王小兵, 陳 航, 陳 龍

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,四川成都 610031;2.成都華豐工程勘察設(shè)計有限公司,四川成都 610031)

橋梁作為高鐵系統(tǒng)中的重要組成部分，通常占有較大的比重，關(guān)于高烈度地震區(qū)的橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計研究，陳令坤[1]等研究了豎向地震效應對鐵路橋梁地震響應的影響，分析豎向地震對橋梁的彈塑性地震響應的影響，發(fā)現(xiàn)了豎向地震在頻譜上影響橋梁地震響應；馬亢[2]等基于離心機地震模型試驗和ABAQUS計算分析，得到高承臺樁基形式與低承臺比較彎矩更大，彎矩有效深度也更深；王青橋[3]、劉惠珊[4]、樓夢麟[5]、劉立平[6]等分析了橋梁樁基體系下的地震響應和震害特點，為樁基抗震設(shè)計措施提供建議和參考。

本文以雅萬高鐵為工程實例，考慮地質(zhì)情況、地震動參數(shù)、荷載類型、梁型選擇及橋墩設(shè)計等邊界條件對樁基基礎(chǔ)設(shè)計的影響，研究了脈爪哇島地質(zhì)下樁基基礎(chǔ)的單樁承載力、墩頂位移、線剛度、上拔力等計算結(jié)果，通過對比分析得到了最優(yōu)樁基配筋方案，既能保證結(jié)構(gòu)安全，又有較好的經(jīng)濟性，便于高烈度地震區(qū)橋梁工程的應用。

1 項目概況

1.1 線路走向

雅萬高速鐵路連接印尼首都雅加達和西爪哇省省會萬隆，遠期作為雅加達至泗水高速鐵路的一部分，其中Halim-TegalLuar 段線路正線長度 142.2 km，橋梁長度 76.79 km,占比54 %。

圖1 雅萬高鐵地理位置示意

1.2 地形地貌

本區(qū)域處于亞歐板塊、太平洋板塊和印度洋板塊三大板塊的交匯處。爪哇島歸屬于亞洲大陸的巽他大陸架，是巽他大陸板塊的最南部的前緣，地質(zhì)情況復雜，其鄰接構(gòu)造活躍地區(qū)，特點是由俯沖作用造成的地震和火山作用頻繁。

由雅加達至萬隆，地勢逐漸增高，線路所經(jīng)地貌有沖積、沖洪積平原、剝蝕殘丘緩坡、丘陵、低山及山間盆地。

1.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)萬隆大學(ITB)提交的地震安評資料、結(jié)合中國規(guī)范GB 50111-2006 2009年版《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定：沿線地表基本地震動(相應于50 a超越概率為10 %的地震動)峰值加速度值為：0.25g～0.36g。

線路經(jīng)過地區(qū)均屬高烈度地震區(qū)，在平原區(qū)的粉、細、中砂和粉土地層中，地下水位較高，局部地層呈松散飽和狀態(tài)，為地震可液化層。設(shè)計時根據(jù)液化層的分布采取適當?shù)目拐鸫胧?，同時施工時減少對可液化層的擾動。

2 工點概況

2.1 工點概況

DK1353特大橋249號橋墩，里程：DK138+998.82。樁基采用9根1.25 m，樁長94 m；梁部采用簡支箱梁，橋墩采用圓端形實體墩，支座采用減隔震支座，地震動峰值加速度值為0.30g，總布置圖如圖2所示。

圖2 DK1353特大橋249號墩 總體布置

2.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)報告和TB10093-2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》得到巖土物理力學指標推薦值見表1。

2.3 樁頂外力

根據(jù)橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計對荷載按最不利組合情況進行組合計算，樁頂計算外力見表2。

3 高烈度地震區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

3.1 概況

根據(jù)雅萬高鐵地質(zhì)情況、地震動參數(shù)、荷載類型、梁型選擇及橋墩設(shè)計等條件對高烈度地震區(qū)段橋梁樁基礎(chǔ)鋼筋進行了設(shè)計。樁豎向共配置直徑25 mmHRB500主筋63根，其中主筋N1為通常鋼筋，配置有21根，主筋N1-1設(shè)計一般按照55 m取值，配置有42根。N1-1設(shè)置長度根據(jù)地質(zhì)情況判斷，因雅萬高鐵所處位置地震烈度較高，地質(zhì)較差，甚至出現(xiàn)負摩阻，所以樁長普遍較長, N1-1一般能達到55 m。如圖3所示(以樁徑為1.25 m樁基礎(chǔ)為例)。

表1 地質(zhì)樁周摩阻參數(shù)

表2 樁頂計算外力

圖3 1.25 m樁基礎(chǔ)鋼筋布置

3.2 樁基檢算結(jié)果

3.2.1 單樁承載力計算結(jié)果

(1)控制荷載組合：主力+地震力。

(2)墩頂位移:dy= 0.98 cm，[dy]= 2.83 cm，dy<[dy] 。

(3)縱向水平線剛度:K= 1236.7 kN/cm>350 kN/cm。

(4)單樁承載力

(1)

