深厚素填土地基铁路桥梁基础设计

王德华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

深厚素填土地基铁路桥梁基础设计

王德华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

深厚素填土地基，除需要考虑土层固结沉降引起的负摩擦力外，还需要考虑其厚度、密实度不均匀性，以及湿陷性等引起的水平蠕动对桥梁基础的影响。以南广铁路跨工业大道特大桥桩基础设计为工程实例，进行基础方案比选，并进行试桩试验。试验结果表明，在桩外侧设置钢管套，并在钢管表面涂刷特制沥青层，利用钻孔泥浆套，可有效减少桩身负摩擦力，同时钢管套的设置可有效提高桩身水平抗力，抵抗素填土的水平蠕动产生的水平变形。

铁路桥梁;基础设计;深厚素填土;负摩阻力;钢管套

由于城镇建设规模的扩大及建设用地日趋紧张，越来越多的建筑物包括铁路桥梁将建造在素填土地基上。由于素填土回填时间短，土体固结的程度低，通常素填土具有地基承载力低、压缩性高和均匀性差等特点。为克服素填土的缺陷，基础设计通常采用地基处理或提高桩基抗力的方法。桩基穿过新沉积的欠固结土或新填土而支承在硬持力层上时，土层产生自重固结下降对桩基础产生负摩阻力［1－3］。

以南广铁路跨工业大道特大桥工程为例，在最大素填土厚度24m的深厚素填土区，提出桩－土隔离法，即在桩外侧设置表面涂刷特制沥青层的钢管套，以有效减少桩身负摩擦力，同时提高桩身水平抗力以抵抗素填土的水平蠕动。并系统阐述桩身负摩擦力计算、施工措施、构造细节、试验方法。

1 工程概况

南广铁路为客运专线铁路，设计速度目标值为250 km/h，桥上线路曲线半径4 500m，墩身纵向刚度要求不小于400 kN/cm，横向折角不大于1.0%。受梧州南站站位控制，线位于广西苍梧县城南穿越梧州苍梧县工业园区东区，在园区范围设工业大道特大桥一座，桥跨为常规32m跨简支梁及小跨度连续梁，全桥长786.8m。园区原始地貌为丘陵，后经挖填整平开发为工业园区，桥址位于原沟谷，全桥地基分布有10～24m厚度不等的素填土，填土年限为5年。工业园东区已建成并投入使用，部分工厂已投入生产，部分工厂正在施工建设当中。

2 工程地质条件

桥址范围原为丘陵区，地表多为农田、林地，2004年开始建设工业区平整填筑场地，素填土层厚3.8～24.0m。填土成分为花岗岩残坡积土及全风化层，以黏土、粉质黏土为主，多夹石英颗粒，局部夹有零星建筑垃圾及强风化岩块。工业大道处填土已分层压实，桥址区其他地段的填土未作处理。相邻建筑物基础类型为人工挖孔桩，铝箔厂基础最大桩长24m。现场发现填土上围墙及未处理路面均有沉陷破坏现象。

素填土层填筑时间不足5年，工程性质变化较大。标贯击数:最大值21击，最小值5击，平均值11击;静力触探:P平均值1.23MPa，最硬层Ps值为2.77MPa，最软层P值0.56MPa。勘探显示该地层无论是在钻孔之间，还是在同一钻孔的不同深度，其密实度均有较大变化，均匀性很差，局部强度较低，有自重湿陷性，故应充分考虑素填土负摩阻的影响。

全桥地层岩性为第四系堆积层(Q4ml)素填土，全新统冲洪积层(Q4al+pl)粉质黏土，第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)粉质黏土，燕山期晚白垩世(γ5)花岗岩。

粉质黏土分布于素填土之下，有灰黑色、灰褐色软塑状粉质黏土。根据勘探资料及场地环境分析，考虑到桥址区为人工挖填形成，原地貌可能为稻田地，该层土在回填之前为软弱土层，场地填平后，局部已压实固结呈硬塑状态，但大多呈软塑状。该层土为不稳定层面，桩基设计时应注意。

