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        某沿海軟土地區(qū)埋置式輕型橋臺樁基關(guān)鍵參數(shù)研究

        2022-10-28 08:26:54鄒永誠
        四川建材 2022年10期
        關(guān)鍵詞:樁基承載力橋梁

        鄒永誠

        (臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 臺州 318000)

        1 研究背景

        在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的大背景下,浙江沿海城市進(jìn)行大規(guī)模的圍海造田,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、升級。由于場地均為海涂上填筑而成,下臥深厚軟土,土體含水量高、孔隙比大、承載力小,且靈敏度很高,導(dǎo)致工后沉降量大,穩(wěn)定性差,工程病害較多。

        為解決城市防洪問題,新開挖河道密布,在超厚的軟土地基條件下(軟土深度超過50 m),橋梁下部結(jié)構(gòu)占用橋梁建造費(fèi)用比重高,如何即節(jié)約橋梁下部結(jié)構(gòu)造價,又保證橋梁樁基在新吹填土上的穩(wěn)定、安全,是亟待解決的問題。

        本文結(jié)合該區(qū)域特點(diǎn),對埋置式輕型橋臺樁距和樁徑關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究,確保橋梁樁基礎(chǔ)合理布置,具有借鑒意義。

        2 地質(zhì)情況

        地質(zhì)勘查典型土層信息如表1所示。

        表1 地質(zhì)勘查土層信息

        持力層取第6層粉質(zhì)黏土,下面以單跨20 m簡支橋梁(橋梁制動力較不利)為例進(jìn)行分析研究。橋梁參數(shù)為橋?qū)?0 m,上部結(jié)構(gòu)采用矮T梁,20 cm鋪裝,臺后搭板6 m,支座采用GBZY 350×63型板式橡膠支座,支撐墊石高20 cm,如圖1所示。

        圖1 橋臺處橫斷面圖

        3 軸向承載力控制下的樁基選擇

        3.1 橋臺樁基軸向承載力計算

        橋臺樁基樁頂反力主要由上部結(jié)構(gòu)的恒載、汽車活載和人群活載組成。由于偏載的原因,不同樁基承擔(dān)的承載力不同,考慮不同樁基的偏載系數(shù)取1.3。選取樁基間距分別為4.5、5.4、6.75 m,分析樁基的最大樁頂反力。

        橋臺蓋梁按連續(xù)梁設(shè)計,汽車活載按雙向六車道設(shè)計,不同跨徑最大樁頂反力計算結(jié)果見表2。

        表2 最大樁頂反力匯總表

        3.2 基于樁基軸向承載力樁基長度選擇

        《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)第3.1.3條對于樁側(cè)土不排水抗剪強(qiáng)度小于10 kPa且長徑比大于50的樁[1],應(yīng)進(jìn)行樁身壓屈驗(yàn)算,隨著樁孔樁施工工藝進(jìn)一步提高在類似地質(zhì)下有長徑比達(dá)到100的成孔經(jīng)驗(yàn)[2-3]。根據(jù)本地經(jīng)驗(yàn)橋梁樁基長徑比取60為宜。

        該地區(qū)淤泥質(zhì)黏土層(層2)較厚,摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值僅為8 kPa,樁基上部對樁基承載力提供的作用較小,下部因穿透了淤泥層,發(fā)揮作用較大,橋梁樁基設(shè)計時,在滿足成樁工藝的前提下,盡量選擇長樁。

        根據(jù)最大樁頂反力計算結(jié)果(表2)及圖2結(jié)果對比,在樁間距選擇4.5~6.75 m,Φ1.2 m及以上樁徑均能滿足軸向受壓承載力要求。在深厚軟土地質(zhì)情況下,邊跨跨徑不大的情況下,通過增加樁長,較小直徑的樁基大都能滿足軸向受壓承載力的要求。

        圖2 不同樁徑單樁軸向受壓承載力特征值

        4 水平位移控制下的樁基選擇

        樁基水平位移計算一般采用m法進(jìn)行計算,由于橋臺受力較為復(fù)雜,受到臺后填土(本例按臺后填土高度2 m計算,填土內(nèi)摩擦角取35°)、汽車荷載及溫度的綜合作用[3],計算模型如圖3所示。

        圖3 橋臺樁基水平位移計算圖示

        基礎(chǔ)在地面處位移最大值不應(yīng)超過6 mm[4],當(dāng)位移較大時,樁基設(shè)計時采用的m值應(yīng)適當(dāng)降低。

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)第5.7.2條,對于水平位移敏感的建筑物,基礎(chǔ)在地面處水平位移控制6 mm。

