晋中南山区黄土地层铁路桥涵设计

吴向明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

1 概述

山西中南部铁路通道工程设计标准为国家Ⅰ级重载铁路,全长1251 km,是山西中南部煤炭基地向沿海输送煤炭的专用运输通道,正线为双线,速度目标值为120 km/h。轨道结构形式除1 km左右的隧道内铺设双块式无砟轨道,其余均铺设有砟重型轨道。

通道工程瓦塘至洪洞段共穿越了三个大的地貌单元,黄土高原的丘陵及低山区、吕梁山脉的低中山区、临汾盆地冲洪积平原区及边缘丘陵区。沿线境内新黄土分布广泛,新黄土和浅部老黄土具湿陷性,多属自重湿陷性黄土,湿陷性黄土厚度为5～15 m,局部可达20～30 m,地基湿陷等级一般为Ⅱ、Ⅲ级,局部为Ⅳ级,湿陷系数δs=0.015～0.126。全线范围地震动峰值加速度为0.05g～0.29g,地震基本烈度Ⅵ～Ⅶ。

2 关于山区陡坡地段桥梁基础计算注意事项

2.1 陡坡地段墩台刷坡坡率

黄土具有孔隙比大,竖直节理发育,湿陷性黄土具有易溶蚀、易冲蚀、各项异性等工程特征,因此湿陷性黄土地区桥梁基础刷坡防护是必须要重视的设计工作。结合本线地质情况,同时借鉴太中线、大西客运专线、郑西客运专线设计经验,利用比拟法对本线山区地貌黄土地层桥梁基础施工刷坡坡率进行如下约定。一般情况下黄土边坡坡率可按表1采用。

表1 黄土边坡坡率

2.2 边坡防护

沿线广泛分布黄土,表层新黄土多具有湿陷性。吕梁山区东西两侧局部地区分布膨胀土,出露于沟谷地带。黄土边坡应采取“加固坡脚、加强坡面防护和排水”的综合防护措施。膨胀土边坡应采取“缓放坡、宽平台、加固坡脚、加强坡面防护和排水”的防护措施。本着上述防护原则,结合不同地质条件、坡率,本线主要采用拱形骨架护墙、孔窗式护墙两种边坡防护形式,如图1、图2所示。孔窗式护墙适用于1∶0.75边坡,坡度≥1∶1时宜采用拱形骨架式护墙。当刷坡高度超过13 m时,需设置平台,分级高度及平台宽度按10 m一级2 m平台宽采用。

2.3 陡坡地段桩基础计算自由桩长取值

位于陡坡处的墩台基础,为保持边坡稳定需进行刷坡及边坡防护处理。陡坡上的桥梁墩台基础受力有别于平原区,陡坡地区相邻墩台间地面高差较大,承台下桩身侧面由于受其他墩台的刷方影响(图3),土体稳定线范围以上的桩侧土体已不能提供足够的土抗力及有效的摩阻力,桩基础设计时需考虑一定长度的自由桩长保证桥梁的安全。

图1 孔窗式护墙方案(单位：cm)

图2 拱形骨架式护墙方案(单位：cm)

图3 陡坡桥梁桩基础自由桩长计算图示(单位：cm)

图3中β=45°-ψ/2，L=2.5/α

式中ψ——土的内摩擦角；

α——桩的变形系数；

L0——自由桩长取值。

土的内摩擦角对于黄土地层ψ按30°考虑,其他土层可参考地质土工试验报告或者铁路工程设计技术手册《桥涵地基和基础》表1-19采用,风化岩根据风化程度及土层描述对照不同土层选用。

第二种计算自由桩长方法,桩前至天然土体的水平距离小于5 m的桩长范围考虑自由桩长。与第一种比较采用大值作为设计采用自由桩长。计算时注意因陡坡引起的自由桩长不与表层湿陷性黄土对基础计算的影响叠加。

