软土地基铁路桥型选择和桥路比较分析

王德华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

软土在我国沿海、沿江地区广泛分布，主要可分为长江、珠江等三角洲沉积，海相沉积，湖相(弱湖相)沉积等。其中最软的为淤泥和淤泥质土，铁路选线时往往难以绕避。近些年铁路快速发展，客运专线、高速铁路等速度目标值都在200 km/h以上，因而对桥梁、路基的沉降和墩顶水平刚度要求也相应较高。由于桥梁造价较路基高，在深厚软土地区的铁路是以桥梁还是路基形式通过，需综合考虑列车行车安全、经济性、环境因素、社会效益等各方面问题［1］;涉及地基条件、路基高度、铁路等级、水文、地方规划、地材供应、环境要求等因素。

桥、路比较分析应充分考虑各种因素的影响。随着各地方社会经济发展，城市开发和建设速度和规模不断扩大，在铁路附近开发建设和修建道路等情况时有发生。因而在软土地区桥路比较和桥梁设计方案选择时，应充分考虑地方建设形成填土堆载或抽取地下水等不利因素影响，避免造成铁路桥墩倾斜或沉降超限等事情发生。

2 软土工程特性和主要特点

由于软土承载力低，压缩性高，在工程中往往需要加固后才能修建道路、桥梁等建筑物。软土地基加固主要是根据建筑承载力、变形和稳定性等需要，针对软土强度低、压缩性高、固结时间长等工程特性，采取密实、置换等方法进行加固处理［2，3］。软土的主要特性有:

天然含水量等于或大于液限、空隙比大于1;

压缩性高，压缩模量一般在1～5 MPa之间;

渗透系数往往小于10－6cm/s;

抗剪强度低，三轴不排水试验内摩擦角接近零，黏聚力一般不大于25 kPa;

具有流变性，由于软土固结缓慢，在剪应力作引下，土体变形长期存在;

软土地基灵敏度一般在2～3，在地震荷载或动荷载作用下易发生震陷。

3 软土地基加固的一般方法

由于铁路桥涵路基要求地基有较高的承载力和较低的工后沉降限值，在实际工程实践中，往往需要对软土地基进行加固处理。软土地基加固的基本方法有密实法、置换法、复合地基法、加筋法和灌浆法等。软土较厚时常采用水泥搅拌桩、CFG桩、预应力管桩等复合地基。在高速铁路等沉降要求高的路基中会用到CFG 桩、预应力管桩等桩板(网)结构［4，5］。

4 软土地区桥梁结构形式

软土地区最常见的桥梁形式为24m、32m简支梁桥，钻孔灌注桩基础。该型桥梁稳定性好，沉降量可控，桥墩纵横向刚度较大，适用于高铁和客货共线等各类型铁路。但在城市开发区或城郊附近，易因铁路附近的城市建设、道路修建等原因，造成桥墩倾斜或沉降量超标等事故发生。

软土地区也可采用较小孔径的简支梁，采用复合地基基础。该型桥梁沉降较大，同时因桥墩基础受力集中，桥墩稳定性差，因而在铁路上很少采用。

小孔径钢筋混凝土闭合框架结构具有结构轻，基底荷载分布较均匀，对地基承载力要求相对较低等特点。采用水泥搅拌桩或CFG桩等复合地基处理的软土地基可以满足设计要求，在填土较高，且沉降要求不高的货运铁路和客货共线铁路上应用，具有一定的优势，尤其在城郊地区，因地基加固后稳定性好，对后期地方建设影响相对较小。

5 软土复合地基计算

软土地基基础除检算承载力外，还应检算基础沉降和地基稳定性。软土地基基础承载力、沉降和地基稳定性检算方法与加固方法有关［6］。常见的水泥粉煤灰碎石桩等刚性桩加固软土地基时，地基承载力按复合地基计算。

5.1 刚性桩复合地基承载力计算

式中 ［P］——单桩竖向容许承载力/kN;

σsp——复合地基承载力/kPa;

m——面积置换率;

Ap——桩的断面面积/m2;

σs——处理后桩间土承载力/kPa;

β——桩间土承载力折减系数。

5.2 刚性桩复合地基沉降计算

复合地基的总沉降量可按下式计算

式中 S1——加固区沉降量;

S2——下卧层沉降量。

地基工后沉降量按下式计算Sr=S－ST

式中 Sr——工后沉降量;