素填土的岩土力学参数值见表1，地质纵断面见图1。

表1 素填土的岩土力学参数值一览

图1 地质纵断面(单位:cm)

3 场地素填土特性及工程影响分析

根据场地素填土范围的历史地貌及勘探所揭示的物理力学性能，该场地素填土的主要特性为素填土的欠固结及场地不均匀性，对工程的影响主要为欠固结素填土对桩基的负摩阻力作用，以及不均匀场地土体蠕动多导致的水平力作用。

3.1 负摩阻力

素填土地基的填料虽然来自近处，但土的天然结构已经破坏，黏性土的黏聚性完全消失或大为降低，结构处于极不稳定状态。素填土在本身自重作用下，有效应力相应增加，土的密实度和强度随之增大，这个过程就是素填土的再固结作用。素填土的固结除自重固结外，地下水位变化、周围地面大面积堆载也是其影响因素。伴随素填土的固结过程，桩周土相对桩身发生沉降，对桩侧产生负摩阻力。

3.2 土体蠕动

土体蠕动一方面场区内素填土层厚度变化较大、密实程度不均，素填土在固结沉降过程中，土体产生蠕动，使土体颗粒分布及结构趋于均匀;另一方面由于原地面起伏较大(素填土横向分布见图2)，且原地表分布黑色粉质黏土，回填之前为软弱土层，受固结沉降及周围地面大面积堆载影响，会产生局部蠕滑面，导致土体蠕动。随着填土静置时间的延长，填土逐渐压密，蠕动趋于结束。

图2 素填土横向分布示意(单位高程为m，其余为cm)

土体处于“V”字形山谷中，具有一定的对称性，山坡两侧水平蠕动相向而行，水平位移受到相互限制，使得素填土不能发生大的水平位移。且素填土填筑已有5年，沉降固结已部分完成，后期不会发生急剧大量下沉情况，因而整个素填土层也不会同时发生较大的水平位移。这个特性使得它对结构的危害程度受到一定的限制。

4 桥梁基础设计方案比选

4.1 素填土地基处理一般方法

对于较厚的素填土地基，目前较成熟的地基处理方法有强夯法、灌浆法、振冲法等。

强夯法处理地基是利用夯锤自由落下产生的冲击波使地基密实，采用8 000 kN·m能级强夯的有效加固深度为10.0～11.5m［4－5］，采用12 000 kN·m能级强夯的有效加固深度为 12m［6］。

灌浆法的实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入天然或人为的裂隙或空隙，以改善各种介质的物理力学性质［4］。采用注入水泥浆，可处理地基深度达 30m［7］。

利用振动和水冲加固的方法叫作振冲法［4］，振冲法加固处理地基深度可达30m［8］。

4.2 提高桩基抗力法

单纯加大桩径可有效提高单桩竖向和水平承载能力，克服负摩擦力和素填土水平蠕变等影响。

4.3 桩－土隔离法

采用在桩外侧设置表面涂刷特制沥青层的钢套筒，以降低负摩擦力，同时钢套筒与混凝土桩身共同受力，提高了桩身抵抗地基水平蠕变能力。

4.4 设计方案比选(表2)

深厚素填土桥梁基础设计需充分考虑:墩台水平刚度限值要求和工后沉降限制要求、素填土沉降固结产生的负摩擦力影响、克服素填土固结过程中不均匀沉降以及附加水平蠕变等不利影响。

(1)强夯法、灌浆法、振冲法对周围环境建筑物影响大，且加固范围受场地范围限制，要达到24m以上的加固深度具有较大的困难。

(2)单纯加大桩径的办法经济性差，当素填土厚度大于20m时，桩身承载力主要消耗在克服自身所受的负阻上，且素填土区桩基施工易造成坍孔等不利情况发生，难以控制成桩质量。

(3)钻孔桩外设钢套筒，钢套筒外侧设置特制沥青层和泥浆护套，以降低负摩擦力，即桩－土隔离，同时钢套筒与混凝土桩身共同受力，提高了桩身抵抗地基水平蠕变能力，并利于钻孔桩基成孔。

