種博肖

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

黃土地區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)

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(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

中衛(wèi)至蘭州客運(yùn)專線沿線多為黃土地區(qū)，地形起伏較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，在黃土深溝陡坡上進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)是本線的一大難題。文章結(jié)合中蘭客運(yùn)專線的地形地質(zhì)特征，重點(diǎn)從橋梁布設(shè)原則、墩臺(tái)刷方邊坡穩(wěn)定性、樁基自由樁長(zhǎng)的確定及橋臺(tái)設(shè)置等方面，對(duì)本線黃土深溝陡坡地段橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入闡述。針對(duì)濕陷性黃土的工程地質(zhì)特性，分別對(duì)非自重濕陷性黃土和自重濕陷性黃土提出了樁基負(fù)摩阻力的取值范圍，研究了樁側(cè)負(fù)摩阻力的計(jì)算深度和m值的計(jì)算原則，修正了現(xiàn)行《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)濕陷性黃土地區(qū)基礎(chǔ)沉降的計(jì)算方法，并簡(jiǎn)要介紹了黃土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)施工的注意事項(xiàng)和應(yīng)采取的相關(guān)工程措施，為類似地區(qū)橋梁工程的設(shè)計(jì)與施工提供了實(shí)用經(jīng)驗(yàn)。

中蘭客運(yùn)專線； 黃土深溝陡坡； 濕陷性黃土； 負(fù)摩阻力

1 概述

中衛(wèi)至蘭州客運(yùn)專線是京蘭客專的重要組成部分，是我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展核心區(qū)域的重要交通基礎(chǔ)實(shí)施。該線位于寧夏回族自治區(qū)和甘肅省境內(nèi)，線路北起寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市，向南經(jīng)白銀市及蘭州市，引入蘭州站，途經(jīng)平川區(qū)、靖遠(yuǎn)縣和皋蘭縣。線路全長(zhǎng)224.7 km，共有特大、大中橋梁91座，橋梁總長(zhǎng)84.2 km，占線路長(zhǎng)度的37.5%。其中黃土地區(qū)橋梁的分布段落長(zhǎng)度約69 km，占該線橋梁長(zhǎng)度的82%。

1.1 地形地貌

沿線黃土分布廣泛，大部分段落黃土層較厚，地形起伏較大，經(jīng)過(guò)地貌單元有黃河河谷階地區(qū)、山前及山間沖洪積傾斜平原區(qū)、低中山區(qū)、黃土梁峁區(qū)及寬谷區(qū)。

1.2 工程地質(zhì)特點(diǎn)

沿線黃土主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積、風(fēng)洪積砂質(zhì)黃土和上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖洪積砂質(zhì)黃土組成，多為Ⅱ級(jí)(中等)～Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷性場(chǎng)地，濕陷土層厚度為10～35 m，局部黃土梁峁區(qū)濕陷土層厚度可達(dá)35～50 m，為Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷性場(chǎng)地。

全線范圍內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g～0.3 g，地震烈度Ⅶ～Ⅷ，71%橋梁位于八度區(qū)。

1.3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：高速鐵路；

(2)正線數(shù)目：雙線；

(3)線間距：4.6 m；

(4)設(shè)計(jì)速度：250 km/h；

(5)軌道結(jié)構(gòu)形式：有砟軌道；

(6)設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

2 黃土深溝陡坡地段橋梁設(shè)計(jì)

2.1 橋梁布設(shè)原則

相對(duì)平原、微丘地區(qū)，黃土深溝陡坡地區(qū)鐵路橋梁設(shè)計(jì)控制因素較多，本著盡量避免刷方過(guò)大、擾動(dòng)自然土體塬面穩(wěn)定的原則，一般選擇在黃土塬、寬谷階地、平緩斜坡及比較穩(wěn)定的溝谷地帶設(shè)橋。此外，為保證陡坡上橋墩、橋臺(tái)安全，盡量一跨或加大跨徑跨越陡坡，不擾動(dòng)陡坡。不得已在陡坡上布設(shè)墩臺(tái)時(shí)，需對(duì)橋梁墩臺(tái)安全、施工平臺(tái)、邊坡穩(wěn)定性等做綜合分析評(píng)定。