ST——施工期沉降量。

加固区沉降量计算可采用复合模量法或承载力比值法，下卧层沉降计算仍采用分层总和法。

5.3 软土复合地基稳定性分析

地基稳定性分析应分别检算施工期和运营期的稳定系数，以运营期的稳定安全系数作为设计指标，以施工期的稳定安全系数作为验算指标。不同等级铁路路堤稳定安全系数见表1。

表1 路堤稳定安全系数

5.4 软土地基桩基础负摩擦力计算

桩侧有附加土柱作用，或因地下水位下降造成地层整体下降时，下降土体会对桩身产生向下的负摩擦力。在负摩擦力计算中，中性点的位置、负摩擦力系数取值方法是两个重要方面。

(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［7］。一般研究得出中性点位置大致在0.65～0.75 倍桩长间［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。

6 桥路比较的主要影响因素

软土地区设桥还是设路基通过，须经过技术、经济、环境等综合比较后确定。影响桥路比较结果的因素较多，除铁路等级、线路高度、地质条件、水文条件、地方规划、环境要求、地材情况外，桥梁路基的不同结构形式也是影响桥路比较结果的重要因素。

6.1 铁路桥涵路基对地基承载力和基础变形要求

铁路建设标准主要有高速铁路、客运专线铁路、客货共线铁路以及Ⅲ级和Ⅳ级铁路等，其中各等级铁路又分不同的速度目标值。各等级铁路的桥涵和路基除要求地基承载力满足要求外，对地基工后沉降也均有具体要求。不同等级铁路的桥涵和路基对地基工后沉降要求见表2。

表2 不同等级铁路的桥涵和路基工后沉降限值 mm

6.2 软土加固方法的选择

软土地基可采用碎石桩等散体桩加固，当软土为淤泥质或软土较厚时，碎石桩等散体桩加固效果较差，此时需要采用水泥搅拌桩、CFG桩等进行加固。路基较高、软土较厚，宜采用水泥搅拌桩加固。有时沉降量往往超标，且路基横向稳定性较差，这时需要采用CFG桩、预应力管桩等刚性桩加固地基。采用什么样的措施加固软土地基，要视软土特性、厚度、下卧层地质情况、路基高度、沉降要求等具体情况而定，在高速铁路上对沉降要求较高时，多采用CFG桩、预应力管桩等桩网结构对地基进行加固［6］。

6.3 地方建设规划对桥路比较的影响

随着国家社会经济发展，地方建设规模也越来越大，特别是沿江、沿海经济发达地区，因地方建设堆载填土等造成铁路桥梁沉降、倾斜地事故时有发生，给铁路运营安全带来很大的威胁。在软土地区桥梁设计时，应充分考虑地方建设发展情况，对城郊等建设规划区，应考虑将来填土堆载的影响，软土地区桥路比较和桥梁类型的选择上要充分考虑地方建设发展的规划和需要。

6.4 桥梁结构形式的选择

软土地区桥梁主要结构形式为24m、32m简支梁桥(钻孔灌注桩基础)，小孔径钢筋混凝土闭合框架结构(复合地基)，高速铁路应首选钻孔桩基础常用跨度简支梁桥。小跨度框架结构桥具有结构轻，造价低等特点，在客货共线铁路中选用具有一定的优势，特别是在水位控制路肩高程的情况下，可有效降低相邻路基高度。在城市和城郊等地方建设密集的地区，由于小跨度框架结构地基加固范围大，地基稳定性好，对后期地方建设影响较小。各种桥型工程特性比较见表3。

表3 各桥型工程特性比较

6.5 材料价格的影响

在桥路比较中，材料价格的影响较大。大多数情况下软土地区缺乏合适的路基土源和砂石等。由于沙石和填土价格较高，桥、路比较的临界高度较低。

6.6 建设用地比较

路基方案用地较多，随着填土高度增加，路基用地也大大增加。相应桥梁用地宽度一致，且用地数量较小。在城区和城郊区建设用地紧张，随着用地价格的升高，节省用地具有很好的经济效益和社会效益。

7 软土地基桥路比较分析

某客货共线铁路穿越软土地区，软土地基段地质情况为:第一层淤泥质粉质黏土，厚17～19m，δ0=80 kPa;第二层黏土，软—硬塑，厚 15～20m，δ0=150 kPa;第三层砂黏土，硬塑，厚 13～16m，δ0=180 kPa。

