姬偉力

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

在高速鐵路橋梁設計中，廣泛采用鉆孔樁基礎。鐵路橋梁樁基礎設計方法與步驟一般是先根據(jù)所收集的必要設計資料，如地質(zhì)報告、鉆孔巖心鑒定表、土工試驗報告、液化試驗報告、地震動反應譜分析結(jié)果、現(xiàn)場平面圖、所跨越障礙物的實測數(shù)據(jù)、所跨河流的水文資料等;然后基于上述材料，迅速理清準確的設計理念，依據(jù)規(guī)范的有關要求，選擇樁基類型、樁根數(shù)、樁的布置形式、承臺尺寸等;之后進行樁基礎長度的計算，檢算主力、主力+附加力、主力+特載等多種工況下樁端應力的設計數(shù)據(jù)，確保達成樁身、承臺的強度及穩(wěn)定性等工程指標、契合規(guī)范規(guī)定的各項設計要求［5］。

1 鐵路橋梁樁基礎設計要點

1.1 柱樁與摩擦樁的選擇

鐵路橋梁樁基礎中的常用類型有摩擦樁(圖1)及柱樁(嵌巖樁)(圖2)兩種［3］。柱樁與摩擦樁的選擇主要根據(jù)地質(zhì)和受力情況確定，柱樁容許承載力高，沉降量小，安全可靠。當基巖面較淺時，首選柱樁基礎，樁長較短、承載力富余值高、圬工量小。根據(jù)以往高速鐵路設計及施工經(jīng)驗，柱樁最小樁長可根據(jù)不同樁徑、不同巖層承載力依據(jù)計算確定，原則上6～8 m為宜;當巖層基本承載力過高，施工時爆破難度較大時，嵌巖深度不宜過深，以2倍設計樁徑左右為宜。

圖2 柱樁

當基本承載力較高的新鮮巖面埋置較深時，則可采用摩擦樁，但在同一個墩臺的樁基礎中不宜同時采用柱樁和摩擦樁，混凝土禁止采用不同強度等級，樁身直徑不宜相差過大，下穿溶洞時，各樁樁身長度不宜相差過大，以避免整個基礎產(chǎn)生不均勻沉降，導致歪斜、失穩(wěn)，進而造成永久性病害及安全隱患，嚴重威脅正常運營。

選擇樁基礎類型時應依據(jù)地質(zhì)報告及橋址處鉆孔巖心鑒定表對墩臺位置處的地質(zhì)條件進行準確的判斷，大致確定用摩擦樁還是柱樁。

鑒于個別基礎底部巖層屬于強風化層，按摩擦樁設計的安全性要明顯優(yōu)于柱樁，故大致確定樁型后還應準確判定樁底持力層為土質(zhì)還是巖層，若為巖層還應按照巖層有無風化、風化等級、軟硬程度、巖石軸心抗壓強度數(shù)值等，最終選擇出采用摩擦樁還是柱樁(嵌巖樁)。

1.2 樁長的擬定和單樁容許承載力的確定

設計過程中，建議設計人員首選將樁底置于巖層或承載力較高的土層中，如新鮮巖面、粗砂、圓礫土、卵石土、漂石土等，充分利用其基本承載力較大、工后沉降量較小、可控的優(yōu)勢。如在施工設備、工藝所能達到的容許深度內(nèi)沒有堅實土層存在，應盡可能選擇無濕陷性、無膨脹性、基本承載力較高的土層作為持力層，同時要注意避免把樁底置于軟土層內(nèi)或離軟弱下臥層的距離過近的土層內(nèi)，以免樁基礎產(chǎn)生過大的工后沉降，引起基礎失穩(wěn)，威脅行車安全［2］，在高速鐵路設計過程中要尤其注意。

針對摩擦樁，樁底持力層可有多種選擇，此時樁長與樁根數(shù)的擬定乃相輔相成的關系，遇到這種情況可通過試算并遵循技術可行性、經(jīng)濟性等指標進行反復比較，選用較為合理的樁長。但應注意試算過程中摩擦樁的樁長不應擬定的太短，因為樁長過短將達不到把荷載傳遞到地基土深層、減小工后沉降的目的，否則必然使樁基礎根數(shù)大幅增加，提高施工難度、造成不必要的浪費。