3 关于湿陷性黄土地区桥涵基础计算注意事项

中南通道工程沿线广泛分布新黄土、老黄土,新黄土多具有湿陷性。因此对于湿陷性黄土地区桥涵设计是工作中的一项重点研究项目。《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)6.2.7条规定,位于湿陷性黄土和软土地基中的桩基础,当土壤可能出现湿陷或固结下沉时应考虑桩侧的负摩阻力的作用。

下面就湿陷性黄土负摩阻力成因及计算方法、铁路规范对于湿陷性黄土地区桥梁设计之建议、本线针对湿陷性黄土地区设计经验总结分述如下。

3.1 负摩阻力及其产生的原因

桩周土摩阻力的方向取决于桩与周围地基土层的相对位移。当桩的沉降大于桩周地基土的沉降时,土层与桩侧表面之间就会产生向上作用的摩阻力,即正摩阻力；反之,当桩的沉降小于桩周地基土的沉降时,土层与桩侧表面之间就会产生向下作用的摩阻力,即负摩阻力，如图4所示。湿陷性黄土场地产生负摩阻力的原因主要是因为在地表水、地下水的侵蚀作用下,地面沉陷引起的。

图4 桩基础正负摩阻力图示

3.2 桩侧负摩阻力的特性

中性点：桩侧负摩阻力并不一定发生于整个湿陷黄土层中,产生负摩阻力的深度是桩侧土层与桩基产生相对下沉的范围,它与桩侧土的压缩、固结,桩身压缩及桩底下沉等直接有关。在特定深度的桩断面上,该深度以上土的下沉量大于桩,桩承受负摩阻力；该深度以下则桩的下沉量大于土,桩受正摩阻力；该断面处就是桩土位移相等、摩阻力为零的临界点,且该断面的轴向力最大,称为中性点。

时效性：湿陷性黄土地区桩基负摩阻力受到许多因素的影响,例如桩的类型、桩周土层性质、沉降速度、稳定时间等,且某些因素也会随时间变化。

3.3 桩侧负摩阻力的计算

关于负摩阻力计算的方法很多,不但有很多理论算法,还有不少的经验估算公式。有效应力法(卞仑公式)是目前较为认可的方法,它能考虑固结过程中的负摩阻力,亦能考虑地层表面的荷载作用,又依据试验资料提出Ktanθ的值,故计算结果较符合实际,可操作性强,现将其计算方法介绍如下,以供参考。

有效应力法建议按下式计算负摩阻力强度

qf=σKtanθ

式中σ——桩周土中的竖向有效应力，kN/m2；

K——水平的与竖向的有效应力之比,对正常固结黏土K可取静止土压力系数；

θ——桩周土的有效内摩擦角。

有效应力σ是随着土的固结过程而变化,可根据孔隙水压力的实测结果,按下式计算

σ=p+γZ-U

式中P——作用于地面的荷载，kN/m2；

γ——桩周土的浮容量，kN/m3；

Z——自天然地面起算的深度，m；

U——孔隙水压力，kN/m2。

以上即为有效应力方法计算负摩阻力强度,若无实测U值,从安全考虑实际工程计算时,令U=0,即可得到最大负摩阻力强度qf。

利用以上公式,在求得最大摩阻力强度后,就很容易利用力学知识求得最大负摩阻力了,现推导如下。

(1)NF1=qfA

式中NF1——最大负摩阻力，kN；

qf——最大负摩阻力强度，kN/m2；

A——产生负摩阻力深度范围内桩身表面积。

(2)G=γπ(d2-r2)Z

式中G——单桩所分配承受的桩周土重，kN；

γ——桩周土的浮容重，kN/m3；

d——相邻桩中心距之半，m；

r——桩截面半径，m；

Z——自天然地面起算的深度，m。

(3)NF=min(NF1,G)