7.1 比较方案

方案Ⅰ为采用32m简支梁，采用钻孔灌注桩基础。方案Ⅱ为多孔8.0m小跨度钢筋混凝土框架桥，基础采用复合地基基础。方案Ⅲ为填土路基，采用复合地基基础。

7.2 控制路肩高程

路肩高程受水位控制，采用32m简支梁时，因简支梁高度大使得桥头路基高达8.0m，采用框架桥时，桥头路基高度为6.8m。由于桥头紧邻车站，采用简支梁桥时，车站高程抬高1.2m，工程增加太大，故紧邻车站填土高度6.8～8.0m范围采用路基方案和框架桥方案比较。路基高度大于8.0m路段采用上述三个方案同时比较。

考虑交通和防汛通道需要，全段路肩高度为6.8～12m。

7.3 软土地基加固类型和工程费用比较

对于软土地基分别采用搅拌砂浆桩和CFG桩加固进行比较。水泥砂浆桩，直径0.5m，间距2.0m和1.2m，梅花形布置，桩土应力比3.5;CFG直径0.5m，间距1.8m和1.4m。第一段线路软基加固后沉降计算结果见表4。

表4 复合地基沉降计算结果

从计算分析结果看出，当软土厚度达到18m，采用搅拌砂浆桩进行加固桩间距2.0m时，路基高度超过4m工后沉降将达到163 mm，超过允许值。采用框架桥方案时，工后沉降沉降虽难减小，但也超过80 mm的限值。采用CFG桩进行加固桩间距2.0m时，路基填土高8m时，路基工后沉降106 mm，框架桥工后沉降73 mm，均在允许范围之内。

经比较，路基和框架桥方案软土地基均采用CFG桩进行加固，桩间距2.0m。综合比较，当路基高度6.5m时，采用路基与采用小孔径框架桥工程费用相当，路基高度8.0m时，采用路基比小孔径框架桥工程费用高。

7.4 多孔8.0m框架桥，32m简支梁和路基方案综合比较

(1)对于一般的客货共线铁路，在路基高度小于6m，具有一定的经济优势。

(2)当路基填土高大于6m时，由于框架桥方案占地数量少，基础加固范围小加固数量少，对后期地方建设影响小等各方面优点，所以相对的路基方案具有一定的优势。

(3)常用跨度简支梁桥方案基础稳定性易受周边填土建筑活动影响，工程费用相对较高，施工时对环境影响较大;但由于其沉降量小，桥墩刚度较大，因而在高等级铁路中乃是首选桥型。

8 结束语

在软土地区修建铁路时，一般需要对桥梁和路基进行技术经济比较，选择合适的形式穿越软土区。深厚软土地区桥路的技术、经济比较牵涉的因素较多，涉及地质条件、路基高度、铁路等级、水文、地方规划、环境要求等各方面因素。在以往路桥比较时，多采用常规跨度(32m)简支梁桥进行比较，比较结果一般都是梁式桥比路基高费用。实际上在路桥比较前，我们首先需要根据不同标准铁路的沉降要求，所处位置是否靠近城市或车站，设计水位是否控制高程，桥梁高度，软土厚度等各项因素，对桥梁不同的结构形式进行综合分析，选择合适的桥梁类型。在合理确定了桥梁形式后，再进行路、桥比较，其结果相对可靠。

高速铁路对桥墩沉降和纵横向水平刚度的要求高，常采用简支梁钻孔桩基础。对于一般客货共线铁路，可采用小孔径框架桥等轻型桥梁复合地基基础结构。轻型桥梁复合地基基础结构不仅比较经济，而且对地方建设规划影响较小。在路基高度小于6m时，具有一定的经济优势。当路基填土高大于6m时，框架桥方案相对路基方案具有一定的优势。

［1］庄仲欣．高速铁路软土区路基处理与路桥方案比较［J］．铁道勘察，2005(1):39-41

［2］阎明礼．地基处理手册［M］．北京:中国环境科学出版社，1995

［3］龚晓南．地基处理手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2008

［4］陶晓倩．水泥搅拌桩在铁路软土路基处理中的计算分析及应用［J］．铁道勘察，2007(2):79-81

［5］张立新，马广为．预应力管桩在软土地基中的应用［J］．铁道勘察，2006(2):46-47

［6］铁道部．铁路工程地基处理技术规程［S］．北京:中国铁道出版社，2010

［7］张晓健．桩基负摩阻力研究现状［J］．地下空间与工程学报，2006(2):315-319

［8］方根男．桩基设计中桩侧土的负摩阻力问题［J］．铁道标准设计，2006(3):63-65