徐健強

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

大同至西安客運專線沿線多為黃土地區(qū)且地形起伏較大。黃土地區(qū)溝壑縱橫、坡陡溝深,基巖一般埋藏較深,基礎(chǔ)大多采用樁基礎(chǔ)。此類地區(qū)修建鐵路相比一般平原區(qū)、微丘區(qū)不穩(wěn)定因素增多, 加上大部分表層新黃土具濕陷性,對鐵路橋涵控制性因素增多。陡坡上的橋梁墩臺基礎(chǔ)受力有別于平原區(qū),相鄰墩臺處地面高差較大；承臺下樁身側(cè)面由于受相鄰墩臺的刷坡影響(圖1),樁側(cè)土體已不能提供足夠的土抗力及有效的摩阻力。基礎(chǔ)設(shè)計時除要考慮樁的承載能力外,還要同時顧及陡坎邊坡的穩(wěn)定,需考慮一定長度的自由樁長并采取一定的防護(hù)措施保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。結(jié)合大西客專施工圖設(shè)計對黃土陡坎橋梁基礎(chǔ)設(shè)計原則及注意事項進(jìn)行分析。

圖1 陡坡地段橋梁基礎(chǔ)布置

2 自由樁長取值

我國現(xiàn)行的鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范,對樁頂承受側(cè)向外力(橫向力和力矩)的等截面樁,采取樁側(cè)土的地基系數(shù)沿深度成直線增長的規(guī)律,以此考慮土對樁的土抗力。在進(jìn)行樁身變位(側(cè)移和轉(zhuǎn)角)、樁身內(nèi)力(彎矩和剪力)和樁側(cè)土的應(yīng)力分析時,假定土體為彈性變形介質(zhì),具有沿深度成正比增長的地基系數(shù)；計算中不考慮樁與土之間的黏著力和摩擦力。

樁基礎(chǔ)在外力作用時,樁身發(fā)生側(cè)移或旋轉(zhuǎn)(圖2),樁的一側(cè)土產(chǎn)生主動土壓力,另一側(cè)產(chǎn)生被動土壓力,當(dāng)樁對側(cè)面土產(chǎn)生的水平壓應(yīng)力大于對樁的被動土壓力與主動土壓力之差時(不計土與樁壁之間摩阻力的影響)認(rèn)為土體將發(fā)生剪切破壞。

根據(jù)上述分析,確定對墩臺自由樁長的取值原則。

圖2 樁基礎(chǔ)計算分析

2.1 橋墩樁基礎(chǔ)自由樁長取值(圖3)

自坡體坡腳點O處作一水平線和一與該水平線構(gòu)成夾角為φ(φ應(yīng)為由地質(zhì)情況決定的基坑邊坡開挖穩(wěn)定角度,即OC線以上土體是不穩(wěn)定的)的斜線OC。樁基礎(chǔ)發(fā)生橫向位移變形時樁身對土體產(chǎn)生壓應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過土體的抗剪強度時,坡底線(OA)以上土體發(fā)生剪切破壞,破裂面(BC)以上的坡 面將發(fā)生滑動造成CD線以上范圍的樁側(cè)土坍塌,從而導(dǎo)致AB面以上樁側(cè)土不能提供樁身足夠的土抗力,即承臺底至CD面的距離L0按自由樁長考慮。

圖3 橋墩樁基礎(chǔ)自由樁長取值

黏性土的抗剪強度包括摩擦強度和黏聚強度2個部分。由于黏聚力的存在,黏性土不會像無黏性土坡一樣沿坡面滑動,危險的滑動面必定深入土體內(nèi)部。對于均勻黏性土坡,危險的滑動面一般通過坡腳,即當(dāng)穩(wěn)定邊坡點C處發(fā)生剪切破壞時,CD面以上土體將沿一個通過C點的破裂面發(fā)生滑坡,從而造成樁身喪失土抗力。

2.2 橋臺樁基礎(chǔ)自由樁長取值(圖4)

橋臺樁基礎(chǔ)受臺后路基填土的主動土壓力作用,樁頂將產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角。根據(jù)樁基計算分析,當(dāng)樁長L>2.5/α?xí)r,樁底土豎向抗力對δQQ、δMQ、δQM、δMM影響非常小,可忽略不計。此時當(dāng)?shù)孛嫣幫瑫r作用M0、Q0時,樁身在地面處的橫向位移x0和轉(zhuǎn)角φ0為

x0=Q0δQQ+M0δQM

φ0=-(Q0δMQ+M0δMM)

式中δQQ、δMQ——樁在地面處僅承受單位力矩M0=1(Q0=0)時樁身地面處的橫線位移和轉(zhuǎn)角；

δQM、δMM——樁在地面處僅承受單位水平力Q0=1(M0=0)時樁身地面處的橫線位移和轉(zhuǎn)角。

通過分析,在非巖石地基上,當(dāng)樁長L>2.5/α?xí)r認(rèn)為其為樁頂位移、轉(zhuǎn)角不受樁底土抗力影響的彈性樁,設(shè)計中以承臺底以下2.5/α處為嵌固點計算樁身位移對樁側(cè)土影響。換算深度2.5(AB線)以上土體將受到樁身位移的影響產(chǎn)生以AD線為破裂面的剪切破壞,致使CD線以上土體松動坍塌從而使此范圍內(nèi)土體不能提供給樁身足夠的土抗力,即承臺底至CD面按自由樁長計算。

