黄土地区高速铁路桥梁设计

种博肖

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

黄土地区高速铁路桥梁设计

种博肖

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

中卫至兰州客运专线沿线多为黄土地区，地形起伏较大，地质条件复杂，在黄土深沟陡坡上进行桥梁设计是本线的一大难题。文章结合中兰客运专线的地形地质特征，重点从桥梁布设原则、墩台刷方边坡稳定性、桩基自由桩长的确定及桥台设置等方面，对本线黄土深沟陡坡地段桥梁设计进行了深入阐述。针对湿陷性黄土的工程地质特性，分别对非自重湿陷性黄土和自重湿陷性黄土提出了桩基负摩阻力的取值范围，研究了桩侧负摩阻力的计算深度和m值的计算原则，修正了现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》对湿陷性黄土地区基础沉降的计算方法，并简要介绍了黄土地区桥梁基础施工的注意事项和应采取的相关工程措施，为类似地区桥梁工程的设计与施工提供了实用经验。

中兰客运专线； 黄土深沟陡坡； 湿陷性黄土； 负摩阻力

1 概述

中卫至兰州客运专线是京兰客专的重要组成部分，是我国“一带一路”战略发展核心区域的重要交通基础实施。该线位于宁夏回族自治区和甘肃省境内，线路北起宁夏回族自治区中卫市，向南经白银市及兰州市，引入兰州站，途经平川区、靖远县和皋兰县。线路全长224.7 km，共有特大、大中桥梁91座，桥梁总长84.2 km，占线路长度的37.5%。其中黄土地区桥梁的分布段落长度约69 km，占该线桥梁长度的82%。

1.1 地形地貌

沿线黄土分布广泛，大部分段落黄土层较厚，地形起伏较大，经过地貌单元有黄河河谷阶地区、山前及山间冲洪积倾斜平原区、低中山区、黄土梁峁区及宽谷区。

1.2 工程地质特点

沿线黄土主要由第四系全新统冲洪积、风洪积砂质黄土和上更新统风积、冲洪积砂质黄土组成，多为Ⅱ级(中等)～Ⅳ级(很严重)自重湿陷性场地，湿陷土层厚度为10～35 m，局部黄土梁峁区湿陷土层厚度可达35～50 m，为Ⅳ级(很严重)自重湿陷性场地。

全线范围内地震动峰值加速度为0.15 g～0.3 g，地震烈度Ⅶ～Ⅷ，71%桥梁位于八度区。

1.3 主要技术标准

(1)铁路等级：高速铁路；

(2)正线数目：双线；

(3)线间距：4.6 m；

(4)设计速度：250 km/h；

(5)轨道结构形式：有砟轨道；

(6)设计活载：ZK活载。

2 黄土深沟陡坡地段桥梁设计

2.1 桥梁布设原则

相对平原、微丘地区，黄土深沟陡坡地区铁路桥梁设计控制因素较多，本着尽量避免刷方过大、扰动自然土体塬面稳定的原则，一般选择在黄土塬、宽谷阶地、平缓斜坡及比较稳定的沟谷地带设桥。此外，为保证陡坡上桥墩、桥台安全，尽量一跨或加大跨径跨越陡坡，不扰动陡坡。不得已在陡坡上布设墩台时，需对桥梁墩台安全、施工平台、边坡稳定性等做综合分析评定。

2.2 墩台刷方边坡稳定性

墩台刷方边坡的稳定性与坡型、坡率和坡高等因素有关。台阶型边坡是黄土边坡最适宜的坡型，具有稳定性高，施工方便，排水有利的特点。边坡的坡率与坡高有密切的关系，坡率越小，工程量越大，投资增加；反之，坡率过大，边坡的稳定性则无法保证。因此，在坡高一定的前提下，选择合理坡率是保证边坡稳定可行、经济的关键。