即在桩基计算中,按上式求得的作用于单位桩上的最大负摩阻力不应大于单桩所分配承受的桩周下沉土重。

3.4 铁路桥涵地基和基础设计规范关于湿陷性黄土负摩阻力计算及黄土地区桩基础设计

《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)并未对湿陷性黄土负摩阻力的计算进行明确阐述。结合以往设计经验,同时与规范编写者沟通,负摩阻力的计算主要参考《铁路桥涵地基和基础设计手册》、《建筑桩基技术规范》、《湿陷性黄土地区建筑规范》等资料,可以按下列原则进行基桩负摩阻力的计算。

(1)确定中性点的位置。中性点的深度与持力层性质有关,大致可参照表2确定。(摘自JGJ94-2008《建筑桩基计算规范》)

表2 中性点取值

注：ln、lo分别为中性点深度和湿陷性黄土层深度。

(2)湿陷性黄土地区的桩基础,桩端必须穿透湿陷性黄土层。在非自重湿陷性黄土场地,桩端应支承在压缩性较低的非湿陷性黄土层中；在自重湿陷性黄土场地,桩端应支承在可靠的岩(或土)层中。

在非自重湿陷性黄土场地,当自重湿陷量的计算值小于50 mm时,摩擦桩的竖向承载力可计入湿陷性黄土层内的正摩阻力,按规范中摩擦桩公式计算桩的承载力满足下列要求

P1+(P3-P4)≤[P]

式中P1——作用于桩顶的设计荷载；

P3——桩身自重；

P4——桩所占同体积土重；

[P]——单桩容许承载力,见《铁路桥涵地基和基础设计规范》中公式(6.2.2—1)、(6.2.2—2),计算桩侧正摩阻力时应包括湿陷性黄土和非湿陷性黄土两个部分。饱和状态下湿陷性黄土的正摩阻力可采用10～20 kPa,非湿陷性黄土的正摩阻力参照黏性土采用。

柱桩既不计正摩阻力亦不计负摩阻力,按规范中柱桩公式计算桩的承载力。

P1+P3≤[P]

式中，P1、P3符号意义同前；[P]为单桩容许承载力,见《规范》中公式(6.2.2—3)、(6.2.2—4)。

在自重湿陷性黄土场地,不论摩擦桩还是柱桩均应计算湿陷性黄土层内的桩周负摩阻力,作为荷载作用于桩上。桩在湿陷性黄土层以下的持力层中,根据持力层岩土性质,分别按规范中摩擦桩或柱桩的公式计算桩的承载力。

摩擦桩

P1+P2+(P3-P4)≤[P]

式中P2——桩侧负摩阻力；

柱桩

P1+P2+P3≤[P]

式中，P1、P2、P3、[P]符号的意义同前。

影响桩侧负摩阻力的因素很多,精确计算负摩阻力是复杂而困难的。迄今国内外学者提出的计算方法与公式都是近似的和经验性的。桩侧负摩阻力最好通过现场浸水试验确定,但一般情况下不容易做到。国外有关标准中规定桩侧负摩阻力可采用正摩阻力的数值。《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)根据试验资料提出：对桩侧负摩阻力进行现场试验确有困难时,建议可按下列表3的数值估算。桩周平均极限负摩阻力可按表4估算(摘自《湿陷性黄土地区建筑规范》)。

表3 桩周平均极限负摩阻力 kPa

3.5 晋中南铁路湿陷性黄土地区桥涵设计原则及经验介绍

3.5.1 湿陷性黄土地区桥梁设计

(1)湿陷性黄土地区桥梁的基础,基底均置于非湿陷性土层。桩基配筋长度根据计算确定并应大于湿陷性土层厚度。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》,①、②区自重湿陷场地桩基应通长配筋。无论采用何种基础,基底置于黄土层中时,应详细各墩台沉降,满足规范要求。