2.2 墩臺(tái)刷方邊坡穩(wěn)定性

墩臺(tái)刷方邊坡的穩(wěn)定性與坡型、坡率和坡高等因素有關(guān)。臺(tái)階型邊坡是黃土邊坡最適宜的坡型，具有穩(wěn)定性高，施工方便，排水有利的特點(diǎn)。邊坡的坡率與坡高有密切的關(guān)系，坡率越小，工程量越大，投資增加；反之，坡率過(guò)大，邊坡的穩(wěn)定性則無(wú)法保證。因此，在坡高一定的前提下，選擇合理坡率是保證邊坡穩(wěn)定可行、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。

本線黃土的孔隙率偏大，黃土顆粒之間的膠結(jié)主要靠碳酸鈣和易溶鹽。墩臺(tái)基礎(chǔ)施工開(kāi)挖后的黃土邊坡在長(zhǎng)期降雨和連陰雨季節(jié)，雨水沿垂直裂隙下滲，裂隙在動(dòng)水沖蝕作用下，邊坡易產(chǎn)生局部破壞，甚至失穩(wěn)，影響邊坡附近橋梁墩臺(tái)安全，因此需對(duì)黃土地區(qū)刷方邊坡進(jìn)行防護(hù)處理。當(dāng)沖溝較深、同一面坡上有2個(gè)及以上墩臺(tái)時(shí)，整個(gè)坡面防護(hù)應(yīng)做統(tǒng)一考慮。黃土邊坡采取“加固坡腳、加強(qiáng)坡面防護(hù)和排水”的綜合防護(hù)措施。

結(jié)合本線地質(zhì)情況，同時(shí)借鑒太中(銀)線、鄭西客專、寶蘭客專設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本線山區(qū)黃土地層墩臺(tái)刷坡坡率按1∶1設(shè)計(jì)，每8 m一級(jí)，分級(jí)處設(shè)不小于2.5 m寬平臺(tái)，并于平臺(tái)上設(shè)置0.4 m×0.4 m平臺(tái)截水溝。一般情況下，刷方后坡腳設(shè)M10漿砌片石基礎(chǔ)，高1.5 m，寬0.5 m；坡面鋪砌M10漿砌片石厚35 cm，下設(shè)10 cm厚碎石墊層，碎石墊層下設(shè)復(fù)合土工膜防水。

2.3 自由樁長(zhǎng)的確定

陡坡上的墩臺(tái)樁基頂部一定范圍內(nèi)樁身側(cè)面受相鄰墩臺(tái)的刷坡影響，樁側(cè)土體難以提供足夠的土抗力及有效的摩阻力，樁基礎(chǔ)在外力作用下，樁身發(fā)生側(cè)移或旋轉(zhuǎn)，當(dāng)樁對(duì)側(cè)面土產(chǎn)生的水平壓力大于土對(duì)樁的被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力之差時(shí)(不考慮樁與土之間的黏著力和摩擦力)，土體將發(fā)生剪切破壞。

本線廣泛分布性質(zhì)較差的Q3、Q4黃土，一般情況下，Q3黃土的穩(wěn)定邊坡角為35°，Q4黃土為30°。受相鄰墩臺(tái)的地面高差、刷方影響，需要選取合適的承臺(tái)埋深。承臺(tái)底至黃土穩(wěn)定邊坡線與樁基近陡坎側(cè)樁身交叉處按自由樁長(zhǎng)計(jì)算。

陡坡上的墩臺(tái)自由樁長(zhǎng)除按上述方法確定外，還應(yīng)結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按近陡坎側(cè)樁身至刷坡線的水平距離進(jìn)行雙控，取更不利者進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算。Q3黃土一般取值8 m，Q4黃土取值10 m。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意陡坡引起的自由樁長(zhǎng)不與濕陷性黃土對(duì)基礎(chǔ)的影響相疊加。

2.4 陡坡上的橋臺(tái)設(shè)置

本線橋梁橋位受線路控制，部分橋臺(tái)位于陡坡上。沿線黃土質(zhì)地松軟，具大孔性，植物根系、垂直節(jié)理發(fā)育，加之坡度較陡，易崩塌。為保證橋臺(tái)的安全與穩(wěn)定，橋長(zhǎng)采取寧長(zhǎng)勿短的原則。橋梁布設(shè)孔跨時(shí)，臺(tái)前距離刷方處理后的陡坡邊緣一般不小于8 m。