式中：dy為墩頂位移；[dy]為墩頂容許位移；K為縱向水平線剛度(kN/cm)；[P]為單樁容許承載力；P為單樁設(shè)計承載力;U為樁身截面周長(m)；li為各土層厚度(m)；A為柱底支承面積(m2)；αi、α為振動沉樁對各層樁周摩阻力和樁底承載力的影響系數(shù)，見TB 10093-2017《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》表6.2.2-1；λ為系數(shù)，見TB 10093-2017《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》表6.2.2-2；fi為樁周土的極限摩阻力(kPa)；R為樁尖土的極限承載力(kPa)。

P=10461.6 kN，[P]= 10968.6 kN；

[P]/P= 1.048 ,單樁承載力滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

3.2.2 上拔力與抗拔力計算

(1)上拔力。

上拔力等于樁頂處單樁最小軸向力Nmin=-3810.9 kN(負號代表該力豎直向上)。

(2)抗拔力 。

F=[P′]+G

(2)

[P′]=0.30U∑αilifi

(3)

式中：[P′]為單樁容許承載力(kN)；G為樁身自重(KN)；F為抗拔力(kN)。

根據(jù)公式計算，在樁長55 m處得[P′]= 2229.7 kN；G=1679.2 kN。即F=3908.9kN>Nmin，抗拔力滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

3.2.3 小結(jié)

(1)墩頂設(shè)計位移小于墩頂容許位移，，滿足規(guī)范要求。

(2)水平線剛度大于規(guī)范最小線剛度的要求，滿足規(guī)范要求。

(3)單樁設(shè)計承載力小于單樁容許承載力，樁基長度滿足結(jié)構(gòu)受力要求，安全儲備4.8 %，樁長無優(yōu)化空間。

(4)樁基上拔力與抗拔力根據(jù)計算，判斷在樁長55 m處達到了平衡。樁長55 m以下部分，配筋只需要保證聲測管設(shè)置剛度的要求即可。設(shè)計配置21根通常鋼筋合理。

3.3 樁基鋼筋優(yōu)化研究

原設(shè)計樁基礎(chǔ)能保證橋梁安全，但N1-1的長度配置較長，根據(jù)樁基礎(chǔ)受力的特點，結(jié)合國內(nèi)滬昆高鐵、云桂鐵路等高烈度地震區(qū)樁基礎(chǔ)的設(shè)計經(jīng)驗，對雅萬高鐵橋梁樁基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)計。具體做法是將N1-1細分為兩檔，一半根數(shù)的鋼筋維持原長度，一半的鋼筋在某一長度截斷。截斷后的鋼筋標號，標識為N1-2，本文對其在樁頂之下5 m、10 m、15 m、20 m處截斷分別進行研究，計算鋼筋應力，計算結(jié)果見表3。

優(yōu)化方案1～方案4中鋼筋應力均小于HRB500鋼筋的容許應力值390 MPa，樁基鋼筋配置均滿足受力要求，優(yōu)化方案可行。

表3 彎矩和鋼筋應力檢算結(jié)果

3.4 樁基鋼筋深化研究

兼顧結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟性，進一步細化比較優(yōu)化方案(表4)。

表4 鋼筋重量優(yōu)化情況匯總

雅萬高鐵樁橋梁樁基礎(chǔ)，采用三段配筋方案，切實可行。本工點按照動峰加速度0.30g進行檢算，考慮到本項目局部區(qū)域動峰加速度值有0.36g，遵循全線統(tǒng)一的原則，兼顧結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟性，設(shè)計最終采納了優(yōu)化方案4。

4 結(jié)論

本文以雅萬高鐵為工程實例，對脈爪哇島地質(zhì)條件進行分析，針對該地區(qū)罕見的高烈度地震區(qū)，研究了新邊界條件下的橋梁樁基配筋等關(guān)鍵性技術(shù)，通過對不同樁基配筋的方案進行計算分析，得到如下結(jié)論：

(1)通過計算分析，印尼雅萬原設(shè)計樁基礎(chǔ)設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)受力要求，樁長無優(yōu)化空間。

(2)通過樁基不同配筋方案對比分析，樁基配筋采用三段配筋方案切實可行，鋼筋N1-2在樁頂之下20 m處截斷，鋼筋應力小于鋼筋容許應力，樁基配筋同時兼顧了結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟性。

(3)雅萬高鐵橋梁樁基礎(chǔ)最終采納了優(yōu)化方案4的配筋方案，全線樁基共計節(jié)約了HRB500鋼筋6 082 t，節(jié)約工程投資約3 000萬人民幣，取得了較好的經(jīng)濟效益。