本线黄土的孔隙率偏大，黄土颗粒之间的胶结主要靠碳酸钙和易溶盐。墩台基础施工开挖后的黄土边坡在长期降雨和连阴雨季节，雨水沿垂直裂隙下渗，裂隙在动水冲蚀作用下，边坡易产生局部破坏，甚至失稳，影响边坡附近桥梁墩台安全，因此需对黄土地区刷方边坡进行防护处理。当冲沟较深、同一面坡上有2个及以上墩台时，整个坡面防护应做统一考虑。黄土边坡采取“加固坡脚、加强坡面防护和排水”的综合防护措施。

结合本线地质情况，同时借鉴太中(银)线、郑西客专、宝兰客专设计经验，对本线山区黄土地层墩台刷坡坡率按1∶1设计，每8 m一级，分级处设不小于2.5 m宽平台，并于平台上设置0.4 m×0.4 m平台截水沟。一般情况下，刷方后坡脚设M10浆砌片石基础，高1.5 m，宽0.5 m；坡面铺砌M10浆砌片石厚35 cm，下设10 cm厚碎石垫层，碎石垫层下设复合土工膜防水。

2.3 自由桩长的确定

陡坡上的墩台桩基顶部一定范围内桩身侧面受相邻墩台的刷坡影响，桩侧土体难以提供足够的土抗力及有效的摩阻力，桩基础在外力作用下，桩身发生侧移或旋转，当桩对侧面土产生的水平压力大于土对桩的被动土压力与主动土压力之差时(不考虑桩与土之间的黏着力和摩擦力)，土体将发生剪切破坏。

本线广泛分布性质较差的Q3、Q4黄土，一般情况下，Q3黄土的稳定边坡角为35°，Q4黄土为30°。受相邻墩台的地面高差、刷方影响，需要选取合适的承台埋深。承台底至黄土稳定边坡线与桩基近陡坎侧桩身交叉处按自由桩长计算。

陡坡上的墩台自由桩长除按上述方法确定外，还应结合以往设计经验，按近陡坎侧桩身至刷坡线的水平距离进行双控，取更不利者进行基础计算。Q3黄土一般取值8 m，Q4黄土取值10 m。设计时应注意陡坡引起的自由桩长不与湿陷性黄土对基础的影响相叠加。

2.4 陡坡上的桥台设置

本线桥梁桥位受线路控制，部分桥台位于陡坡上。沿线黄土质地松软，具大孔性，植物根系、垂直节理发育，加之坡度较陡，易崩塌。为保证桥台的安全与稳定，桥长采取宁长勿短的原则。桥梁布设孔跨时，台前距离刷方处理后的陡坡边缘一般不小于8 m。

根据台前陡坡的实际情况，加测辅助纵断面和横断面，结合地质情况，对基础埋深以及边坡防护作出合理的设计。一般情况下，顺桥向保证台前至刷方后的陡坡边缘不小于8 m，且从锥体坡脚一直铺砌至沟底，如图1所示；横桥向从左线线路中心左侧10 m处铺砌至右线线路中心右侧10 m处，横向总宽约25 m。

图1 台前陡坎刷方、铺砌立面示意图(cm)

3 湿陷性黄土地区桥梁基础设计

一般情况下，桩基受到的是正摩擦力作用，当桩周土由于自重固结、自重湿陷等原因产生的沉降大于桩身的沉降时，湿陷性黄土会对桩基产生一定的负摩阻力。桩的负摩阻力相当于在桩顶荷载之外，又附加了土对桩侧壁施加的下拉面荷载。湿陷性黄土中桩基的下拉面荷载数值极为可观，若未能合理考虑该荷载，对于摩擦桩，上部结构就会产生较大的沉降或不均匀沉降；对于端承桩，会造成桩身或桩端地基破坏。

3.1 桩基础负摩阻力的取值

桩的负摩阻力的大小与桩周土的性质有关，桩与桩周土共同作用是个比较复杂的问题，现有的关于桩基负摩阻力的计算方法很多，有理论算法和经验估算法，但都没有考虑土体应力应变的非线性，具有一定的局限性。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。