根據(jù)臺(tái)前陡坡的實(shí)際情況，加測(cè)輔助縱斷面和橫斷面，結(jié)合地質(zhì)情況，對(duì)基礎(chǔ)埋深以及邊坡防護(hù)作出合理的設(shè)計(jì)。一般情況下，順橋向保證臺(tái)前至刷方后的陡坡邊緣不小于8 m，且從錐體坡腳一直鋪砌至溝底，如圖1所示；橫橋向從左線線路中心左側(cè)10 m處鋪砌至右線線路中心右側(cè)10 m處，橫向總寬約25 m。

圖1 臺(tái)前陡坎刷方、鋪砌立面示意圖(cm)

3 濕陷性黃土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

一般情況下，樁基受到的是正摩擦力作用，當(dāng)樁周土由于自重固結(jié)、自重濕陷等原因產(chǎn)生的沉降大于樁身的沉降時(shí)，濕陷性黃土?xí)?duì)樁基產(chǎn)生一定的負(fù)摩阻力。樁的負(fù)摩阻力相當(dāng)于在樁頂荷載之外，又附加了土對(duì)樁側(cè)壁施加的下拉面荷載。濕陷性黃土中樁基的下拉面荷載數(shù)值極為可觀，若未能合理考慮該荷載，對(duì)于摩擦樁，上部結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生較大的沉降或不均勻沉降；對(duì)于端承樁，會(huì)造成樁身或樁端地基破壞。

3.1 樁基礎(chǔ)負(fù)摩阻力的取值

樁的負(fù)摩阻力的大小與樁周土的性質(zhì)有關(guān)，樁與樁周土共同作用是個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，現(xiàn)有的關(guān)于樁基負(fù)摩阻力的計(jì)算方法很多，有理論算法和經(jīng)驗(yàn)估算法，但都沒(méi)有考慮土體應(yīng)力應(yīng)變的非線性，具有一定的局限性。樁側(cè)負(fù)摩阻力最好通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)確定，但一般情況下不容易做到。

在黃土地區(qū)，首先應(yīng)根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)黃土的濕陷性按濕陷系數(shù)δs進(jìn)行判定，區(qū)分出非濕陷性(δs<0.015)和濕陷性黃土(δs≥0.015)，同時(shí)根據(jù)自重濕陷量△zs的實(shí)測(cè)值或計(jì)算值來(lái)判定濕陷類型，區(qū)別非自重(△zs≤7 cm)與自重濕陷性黃土場(chǎng)地(△zs>7 cm)?，F(xiàn)行鐵路規(guī)范中并未對(duì)非自重與自重濕陷性黃土摩阻力的計(jì)算進(jìn)行明確的闡述。濕陷性黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)一般按下列原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)濕陷性黃土地區(qū)的樁基礎(chǔ)，樁基必須穿透濕陷性黃土層。在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，將樁底置于壓縮性較低的非濕陷性黃土層中；在自重濕陷性黃土場(chǎng)地，將樁底置于穩(wěn)定可靠的巖(或土)層中。

(2)在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，當(dāng)其自重濕陷量計(jì)算值△zs≥50 mm時(shí)，樁側(cè)摩阻力取零，當(dāng)其自重濕陷量計(jì)算值△zs<50 mm時(shí)，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)。