经过技术、经济比选，选用桩外侧设置表面涂刷特制沥青层的钢筒管方案。

表2 各类基础方案比较

5 减小负摩擦力措施研究

桩侧负摩阻主要取决于桩体材料、桩基类型、土的特性、土－桩的相对位移量及速度，最有效的方法采用沥青涂层，也有采用聚乙烯塑料外护层的方法［9］。实验室试验表明，采用混凝土或钢材，外涂沥青材料能减少85%～97%的摩擦［10］。现场试验表明，外涂沥青的钢管桩，负摩阻能减少至14%［9］。

目前国内尚未有采用沥青涂层桩的报道，考虑材料组份、制作工艺等因素与国外的差异性，设计时考虑采用沥青涂层后，负摩阻减小至30%，并选取3根工程桩进行现场试验，实测消除负摩阻效果。

6 桩基础基本构造

设计采用变桩径，素填土部分桩径比下部桩径大20 cm，下部桩径分别为1.25m和1.5m，素填土部分钢套筒桩径分别为1.45m和1.7m。为了有效克服素填土水平蠕变影响，钢套筒下端应伸入素填土以下不小于2.0m，上端沿护筒外侧四周等间距焊接30根和40根HRB335钢筋伸入承台内。钢护筒切割时，预留伸入承台内15 cm。

7 外涂沥青涂层的构造细节及施工措施

任何桩身涂料的有效性都取决于施工过程中的损伤程度及现场效果测试，并考虑涂料的耐久性。

7.1 沥青涂层厚度及性能要求

在挪威，钢管桩的沥青涂层最小要求为1 cm。实验室试验表明，5mm厚的沥青涂层较2～3mm的沥青涂层的消除摩擦效果较好。考虑到降低涂桩的难度及施工过程中的损伤及老化，沥青涂层厚度要求为6～10mm。

为保证涂层温度稳定性及粘滞性，改性沥青软化点为60℃;针入度为75mm。

7.2 施工措施

为减少施工过程中对钢套筒外侧沥青涂层的损伤，需采用下列施工措施。

(1)钢护筒在打入之前先在桩位处利用冲击钻钻一等直径的孔。钻孔桩施工必须采用冲击钻，这样既可以挤密桩周土，提高桩周土的密实性，同时可以保证桩孔垂直度，有利于钢套筒的安装。

(2)由于钻孔桩护壁泥浆的作用，既可有利于护筒的下沉，也可以有效保证钢护筒打入过程中其外壁的沥青涂层不被破坏，并有利于成桩后，进一步减少桩侧负摩阻力。

(3)为防止沥青涂层在钢护筒下沉时被破坏，可将钢护筒底部做稍大些，一般可在钢套筒底部外侧焊接1～2mm厚钢板。

(4)施工中应按配方预先生产少量沥青，按上述施工措施进行试打钢护筒，根据试打钢护筒情况决定是否调整施工工艺或施工措施。

8 桩基负摩阻的设计取值

中性点的位置、负摩擦力取值方法是桩基负摩擦力计算的2个重要方面。

8.1 中性点的位置

中性点是指桩的下沉量和地基沉降量相等的点，亦即负摩擦和正摩擦的转换点，与桩身最大轴力点一致。一般几乎不下沉的端承桩的中性点深，摩擦桩中性点浅［11］。一般研究得出中性点位置大致在0.65～0.75倍桩长间［12］。该桥桩基全按摩擦桩设计，持力层为全风化及强～弱风化花岗岩及细砂岩，持力层上为原状3～9m厚的粉质黏土(σ0=120 kPa)及素填土，考虑风化花岗岩的低压缩性及摩擦桩的下沉，设计时可保守地把中性点定义在风化层的表面上。

8.2 负摩阻力的取值

确定桩侧摩阻力fN的方法有:静力触探法、钻孔取土定值法、不排水抗剪强度试验法、有效应力法、标准惯入试验法。

标准惯入试验法(不考虑沥青涂层):fNi=3+N/5，其中N为标贯击数，即N63.5。

9 桩基负摩阻的现场试验

9.1 现场试验概况

为确定试桩的单桩承载力并验证设计，确定桩在自由状态下试桩的水平承载力、桩侧素填土地基系数的比例系数m值，测试桩穿越各土层的实际摩阻力，验证消除负摩阻的工程措施效果，根据实验结果进行工艺性总结，为剩余的工程桩提供参考。在全桥桩基施工前，选取3根φ1.25m、3根φ1.5m桩基进行试验，分别为20号桥墩的1号、2号、4号桩基，11号桥墩的1号、2号、5号桩基。