        結(jié)合以上兩本規(guī)范,橋臺水平位移的控制標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)在地面處位移最大值按6 mm控制。

        橋臺樁基頂水平力及彎矩主要由臺后填土及汽車荷載引起的土壓力、汽車制動力、整體降溫產(chǎn)生及上部豎向荷載引起的偏心彎矩等組成(本地區(qū)不考慮地震力),分別按文獻(xiàn)[4]第4.3.4條和第4.3.5計算,計算結(jié)果見表3。

        表3 橋臺樁基處荷載計算及組合表

        汽車制動力按同向3車道計算,折減系數(shù)為0.78。一個設(shè)計車道上汽車制動力標(biāo)準(zhǔn)值不小于165 kN,故Fzdl=165×3×0.78=386 kN;一個橋臺分配的制動力可近似取全橋制動力的50%即193 kN。

        整體降溫產(chǎn)生的溫度力:

        Fwdl=Lx×(支座頂集成剛度)×a×t

        (1)

        式中,Lx為溫度變化臨界點(diǎn)距墩臺的距離,取10m;a為梁板的線膨脹系數(shù),取1.0×10-5(1/℃);t為最大整體降溫幅度,取30℃。

        由于板式橡膠支座的抗推剛度遠(yuǎn)小于樁土共同作用的抗推剛度,支座頂集成剛度可用板式橡膠支座的剛度近似計算:支座頂集成剛度=支座剪切模量Ge×單支座底面積×支座個數(shù)÷支座高度=1 000×(0.25×π×0.352)×19÷0.063=28 952kN/m,得Fwdl=10×28 952×1.0×10-5×30=174kN。

        臺后填土及汽車荷載引起的土壓力計算按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)劃》(JTGD60—2015)4.2.3及4.3.4分別計算不再贅述,計算結(jié)果統(tǒng)計如表3。

        根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG3363—2019)附錄L,按m法計算彈性樁水平位移,由于本工程樁基較長穿越不同的地層,但本工程穿越的土層2淤泥質(zhì)黏土層達(dá)31m,遠(yuǎn)大于m值換算厚度hm值[4,6],故此m值取第二層淤泥質(zhì)黏土層m值計算,由《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG3363—2019)表L.0.2-1中m值取5 000kN/m4。

        圖4 樁基位移圖(7樁,樁徑1.2 m)

        其他計算類似,計算結(jié)果匯總見表4。

        表4 單樁地面處水平位移匯總表

        根據(jù)以上計算結(jié)果可知,直徑Φ1.0m樁基在不同的樁基間距下,地面處水平位移均不滿足要求。直徑Φ1.2m樁基樁間距過大時不能滿足地面處水平位移要求,直徑Φ1.4m樁基水平位移控制較好。

        綜上所述:在軟土地質(zhì)條件下(m值小于5 000kN/m4),選擇樁基直徑Φ1.2~1.4m,樁基間距4.5~5.4m較合適。

        5 造價分析

        依據(jù)《浙江省市政工程預(yù)算定額》(2018版),取樁基間距4.5、5.4 m,樁基直徑Φ1.2、Φ1.4 m,計算橋臺樁基的費(fèi)用分析見表5。

        表5 橋梁邊跨跨徑20 m橋臺樁基費(fèi)用表

        根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析,采用樁基直徑Φ1.2 m,樁基間距5.4 m,造價相對Φ1.4 m樁基更經(jīng)濟(jì),但Φ1.4 m樁基水平位移控制更好。

        6 研究結(jié)論

        1)深厚軟土地基上橋臺樁基直徑的選擇往往受到水平位移的控制。樁基直徑越大水平位移控制越好,單排樁樁徑不宜小于1.2 m,樁間距控制在5 m左右。

        2)在研究中發(fā)現(xiàn)臺后填土高度對橋梁樁基水平位移影響較大,在軟土地區(qū)采用單排樁輕型橋臺,填土高度不宜大于3 m,對于液性指數(shù)IL>0.75的黏性土建議進(jìn)行地基加固增強(qiáng)樁基的抵抗水平變位的能力,或采用輕質(zhì)填料減小臺后填土壓力。

        3)橋臺樁基軸向受壓承載力加大樁基直徑增加承載力不明顯,建議選擇小直徑的長樁,能獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。

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