某沿海軟土地區(qū)埋置式輕型橋臺(tái)樁基關(guān)鍵參數(shù)研究

鄒永誠(chéng)

(臺(tái)州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 臺(tái)州 318000)

1 研究背景

在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大背景下，浙江沿海城市進(jìn)行大規(guī)模的圍海造田，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、升級(jí)。由于場(chǎng)地均為海涂上填筑而成，下臥深厚軟土，土體含水量高、孔隙比大、承載力小，且靈敏度很高，導(dǎo)致工后沉降量大，穩(wěn)定性差，工程病害較多。

為解決城市防洪問(wèn)題，新開(kāi)挖河道密布，在超厚的軟土地基條件下(軟土深度超過(guò)50 m)，橋梁下部結(jié)構(gòu)占用橋梁建造費(fèi)用比重高，如何即節(jié)約橋梁下部結(jié)構(gòu)造價(jià)，又保證橋梁樁基在新吹填土上的穩(wěn)定、安全，是亟待解決的問(wèn)題。

本文結(jié)合該區(qū)域特點(diǎn)，對(duì)埋置式輕型橋臺(tái)樁距和樁徑關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，確保橋梁樁基礎(chǔ)合理布置，具有借鑒意義。

2 地質(zhì)情況

地質(zhì)勘查典型土層信息如表1所示。

表1 地質(zhì)勘查土層信息

持力層取第6層粉質(zhì)黏土，下面以單跨20 m簡(jiǎn)支橋梁(橋梁制動(dòng)力較不利)為例進(jìn)行分析研究。橋梁參數(shù)為橋?qū)?0 m，上部結(jié)構(gòu)采用矮T梁，20 cm鋪裝，臺(tái)后搭板6 m，支座采用GBZY 350×63型板式橡膠支座，支撐墊石高20 cm，如圖1所示。

圖1 橋臺(tái)處橫斷面圖

3 軸向承載力控制下的樁基選擇

3.1 橋臺(tái)樁基軸向承載力計(jì)算

橋臺(tái)樁基樁頂反力主要由上部結(jié)構(gòu)的恒載、汽車(chē)活載和人群活載組成。由于偏載的原因，不同樁基承擔(dān)的承載力不同，考慮不同樁基的偏載系數(shù)取1.3。選取樁基間距分別為4.5、5.4、6.75 m，分析樁基的最大樁頂反力。

橋臺(tái)蓋梁按連續(xù)梁設(shè)計(jì)，汽車(chē)活載按雙向六車(chē)道設(shè)計(jì)，不同跨徑最大樁頂反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最大樁頂反力匯總表

3.2 基于樁基軸向承載力樁基長(zhǎng)度選擇

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)第3.1.3條對(duì)于樁側(cè)土不排水抗剪強(qiáng)度小于10 kPa且長(zhǎng)徑比大于50的樁[1]，應(yīng)進(jìn)行樁身壓屈驗(yàn)算，隨著樁孔樁施工工藝進(jìn)一步提高在類(lèi)似地質(zhì)下有長(zhǎng)徑比達(dá)到100的成孔經(jīng)驗(yàn)[2-3]。根據(jù)本地經(jīng)驗(yàn)橋梁樁基長(zhǎng)徑比取60為宜。

該地區(qū)淤泥質(zhì)黏土層(層2)較厚，摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值僅為8 kPa，樁基上部對(duì)樁基承載力提供的作用較小，下部因穿透了淤泥層，發(fā)揮作用較大，橋梁樁基設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足成樁工藝的前提下，盡量選擇長(zhǎng)樁。

根據(jù)最大樁頂反力計(jì)算結(jié)果(表2)及圖2結(jié)果對(duì)比，在樁間距選擇4.5～6.75 m，Φ1.2 m及以上樁徑均能滿(mǎn)足軸向受壓承載力要求。在深厚軟土地質(zhì)情況下，邊跨跨徑不大的情況下，通過(guò)增加樁長(zhǎng)，較小直徑的樁基大都能滿(mǎn)足軸向受壓承載力的要求。

圖2 不同樁徑單樁軸向受壓承載力特征值

4 水平位移控制下的樁基選擇

樁基水平位移計(jì)算一般采用m法進(jìn)行計(jì)算，由于橋臺(tái)受力較為復(fù)雜，受到臺(tái)后填土(本例按臺(tái)后填土高度2 m計(jì)算，填土內(nèi)摩擦角取35°)、汽車(chē)荷載及溫度的綜合作用[3]，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 橋臺(tái)樁基水平位移計(jì)算圖示

基礎(chǔ)在地面處位移最大值不應(yīng)超過(guò)6 mm[4]，當(dāng)位移較大時(shí)，樁基設(shè)計(jì)時(shí)采用的m值應(yīng)適當(dāng)降低。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)第5.7.2條，對(duì)于水平位移敏感的建筑物，基礎(chǔ)在地面處水平位移控制6 mm。