采用自平衡法试桩［13］，试验桩参数及实验结果见图3。

9.2 试验成果及分析

设计时，分别按静力触探法、有效应力法、标准惯入试验法进行负摩阻力计算，并采用较大值。取值大小与实验值对比见表3。

图3 桩身轴力和桩周摩阻力分布

表3 负摩阻力计算值与采取消除负摩阻措施后的实验值比较

实验结果表明，通过桩孔桩外设置钢套筒，并在钢套筒外涂制特制沥青和泥浆，可以有效降低桩身负摩擦力。设计预估桩身平均负摩擦力系数为15 kPa，实际试验实测负摩擦力系数值为2.1～10.9 kPa，平均为6.7 kPa，比设计预估值小。考虑到泥浆随时间变化干缩后钢套筒与土层黏结力会有一定的增大，适当提高负摩擦系数是符合实际的。

单桩水平荷载试验表明，20号墩桩侧土水平抗力系数m值为13 000～19 000 kN/m4，11号墩桩侧土水平抗力系数m值为64 000～71 000 kN/m4，设计采用m值为6 000 kN/m4，实测m值较设计采用m值大。考虑到素填土仍处于沉降固结过程中，地表水下渗会引起填土局部湿陷软化等因素，桩身水平刚度适当富余是合适的。

单桩水平荷载试验表明，20号墩桩水平承载力特征值600 kN，11号墩桩水平承载力特征值1 800 kN，满足抵抗素填土沉降过程中水平蠕动的要求。单桩最大水平位移10mm;试验荷载下单桩沉降实测值摩擦桩为8～35mm，柱桩为1～14mm。由于竖向试验荷载比使用状态下荷载大，按试验荷载推算桥墩工后沉降值均小于10mm。

10 结语

深厚素填土地基，除需要考虑土层固结沉降引起的负摩擦力外，还需要考虑其厚度、密实度不均匀性，以及局部湿陷等引起的水平蠕动对桥梁基础的影响。一味通过加大桩径，增加桩数来克服负摩擦力的不利影响既不经济，也不现实。试验结果表明，在桩外侧设置钢管套，并在钢管表面涂刷特制沥青层，利用钻孔泥浆套，可有效减少桩身负摩擦力，同时钢管套的设置可有效提高桩身水平抗力，抵抗素填土的水平蠕动产生的水平变形。

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Foundation Design of Railway Bridge w ith Deep and Thick Plain-Fill Subsoil

WANG De-hua

(China Railway Engineering Consulting Group Co．，Ltd．，Beijing 100055，China)

As for the deep and thick plain-fill subsoil，except needing to consider the negative friction force arising from soil consolidation settlement，the in-homogeneity on thickness and density，the influence on bridge foundation caused by horizontalwriggle of collapsible soil，also should be taken into account．In this paper，the foundation design of a supermajor bridge crossing above the Gongye Avenue on Nanning-Guangzhou Railway was taken as an example，and then comparison and selection for foundation scheme were carried out，together with the pile testing．The test results show that if a steel sleeve，which is painted by special asphalt，is installed outside of the pile，togetherwith the utilization of a drilling mud sleeve，the negative friction force can be effectively reduced．Simultaneously，the steel sleeve can increase the horizontal resistance force of the pile structure effectively，resisting the horizontal deformation caused by horizontalwriggling of plain fill．

railway bridge;foundation design;deep and thick plain-fill;negative friction force;steel sleeve

U443.1

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．019

1004－2954(2014)03－0080－05

2013－06－28;

2013－07－22

王德华(1965—)，男，高级工程师，1988年毕业于石家庄铁道学院桥梁工程专业，工学学士，E-mail:wangdh111222@163．com。