(3)在自重濕陷性黃土場(chǎng)地，Ⅰ、Ⅱ級(jí)自重濕陷性摩阻力取-10 kPa，Ⅲ、Ⅳ級(jí)自重濕陷性摩阻力取-15kPa。

(4)計(jì)算時(shí)注意地震力工況下不計(jì)黃土的濕陷性。

3.2 樁側(cè)負(fù)摩阻力計(jì)算深度

一般而言，樁側(cè)負(fù)摩阻力并不一定發(fā)生于整個(gè)濕陷性黃土層中。樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力的深度，是樁側(cè)土層對(duì)樁產(chǎn)生相對(duì)下沉的范圍，它與樁側(cè)土層的壓縮、樁身壓縮以及樁尖下沉等因素有關(guān)。負(fù)摩阻力沿樁側(cè)的分布形態(tài)：在樁頂處負(fù)摩阻力為零，隨著樁體深度的增大，負(fù)摩阻力也逐漸增大，直到負(fù)摩阻力最大值后開(kāi)始減小，最后在中性點(diǎn)位置處變?yōu)榱?。中性點(diǎn)是由負(fù)摩阻力過(guò)渡到正摩阻力時(shí)摩阻力為零的斷面，也是樁土相對(duì)位移為零的斷面。因此，負(fù)摩阻力的深度也就是中性點(diǎn)的深度，如圖2所示。影響中性點(diǎn)深度的因素較多，主要與樁底持力層強(qiáng)度和剛度、樁周土層的變形性質(zhì)、樁的截面剛度有關(guān)。

圖2 中性點(diǎn)深度

中性點(diǎn)深度應(yīng)按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計(jì)算確定，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中給出了中性點(diǎn)深度比見(jiàn)表1。

表1 中性點(diǎn)深度比Ln/L0

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中性點(diǎn)深度比計(jì)算的樁側(cè)負(fù)摩阻力值與鄭西客專試驗(yàn)結(jié)果較接近，但考慮到鄭西客專試驗(yàn)結(jié)果是在完全飽和的狀態(tài)下測(cè)得的，實(shí)際上是不可能達(dá)到這種狀態(tài)的，再加上橋址范圍內(nèi)各種防排水措施，有效的降低了濕陷性黃土的負(fù)摩阻力影響，因此本線濕陷性黃土地區(qū)橋梁的樁側(cè)負(fù)摩阻力的計(jì)算深度較《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中性點(diǎn)深度有所減小，具體見(jiàn)表2。

表2 樁側(cè)負(fù)摩阻力的計(jì)算深度

注：土層自承臺(tái)底起算。

3.3 濕陷性黃土地基比例系數(shù)的確定

現(xiàn)行的鐵路橋規(guī)中對(duì)濕陷性黃土m值的取值范圍并未明確闡述，僅對(duì)m值的計(jì)算做了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。由于樁的水平荷載與位移關(guān)系是非線性的，即m值隨荷載與位移的增大而減小，所以，m值的確定要與樁的實(shí)際荷載相適應(yīng)。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，在地面處的最大位移不超過(guò)6 mm，主要考慮若地面處的水平位移大于6 mm，墩臺(tái)頂?shù)奈灰凭秃茈y滿足規(guī)范要求。

m值宜通過(guò)單樁水平靜載試驗(yàn)確定，若無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》取值，即飽和狀態(tài)下濕陷性黃土m值取值范圍在2 500～6 000 kPa/m2之間，一般非自重濕陷性土層取6 000 kPa/m2，Ⅰ、Ⅱ級(jí)自重濕陷性土層取4 500 kPa/m2，Ⅲ、Ⅳ級(jí)自重濕陷性土層取2 500 kPa/m2。

3.4 樁基沉降的計(jì)算

濕陷性黃土地基中的橋梁樁基除了滿足承載力和穩(wěn)定性的要求外，還需滿足樁基沉降量的要求。中蘭客專墩臺(tái)基礎(chǔ)的工后最大允許沉降量：墩臺(tái)均勻沉降量30 mm，相鄰墩臺(tái)沉降量之差15 mm。

一般地區(qū)的樁基礎(chǔ)沉降主要受控于樁底下部土體的變形特征和荷載的大小及作用方式，影響最大是樁底下部土體的變形特征。濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基除具有一般地區(qū)樁基礎(chǔ)沉降特點(diǎn)外，還應(yīng)考慮樁底下部土體在負(fù)摩擦力作用下的變形。負(fù)摩阻力相當(dāng)于在樁上施加了附加的下拉荷載，可導(dǎo)致樁發(fā)生過(guò)量的沉降。