此外，為保證充分發(fā)揮摩擦樁樁底土層基本承載力的天然優(yōu)勢，樁端必須伸入持力層一定深度，一般不宜小于1倍設計樁徑。

以鐵路橋梁基礎樁徑1 m的樁基為例，樁根數(shù)為4根，樁長30 m，計算得出的樁身混凝土總量為

V=π×0.52×30×4=94.3 m3(此時為承載力控制)

因此在樁長不變的前提下應增加樁根數(shù)，假設當加至6根樁時，樁長縮短了2.5 m，樁身混凝土總量為

V=π×0.52×27.5×6=129.6 m3(承載力及經(jīng)濟指標基本兼顧)

此時若僅考慮樁端承載力因素，再將樁根數(shù)加至8根，單樁承載力3 300 kPa，樁長縮短1.5 m，樁身混凝土總量為

V=π×0.52×26×8=163.4 m3(不經(jīng)濟)

1.3 承臺的合理埋置深度

鐵路橋梁承臺高度主要采用2、2.5 m兩種，當應用于時速大于300 km的高速鐵路或地質(zhì)較為復雜、樁根數(shù)較多、基礎剛性角不滿足的情況下，可酌情將基礎加高0.5～1 m。通常情況下承臺頂面應置于地面下0.5 m左右，受墩高為0.5 m整倍數(shù)的影響，承臺頂面距地面深度常常在0.3～0.7 m波動。

當承臺埋置于凍脹土層中時，為了避免由于土的凍脹引起樁基礎的損壞，承臺底面應埋置于土壤最大凍結(jié)深度線以下不小于0.25 m。

遇到流水局部沖刷過深、或施工防排水設施設置難度較大、地面橫向坡度過于陡峭且地表土均為黏性土時，在滿足受力的前提下，可以采用高樁承臺，將承臺頂面露出地表一定高度［4］;而在有流冰的河道中，承臺底面埋置于最低冰層面以下不應小于0.25 m;在有其他漂流物或通航的河道中，考慮到水流對樁基的日常沖刷作用，一定長度的樁基會出露(該部分定義為自由樁長，且不計摩阻力)，此時承臺也應適當深埋，以保證樁基不會受到直接的沖撞而毀壞，當技術條件不滿足時，可在橋墩迎水面設置防撞擊裝置(如破冰棱)。

當作用在樁頂?shù)乃搅皬澗剌^大(如雙線墩臺、單線架梁及行車時)，或樁周土層極限摩阻力過低時(如濕陷性黃土、膨脹巖土等不良地質(zhì))，為減少樁身所受的彎矩及剪力，可將承臺埋深適當加大。

2 高速鐵路橋梁樁基礎設計

以寶雞至蘭州客運專線為例，具體說明針對高速鐵路橋梁樁基礎設計的參數(shù)選取和技術要求。

2.1 基本構造要求

一般簡支梁墩臺樁基礎在地震動峰值加速度Ag≤0.15g地區(qū)優(yōu)先采用φ1.0 m樁徑(樁根數(shù)不超過10根);地震動峰值加速度Ag≥0.2g地區(qū)優(yōu)先采用φ1.25 m樁徑。位于有可能產(chǎn)生漂石磨蝕、流冰磨蝕及泥石流的河流中的橋墩樁基礎，其樁徑不宜小于φ1.25 m。其他大跨、高墩、特殊結(jié)構及地基較差的工點，根據(jù)計算確定樁徑，樁徑應適當增大。

柱樁和挖孔樁樁徑一般不宜小于1.25 m。樁基基本尺寸的規(guī)定見表1。

表1 樁基基本尺寸的規(guī)定［1］ cm

以上對寶蘭客運專線橋梁樁基礎的構造按結(jié)構類型、地形條件給出了大致的框架。

2.2 承載力控制要素

(1)主力作用下單樁承載力不宜大于以下限值。摩擦樁(含特殊結(jié)構樁):

樁徑 φ1.0 m:≤4 000 kN 樁 徑 φ1.25 m:≤6 000 kN;

樁徑 φ1.5 m:≤8 800 kN 樁徑 φ1.8 m:≤12 000 kN。

柱樁:其承載力限值按照樁底混凝土最大壓應力不超過6 MPa控制設計。

計算單樁容許承載力時，樁底面積按設計樁徑計算，摩擦樁樁周摩阻周長均按設計樁徑+5 cm計算。

對于一般橋梁，在困難條件下原則上可超過以上限值10%以內(nèi)。

(2)在主力+特殊荷載(地震力除外)作用下，摩擦樁單樁容許承載力可在上述限值基礎上提高20%～40%，柱樁單樁容許承載力可在上述限值基礎上提高40%;主力+地震力作用下按《鐵路工程抗震設計規(guī)范(2009 年版)》(GB50111—2006)辦理［1］。