在黄土地区，首先应根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》对黄土的湿陷性按湿陷系数δs进行判定，区分出非湿陷性(δs<0.015)和湿陷性黄土(δs≥0.015)，同时根据自重湿陷量△zs的实测值或计算值来判定湿陷类型，区别非自重(△zs≤7 cm)与自重湿陷性黄土场地(△zs>7 cm)。现行铁路规范中并未对非自重与自重湿陷性黄土摩阻力的计算进行明确的阐述。湿陷性黄土地区桩基础一般按下列原则进行设计。

(1)湿陷性黄土地区的桩基础，桩基必须穿透湿陷性黄土层。在非自重湿陷性黄土场地，将桩底置于压缩性较低的非湿陷性黄土层中；在自重湿陷性黄土场地，将桩底置于稳定可靠的岩(或土)层中。

(2)在非自重湿陷性黄土场地，当其自重湿陷量计算值△zs≥50 mm时，桩侧摩阻力取零，当其自重湿陷量计算值△zs<50 mm时，桩侧摩阻力取该湿陷性土层饱和状态下的正摩阻力(8～15 kPa)。

(3)在自重湿陷性黄土场地，Ⅰ、Ⅱ级自重湿陷性摩阻力取-10 kPa，Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性摩阻力取-15kPa。

(4)计算时注意地震力工况下不计黄土的湿陷性。

3.2 桩侧负摩阻力计算深度

一般而言，桩侧负摩阻力并不一定发生于整个湿陷性黄土层中。桩身产生负摩阻力的深度，是桩侧土层对桩产生相对下沉的范围，它与桩侧土层的压缩、桩身压缩以及桩尖下沉等因素有关。负摩阻力沿桩侧的分布形态：在桩顶处负摩阻力为零，随着桩体深度的增大，负摩阻力也逐渐增大，直到负摩阻力最大值后开始减小，最后在中性点位置处变为零。中性点是由负摩阻力过渡到正摩阻力时摩阻力为零的断面，也是桩土相对位移为零的断面。因此，负摩阻力的深度也就是中性点的深度，如图2所示。影响中性点深度的因素较多，主要与桩底持力层强度和刚度、桩周土层的变形性质、桩的截面刚度有关。

图2 中性点深度

中性点深度应按桩周土层沉降与桩沉降相等的条件计算确定，也可根据经验数据确定，《建筑桩基技术规范》中给出了中性点深度比见表1。

表1 中性点深度比Ln/L0

根据《建筑桩基技术规范》中性点深度比计算的桩侧负摩阻力值与郑西客专试验结果较接近，但考虑到郑西客专试验结果是在完全饱和的状态下测得的，实际上是不可能达到这种状态的，再加上桥址范围内各种防排水措施，有效的降低了湿陷性黄土的负摩阻力影响，因此本线湿陷性黄土地区桥梁的桩侧负摩阻力的计算深度较《建筑桩基技术规范》中性点深度有所减小，具体见表2。

表2 桩侧负摩阻力的计算深度

注：土层自承台底起算。

3.3 湿陷性黄土地基比例系数的确定

现行的铁路桥规中对湿陷性黄土m值的取值范围并未明确阐述，仅对m值的计算做了简要的说明。由于桩的水平荷载与位移关系是非线性的，即m值随荷载与位移的增大而减小，所以，m值的确定要与桩的实际荷载相适应。对于桥梁结构，在地面处的最大位移不超过6 mm，主要考虑若地面处的水平位移大于6 mm，墩台顶的位移就很难满足规范要求。

m值宜通过单桩水平静载试验确定，若无试验数据时，可参照《建筑桩基技术规范》取值，即饱和状态下湿陷性黄土m值取值范围在2 500～6 000 kPa/m2之间，一般非自重湿陷性土层取6 000 kPa/m2，Ⅰ、Ⅱ级自重湿陷性土层取4 500 kPa/m2，Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性土层取2 500 kPa/m2。

3.4 桩基沉降的计算

湿陷性黄土地基中的桥梁桩基除了满足承载力和稳定性的要求外，还需满足桩基沉降量的要求。中兰客专墩台基础的工后最大允许沉降量：墩台均匀沉降量30 mm，相邻墩台沉降量之差15 mm。

