīng)力系數(shù);p為基底壓應(yīng)力,kPa;[fa]=[fa0]=100 kPa。

故h=2 m,z=1 m,γ1=20 kN/m3,γ2=20 kN/m3,由“規(guī)范”附錄M:l/b=12.8/3.8=3.368,z/b=1/3.8=0.263,附加壓應(yīng)力系數(shù)α=0.928,p取距最大壓應(yīng)力點(diǎn)b/3處的壓應(yīng)力,p=225.5 kPa。

算得pz=232 kPa>1.25×100=125 kPa

由上述計(jì)算結(jié)果可知,② 層粉質(zhì)黏土層的承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求,需要采取地基處理措施。

2 地基處理措施

當(dāng)軟弱下臥層的承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),一般采用調(diào)整基礎(chǔ)尺寸或換填墊層法處理。本文重點(diǎn)介紹換填墊層法。一般來說隨著地基的加深,附加壓應(yīng)力將逐步減小,基底壓應(yīng)力的影響也將減小。換填墊層法的原理就是利用一些具有較大的變形模量和強(qiáng)度的材料置換軟弱土層,這樣基礎(chǔ)底面的壓應(yīng)力通過墊層擴(kuò)散作用分布到較大的面積。

換填墊層的厚度應(yīng)根據(jù)置換軟弱土的深度以及下臥土層的承載力確定,厚度宜為0.5～3.0 m。太厚則工困難,太薄則換填作用不顯著。

本工程采用砂礫石換填。由于軟土層較厚,不能全部置換,通過反復(fù)試算,換填深度2.5 m,如圖3所示。

圖3 換填示意圖

墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊緣不小于0.3 m,底面寬度應(yīng)滿足基底應(yīng)力擴(kuò)散的要求,按下式確定:

b1=b+2ztanθ

(3)

換填墊層的承載力宜通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)確定,一般可按“規(guī)范”表4.5.4參考采用。

3 換填后軟弱下臥層承載力計(jì)算

由于換填后的軟弱下臥層埋置深度增加,應(yīng)對(duì)軟弱下臥層承載力容許值應(yīng)進(jìn)行深度修正,計(jì)算公式如下：

[fa]=[fa0]+k1γ1(b-2)+k2γ2(h-3)

(4)

式中:k1、k2為基底寬度、深度修正系數(shù);γ1為軟弱下臥層重度,kN/m3;γ2為墊層底面以上各土層加權(quán)平均重度,kN/m3。

[fa0]=100 kPa,k1=0,k2=2.5,γ1=19 kN/m3,γ2=21.1 kN/m3,b=3.8 m,h=4.5 m。

算得[fa]=179.1 kPa。

換填后軟弱下臥層承載力計(jì)算采用擴(kuò)散角法,并應(yīng)符合式(5)～式(6)要求。

p0k+pgk≤γR[fa]

(5)

(6)

b+2ztanθ=6.686 m

l+2ztanθ=15.686 m

pgk=2×20+2.5×22=95 kPa

p0k=78.6 kPa

p0k+pgk=173.6 kPa≤γR[fa]=223.8 kPa

本工程采用的換填處理措施,解決了軟弱下臥層承載力不足的問題,為工程的可行性提供了理論支持。

4 結(jié)束語

明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)是中小橋常用的基礎(chǔ)形式。當(dāng)?shù)鼗芰Ψ秶鷥?nèi)有軟弱下臥層時(shí),應(yīng)驗(yàn)算軟弱下臥層的強(qiáng)度。本文通過某工程實(shí)例,介紹軟弱下臥層換填處理措施,及換填后地基承載力的計(jì)算,可為同類工程的設(shè)計(jì)提供參考。