(3)摩擦樁單樁承載力富余值控制在5% ～10%，柱樁控制在5%左右。主力加特殊荷載及主力加地震力作用下控制樁長時，單樁承載力富余值控制在2%左右。

(4)計算柱樁單樁承載力時，巖石極限抗壓強度采用地質(zhì)所提資料，若地質(zhì)資料中無巖石極限抗壓強度時，參照表2確定。

表2 樁基計算相關巖石設計參數(shù)取值

(5)一般土層的樁周極限摩阻力fi根據(jù)土的性質(zhì)狀態(tài)，按《橋涵基礎設計規(guī)范》6.2.2條規(guī)定并結(jié)合設計經(jīng)驗取用。

3 不良地質(zhì)區(qū)樁基礎設計

寶蘭客運專線線路走行處，濕陷性黃土、黃土沖溝大面積存在。因此，樁基礎的設計還必須針對這些情況予以必要的考慮。

3.1 濕陷性黃土地區(qū)

位于各級濕陷性黃土地區(qū)的橋梁，樁基應穿透濕陷性黃土層，將樁底置于穩(wěn)定可靠的非濕陷性土層中。

濕陷性黃土地段樁基礎的負摩阻力暫按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025—2004)取值。Ⅱ級自重濕陷性負摩阻力?。?0 kPa，Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性負摩阻力?。?5 kPa，負摩阻力計算范圍按地質(zhì)報告提供的濕陷土層厚度的80%計;主力+地震力作用下不計黃土濕陷性(樁側(cè)摩阻力取零)。

對于非自重濕陷性黃土，當其自重濕陷量計算值Δzs≥50 mm時，樁側(cè)摩阻力取零，當其自重濕陷量計算值Δzs＜50 mm時，樁側(cè)摩阻力取該濕陷性土層飽和狀態(tài)下的正摩阻力(8～15 kPa)。

濕陷性土層范圍地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m按飽和狀態(tài)下濕陷性黃土取值，范圍在2 500～6 000 kPa/m2，一般硬塑非自重濕陷土層取6 000 kPa/m2，硬塑Ⅱ級自重濕陷土層取4 500 kPa/m2，硬塑Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷土層取2 500 kPa/m2。

3.2 黃土沖溝地區(qū)

Q4黃土因穩(wěn)定邊坡線以上的土體欠穩(wěn)定，為避免承臺承受過大的側(cè)向土壓力，樁基礎設計時一般將承臺靠山側(cè)置于穩(wěn)定邊坡線以下。如果基礎埋置過深或刷方量過大，也可以將承臺提高，此時樁基計算應考慮自由樁長。同時，為減少土方工程，在承臺施工時垂直開挖為宜，如圖3所示。

圖3 Q4黃土邊坡埋深示意

Q3、Q2黃土土質(zhì)較好，為減少土方數(shù)量，提高承臺的埋深。如圖4所示，從溝底最低點作穩(wěn)定邊坡線EF交基礎于F，由F做垂線交自然邊坡于G點，以F為圓心，F(xiàn)G為半徑，作圓弧交基礎于A點即承臺頂面。同時基礎頂面至自然邊坡的距離應大于5 m，并不小于基礎寬度。對于Q3黃土穩(wěn)定邊坡線上的土體不計摩阻力及土抗力，對于Q2黃土穩(wěn)定邊坡線上的土體摩阻力及土抗力取正常值的一半。

圖4 Q3、Q2黃土邊坡埋深示意

黃土穩(wěn)定邊坡角如工點地質(zhì)資料未提供，Q3、Q2黃土按照35°取值，Q4黃土按照30°取值。

4 結(jié)語

本文提供了寶雞至蘭州客運專線橋梁樁基礎設計的參數(shù)選取和技術要求，這些具體規(guī)定為寶蘭客運專線橋梁設計的順利完成提供了技術保障，對于其他西北地區(qū)客運專線的設計也有一定的借鑒意義。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］鐵道部第三勘測設計院.鐵路工程技術手冊·橋梁設計通用資料［M］.北京:中國鐵道出版社，1993.

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