(2)湿陷性黄土地区的桥涵基础应避免在雨季施工。如必须在雨季施工时,应有专门的防洪、排水设施,保证基坑不受水浸泡。

(3)关于桩侧平均负摩阻的取值及负摩阻力取值深度,目前的参考规范有《湿陷性黄土地区建筑规范》和《建筑桩基技术规范》。根据郑西铁路客运专线试验结果,实测桩侧负摩阻力的大小较《湿陷性黄土地区建筑规范》确定的值要大,而与《建筑桩基技术规范》计算的值较为接近。郑西客运专线的试验结果是：对于Ⅱ、Ⅲ级自重湿陷性黄土层,平均负摩阻-22～-44 kPa,对于Ⅳ级自重湿陷性黄土层,平均负摩阻-70 kPa。试验结果是在完全饱和的状态下测得的,实际结构是不可能达到这个状态的,再加上排水、3∶7灰土回填等措施有效的减小了湿陷土层的负摩阻力影响。因此建议按照《湿陷性黄土地区建筑规范》进行取值,具体详见表4。

表4 湿陷性黄土地区负摩阻力及m值

(4)表层新黄土具有湿陷性,基础开挖后基坑表层1 m厚应以3∶7灰(新鲜的消石灰)土分层夯填密实,回填面高出地面约0.3～0.5 m并形成自然排水坡,严防渗漏水,坑底夯填原土。桥址附近出现的陷穴,应采用3∶7灰土夯填或挖除的方法进行处理。

(5)重视桥梁附属设施设计,桥头锥体填土采用A组填料,锥体护坡设置直径10 cm泄水孔,坡度为4%,采用PVC管材预埋,间距不大于1.5 m。泄水孔后0.5 m×0.5 m范围内设砂砾反滤层,厚0.3 m。PVC管靠碎石垫层一侧管头用0.2 m×0.2 m大的透水土工布(400 g/m2)包裹。表层新黄土具有湿陷性,锥体坡脚范围内天然地面以下0.7 m厚新黄土应换填为3∶7灰(新鲜的消石灰)土,分层夯填密实。

(6)重视排水系统设计,了解水的来路、去处,凡水流经处,均应采取防护措施,保证不存水、不渗水。桥墩台刷坡防护采用拱型骨架或者孔窗式护墙,内植草并种植紫穗槐。湿陷性黄土地区的桥涵建筑物,受水浸泡时会产生较大的沉降,对桥隧相连、路桥过渡段范围的排水系统设计尤其需要加强重视。

3.5.2 湿陷性黄土地区涵洞设计要求

(1)涵洞基础应采用整体式基础,并对地基土进行加固处理。湿陷性黄土地基上的涵洞(陡坡涵除外)一律加设上拱度,按H/25(H为涵洞净空)计算。

(2)在填土高度满足要求的前提下,涵身均采用框架箱涵。

(3)地基采用如下处理措施：

①基底以下为Ⅰ、Ⅱ级非自重湿陷性黄土：采用换填3∶7灰土处理。

②基底以下为自重湿陷性黄土：湿陷性黄土厚度小于3 m时,采用全部换填3∶7灰土的办法处理；湿陷性黄土厚度大于3 m时,采用打灰土挤密桩的办法处理。

③采用肋板涵时,基底湿陷性黄土厚度小于3 m采用全部换填3∶7灰土的办法处理；厚度大于3 m采用打灰土挤密桩的办法处理。

4 结语

目前晋中南铁路通道工程全线桥涵下部结构及基础施工正在有序的进行之中,文章中提及的桥涵设计原则在施工中得以充分的实践,为确保工程的安全高质、经济合理的顺利开展起到了一定的指导作用。山区铁路因受地形地貌条件限制,加上线路走向等诸多因素控制,设计的多变性很大,文中提及的设计原则及经验不能涵盖多种情况,笔者撰写本文仅为山区黄土地区铁路桥涵设计提供一些设计经验以供参考借鉴,在今后的设计中还会继续完善设计心得,争取达到理论与实践有机的结合。

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