現(xiàn)行的鐵路橋規(guī)中僅給出了一般地區(qū)地基基礎(chǔ)的沉降計(jì)算方法，基礎(chǔ)為樁基時(shí)，將樁基作為實(shí)體基礎(chǔ)進(jìn)行沉降計(jì)算，荷載按恒載計(jì)算，實(shí)體基礎(chǔ)的支承面積通過(guò)樁基所穿過(guò)土層的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角和樁位于土中的深度計(jì)算確定。由于黃土濕陷性的存在，若采用現(xiàn)行鐵路橋規(guī)對(duì)其進(jìn)行沉降計(jì)算，具有一定的局限性，因此，對(duì)濕陷性黃土區(qū)的樁基進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行部分修正：(1)恒載中應(yīng)計(jì)入樁基的負(fù)摩阻力；(2)實(shí)體基礎(chǔ)支承面積應(yīng)力擴(kuò)散的起始點(diǎn)應(yīng)以正負(fù)摩阻力的過(guò)渡點(diǎn)即中性點(diǎn)的位置算起。

3.5 樁基礎(chǔ)施工

濕陷性黃土遇水浸濕時(shí)，土的強(qiáng)度顯著降低，在土的自重壓力和附加壓力作用下容易引起的濕陷變形，對(duì)建筑物的危害性很大。因此，在濕陷性黃土場(chǎng)地，對(duì)橋梁基礎(chǔ)及附屬工程進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)采取防水措施防止施工用水和場(chǎng)地雨水流入橋梁地基引起濕陷。

樁基施工時(shí)，可根據(jù)樁徑、橋址地理環(huán)境、濕陷性黃土的厚度及施工單位設(shè)備配置等因素，經(jīng)綜合分析比較后，分別選用旋挖成樁、泥漿護(hù)壁鉆孔成樁等成樁工藝。

承臺(tái)施工時(shí)，應(yīng)對(duì)承臺(tái)底面土層作夯實(shí)處理，即欠挖10～15 cm土層，夯實(shí)至設(shè)計(jì)高程。承臺(tái)筑出地面后，基坑應(yīng)及時(shí)用原狀土分層夯實(shí)回填高出原地面0.3 m，并做好排水坡避免橋墩地表積水。

基礎(chǔ)施工完成后，應(yīng)對(duì)橋址處施工場(chǎng)地進(jìn)行平整，作好天然水流的導(dǎo)流措施，確?；痈浇环e水，避免地基塌陷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合已建和在建黃土地區(qū)鐵路的橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，論述了黃土深溝陡坡、濕陷性黃土地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了陡坡地區(qū)橋梁邊坡的合理刷方防護(hù)措施及樁基自由樁長(zhǎng)的計(jì)算方法，指出了陡坡橋臺(tái)的設(shè)置方案。針對(duì)黃土的地質(zhì)特性，明確了濕陷性黃土的摩阻力取值大小及計(jì)算深度，修正了鐵路規(guī)范對(duì)濕陷性黃土沉降的計(jì)算方法。本文提出了黃土地區(qū)施工中應(yīng)采取的相關(guān)工程措施，為類似黃土地區(qū)橋梁建設(shè)提供了一定的參考。但由于黃土地質(zhì)特征的復(fù)雜性，還有很多值得深入研究的內(nèi)容，需要在今后設(shè)計(jì)施工過(guò)程中逐步予以完善。

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Design of High Speed Railway Bridges in Loess Area

CHONG Boxiao

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600 China)

Along Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line, it is covered with loess areas, which is accompanied with big topographic relief and complicated geological conditions, so bridge design on the loess ditch slope is a big problem to this line. By analyzing the characteristics of bridge design on the loess deep groove of steep slope area, combining with the landform features of Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line, this thesis gives a deep exposition of the bridge design of the on loess ditch slope area. It is focused on the setting of bridge, the stability of brush abutment slope, the free pile length and the set of abutment, etc. According to the engineering geological characteristics of collapsible loess, respectively to self weight collapse and non-weight collapse, the value scope of negative skin friction resistance of pile foundation has been put forward, the calculation of negative skin friction and the principle of M value calculation are studied in depth, and the current foundation settlement computing method of specification of railway bridges in collapsible loess area has been corrected. This paper briefly introduces the attention and measures of pile foundation in construction. The conclusion provides reference for engineering design and construction of bridge in similar areas.

Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line; Loess ditch slope; Collapsible loess; Negative skin friction

2016-01-21

種博肖(1982-)，男，工程師。

1674—8247(2016)02—0042—04

U442.5+9

A