一般地区的桩基础沉降主要受控于桩底下部土体的变形特征和荷载的大小及作用方式，影响最大是桩底下部土体的变形特征。湿陷性黄土地区桥梁桩基除具有一般地区桩基础沉降特点外，还应考虑桩底下部土体在负摩擦力作用下的变形。负摩阻力相当于在桩上施加了附加的下拉荷载，可导致桩发生过量的沉降。

现行的铁路桥规中仅给出了一般地区地基基础的沉降计算方法，基础为桩基时，将桩基作为实体基础进行沉降计算，荷载按恒载计算，实体基础的支承面积通过桩基所穿过土层的加权平均内摩擦角和桩位于土中的深度计算确定。由于黄土湿陷性的存在，若采用现行铁路桥规对其进行沉降计算，具有一定的局限性，因此，对湿陷性黄土区的桩基进行沉降计算时，应对其进行部分修正：(1)恒载中应计入桩基的负摩阻力；(2)实体基础支承面积应力扩散的起始点应以正负摩阻力的过渡点即中性点的位置算起。

3.5 桩基础施工

湿陷性黄土遇水浸湿时，土的强度显著降低，在土的自重压力和附加压力作用下容易引起的湿陷变形，对建筑物的危害性很大。因此，在湿陷性黄土场地，对桥梁基础及附属工程进行施工时，应采取防水措施防止施工用水和场地雨水流入桥梁地基引起湿陷。

桩基施工时，可根据桩径、桥址地理环境、湿陷性黄土的厚度及施工单位设备配置等因素，经综合分析比较后，分别选用旋挖成桩、泥浆护壁钻孔成桩等成桩工艺。

承台施工时，应对承台底面土层作夯实处理，即欠挖10～15 cm土层，夯实至设计高程。承台筑出地面后，基坑应及时用原状土分层夯实回填高出原地面0.3 m，并做好排水坡避免桥墩地表积水。

基础施工完成后，应对桥址处施工场地进行平整，作好天然水流的导流措施，确保基坑附近不积水，避免地基塌陷。

4 结束语

本文结合已建和在建黄土地区铁路的桥梁设计经验，论述了黄土深沟陡坡、湿陷性黄土地区桥梁设计的关键技术，提出了陡坡地区桥梁边坡的合理刷方防护措施及桩基自由桩长的计算方法，指出了陡坡桥台的设置方案。针对黄土的地质特性，明确了湿陷性黄土的摩阻力取值大小及计算深度，修正了铁路规范对湿陷性黄土沉降的计算方法。本文提出了黄土地区施工中应采取的相关工程措施，为类似黄土地区桥梁建设提供了一定的参考。但由于黄土地质特征的复杂性，还有很多值得深入研究的内容，需要在今后设计施工过程中逐步予以完善。

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Design of High Speed Railway Bridges in Loess Area

CHONG Boxiao

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600 China)

Along Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line, it is covered with loess areas, which is accompanied with big topographic relief and complicated geological conditions, so bridge design on the loess ditch slope is a big problem to this line. By analyzing the characteristics of bridge design on the loess deep groove of steep slope area, combining with the landform features of Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line, this thesis gives a deep exposition of the bridge design of the on loess ditch slope area. It is focused on the setting of bridge, the stability of brush abutment slope, the free pile length and the set of abutment, etc. According to the engineering geological characteristics of collapsible loess, respectively to self weight collapse and non-weight collapse, the value scope of negative skin friction resistance of pile foundation has been put forward, the calculation of negative skin friction and the principle of M value calculation are studied in depth, and the current foundation settlement computing method of specification of railway bridges in collapsible loess area has been corrected. This paper briefly introduces the attention and measures of pile foundation in construction. The conclusion provides reference for engineering design and construction of bridge in similar areas.

Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line; Loess ditch slope; Collapsible loess; Negative skin friction

2016-01-21

种博肖(1982-)，男，工程师。

1674—8247(2016)02—0042—04

U442.5+9

A