注：L0=2.5/α；L1為自由樁長取值,其余同前。

設(shè)計過程中,穩(wěn)定邊坡線按土體內(nèi)摩擦角確定,施工時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場開挖情況核實確認(rèn)。墩臺自由樁長除按上述方法確定外,還應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗按近陡坎側(cè)樁身至刷坡線的水平距離進(jìn)行雙控,即：水平距離d以上為自由樁長與上述方法計算結(jié)果進(jìn)行比較,取更不利者進(jìn)行基礎(chǔ)計算。根據(jù)線路等級、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及場地土條件,d一般取10～15 m。

3 考慮自由樁長的樁側(cè)土壓力計算(圖5)

墩臺基礎(chǔ)在發(fā)生位移的同時樁身同時受到背離位移方向土體的主動土壓力以及承臺前側(cè)的被動土壓力；橋臺基礎(chǔ)一直受到臺后路基填土的主動土壓力以及承臺前側(cè)被動土壓力影響,基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)予以考慮。

圖5 土壓力計算示意

3.1 承臺后側(cè)主動土壓力計算

主動土壓力按庫倫(楔體極限平衡)理論推導(dǎo)的主動土壓力計算

土壓力的著力點至計算土層底面的距離為

式中E——承臺后側(cè)的主動土壓力，kN；

C——土壓力的著力點至計算土層底面的距離，m；

γ——土的容重，kN/m3；

H——計算土層的厚度，m；

B——承臺或樁身的計算寬度，m；

λ——主動土壓力系數(shù),

φ——土的內(nèi)摩擦角，(°)；

δ——墩臺背與填料之間的外摩擦角，(°)。

3.2 承臺前側(cè)被動土壓力計算

被動土壓力的計算亦采用庫倫土壓力理論

式中EP——承臺前側(cè)的被動土壓力，kN；

KP——庫倫被動土壓力系數(shù)，

式中其他符號意義同前。

關(guān)于承臺前側(cè)被動土壓力,當(dāng)承臺前側(cè)無水流沖刷時,考慮到土體坍塌的可能性,計算時應(yīng)予以折減；當(dāng)承臺前側(cè)有水流掏空樁前土?xí)r,不計被動土壓力。

3.3 土壓力計算相關(guān)參數(shù)取值

對滲水土采用內(nèi)摩擦角φ=33°；對一般填石采用內(nèi)摩擦角φ=40°；填料與承臺、樁身表面的外摩擦角δ=φ/2。當(dāng)實際情況與上述有出入時,應(yīng)以實際資料或通過試驗作為計算的依據(jù)。

上述公式中,d為樁直徑或?qū)挾?L代表樁凈距,n為樁根數(shù)。

4 濕陷性黃土中的樁基礎(chǔ)

位于各級濕陷性黃土地區(qū)的橋梁,其墩臺基礎(chǔ)一般置于非濕陷性土層中。當(dāng)采用樁基時,樁端必須穿透濕陷性黃土層,并應(yīng)符合下列要求：

(1)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；

(2)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。

4.1 濕陷性黃土設(shè)計參數(shù)取值

在非自重濕陷性黃土場地,當(dāng)自重濕陷量的計算值小于50 mm時,單樁豎向承載力的計算應(yīng)計入濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力。在自重濕陷性黃土場地,除不計濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力外,尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩擦力。樁基礎(chǔ)計算時,樁負(fù)摩阻力按下述原則進(jìn)行取值：

(1)非自重濕陷性黃土層,不計摩阻力；地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取5 000 kPa/m2。

(2)Ⅰ、Ⅱ級自重濕陷性黃土,負(fù)摩阻力取-10 kPa；地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取4 500 kPa/m2。

(3)Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性黃土,負(fù)摩阻力取-15 kPa；地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取2 500 kPa/m2。

濕陷性黃土的計算厚度按土層厚度的0.6～0.8倍考慮,其余部分摩阻力取0。

4.2 設(shè)計計算注意事項

(1)濕陷性黃土取負(fù)摩阻力時不與地震力組合,即地震力檢算時摩阻力取0。

(2)樁的縱向鋼筋長度應(yīng)根據(jù)計算確定,并不應(yīng)小于濕陷性黃土層的厚度。

5 結(jié)論

黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)對濕陷性黃土各計算參數(shù)合理取值,還應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)條件、邊坡穩(wěn)定性綜合考慮自由樁長的取值以及側(cè)向土壓力的計算,以確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全。除考慮單個墩(臺)設(shè)計情況還應(yīng)注意相鄰墩臺間的相互影響。

(1)同一斷面處要整體考慮,相鄰墩臺間應(yīng)該注意相互間影響、統(tǒng)一確定埋深,減少基礎(chǔ)設(shè)計的整體難度并盡量減少基礎(chǔ)挖方。

(2)對于墩臺基礎(chǔ)埋深的確定應(yīng)結(jié)合橫、縱斷面全面考慮后確定,保證基礎(chǔ)全部埋置于地面之下；橫縱向均存在陡坎時需同時考慮橫縱向自由樁長及土壓力的影響。

(3)基礎(chǔ)施工開挖面較大且刷坡較高的工點，對邊坡應(yīng)該采取一定的防護(hù)措施，以提高邊坡的穩(wěn)定性。

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