宋 佳

(合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司,安徽 合肥 230041)

0 引 言

明挖擴大基礎(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低等優(yōu)點,成為中小橋最常用的基礎(chǔ)形式[1]。但明挖擴大基礎(chǔ)往往自重較大,對地基強度要求較高。如果地質(zhì)條件較好,明挖淺基礎(chǔ)是中小橋設(shè)計的首選方案。根據(jù)JTG D63-2007《公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(下文簡稱“規(guī)范”),在淺基礎(chǔ)的設(shè)計中,需驗算基底應(yīng)力、基礎(chǔ)沉降和基礎(chǔ)穩(wěn)定。而對于基礎(chǔ)底面下有軟弱地基或軟土層時,還要驗算軟弱地基或軟土層的承載力。本文通過某工程實例,從地基承載力驗算的角度,探討有軟弱下臥層的明挖擴大基礎(chǔ)的驗算方法。

1 工程實例

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

圖1 橋臺構(gòu)造示意圖

1.1 地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告,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)計參數(shù)見表1。不考慮地下水影響。

表1 各巖土層設(shè)計參數(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]。“規(guī)范”對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的黏性土下臥層時才進行驗算。在工程實際中,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。故本工程的地基強度驗算不僅要保證基底應(yīng)力不超過持力層的強度,還要對持力層以下的軟弱下臥層進行驗算。當軟弱下臥層的承載力不能滿足設(shè)計要求時,需采取相應(yīng)的地基處理措施。

1.3 持力層強度驗算

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

圖2 橋臺受力簡圖(未示出橋臺側(cè)墻)

表2 橋臺各項內(nèi)力計算

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)計算pmax=241 kPa≤1.25×220=275 kPa，即基礎(chǔ)持力層強度滿足要求。

1.4 軟弱下臥層承載力驗算

在上文計算的基底壓應(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)計要求,需要采取地基處理措施。

2 地基處理措施

當軟弱下臥層的承載力不能滿足設(shè)計要求時,一般采用調(diào)整基礎(chǔ)尺寸或換填墊層法處理。本文重點介紹換填墊層法。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算

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

[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算采用擴散角法,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

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