結(jié)合以上兩本規(guī)范，橋臺(tái)水平位移的控制標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)在地面處位移最大值按6 mm控制。

橋臺(tái)樁基頂水平力及彎矩主要由臺(tái)后填土及汽車(chē)荷載引起的土壓力、汽車(chē)制動(dòng)力、整體降溫產(chǎn)生及上部豎向荷載引起的偏心彎矩等組成(本地區(qū)不考慮地震力)，分別按文獻(xiàn)[4]第4.3.4條和第4.3.5計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 橋臺(tái)樁基處荷載計(jì)算及組合表

汽車(chē)制動(dòng)力按同向3車(chē)道計(jì)算，折減系數(shù)為0.78。一個(gè)設(shè)計(jì)車(chē)道上汽車(chē)制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值不小于165 kN，故Fzdl=165×3×0.78=386 kN；一個(gè)橋臺(tái)分配的制動(dòng)力可近似取全橋制動(dòng)力的50%即193 kN。

整體降溫產(chǎn)生的溫度力：

Fwdl=Lx×(支座頂集成剛度)×a×t

(1)

式中，Lx為溫度變化臨界點(diǎn)距墩臺(tái)的距離,取10m；a為梁板的線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5(1/℃)；t為最大整體降溫幅度，取30℃。

由于板式橡膠支座的抗推剛度遠(yuǎn)小于樁土共同作用的抗推剛度，支座頂集成剛度可用板式橡膠支座的剛度近似計(jì)算：支座頂集成剛度=支座剪切模量Ge×單支座底面積×支座個(gè)數(shù)÷支座高度=1 000×(0.25×π×0.352)×19÷0.063=28 952kN/m，得Fwdl=10×28 952×1.0×10-5×30=174kN。

臺(tái)后填土及汽車(chē)荷載引起的土壓力計(jì)算按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)劃》(JTGD60—2015)4.2.3及4.3.4分別計(jì)算不再贅述，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3。

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3363—2019)附錄L，按m法計(jì)算彈性樁水平位移，由于本工程樁基較長(zhǎng)穿越不同的地層，但本工程穿越的土層2淤泥質(zhì)黏土層達(dá)31m，遠(yuǎn)大于m值換算厚度hm值[4，6]，故此m值取第二層淤泥質(zhì)黏土層m值計(jì)算，由《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG3363—2019)表L.0.2-1中m值取5 000kN/m4。

圖4 樁基位移圖(7樁，樁徑1.2 m)

其他計(jì)算類(lèi)似，計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表4。

表4 單樁地面處水平位移匯總表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，直徑Φ1.0m樁基在不同的樁基間距下，地面處水平位移均不滿(mǎn)足要求。直徑Φ1.2m樁基樁間距過(guò)大時(shí)不能滿(mǎn)足地面處水平位移要求，直徑Φ1.4m樁基水平位移控制較好。

綜上所述：在軟土地質(zhì)條件下(m值小于5 000kN/m4)，選擇樁基直徑Φ1.2～1.4m，樁基間距4.5～5.4m較合適。

5 造價(jià)分析

依據(jù)《浙江省市政工程預(yù)算定額》(2018版)，取樁基間距4.5、5.4 m，樁基直徑Φ1.2、Φ1.4 m，計(jì)算橋臺(tái)樁基的費(fèi)用分析見(jiàn)表5。

表5 橋梁邊跨跨徑20 m橋臺(tái)樁基費(fèi)用表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，采用樁基直徑Φ1.2 m，樁基間距5.4 m，造價(jià)相對(duì)Φ1.4 m樁基更經(jīng)濟(jì),但Φ1.4 m樁基水平位移控制更好。

6 研究結(jié)論

1)深厚軟土地基上橋臺(tái)樁基直徑的選擇往往受到水平位移的控制。樁基直徑越大水平位移控制越好，單排樁樁徑不宜小于1.2 m,樁間距控制在5 m左右。

2)在研究中發(fā)現(xiàn)臺(tái)后填土高度對(duì)橋梁樁基水平位移影響較大，在軟土地區(qū)采用單排樁輕型橋臺(tái)，填土高度不宜大于3 m，對(duì)于液性指數(shù)IL>0.75的黏性土建議進(jìn)行地基加固增強(qiáng)樁基的抵抗水平變位的能力，或采用輕質(zhì)填料減小臺(tái)后填土壓力。

3)橋臺(tái)樁基軸向受壓承載力加大樁基直徑增加承載力不明顯，建議選擇小直徑的長(zhǎng)樁，能獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。

[ID:013889]