晉西北濕陷性黃土區(qū)鐵路橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

鄭旺

摘 要：濕陷性黃土在一定壓力受到水浸時(shí)，自身土體結(jié)構(gòu)遭遇嚴(yán)重?fù)p壞，從而產(chǎn)生顯著的下沉問題，基于這一情況地貌也容易出現(xiàn)縱橫的溝壑。在平縱橫布置橋梁過程中，這一情況直接影響了設(shè)計(jì)橋梁樁基的難易程度，從而威脅項(xiàng)目的安全性。本文通過分析晉西北濕陷性黃土區(qū)鐵路橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，得到確保項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的最佳設(shè)計(jì)方案，為今后類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：晉西北；濕陷性黃土區(qū)；橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

引言：

晉西北大部分地區(qū)都被黃土覆蓋，相應(yīng)比例已經(jīng)達(dá)到90%，濕陷性黃土在低溫環(huán)境中表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性，遇水則會明顯降低，并發(fā)生較大的變化。因此在這一地區(qū)上的建筑項(xiàng)目容易發(fā)生沉陷等事故，對該地區(qū)鐵路橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究具有一定的實(shí)際意義。

一、晉西北濕陷性黃土特點(diǎn)

（一）濕陷性

具體是指結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的欠壓密土，水浸入黃土以后由于外部荷載或者是自重的影響出現(xiàn)下沉即為濕陷。這個(gè)現(xiàn)場屬于一個(gè)相對復(fù)雜的物理化學(xué)過程，較為公認(rèn)的機(jī)理是水浸黃土之后，膠結(jié)物質(zhì)表現(xiàn)出一系列反應(yīng)，降低了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其中黃土內(nèi)部形成的孔隙直徑比附近顆粒直徑大產(chǎn)生的架空結(jié)構(gòu)就是濕陷條件，密切聯(lián)系著孔隙比、含水率等因素。加之大量存在的天然孔隙，也會相應(yīng)提升含水率，發(fā)生更加明顯的濕陷性。

（二）判定標(biāo)準(zhǔn)

利用室內(nèi)壓縮法對濕陷系數(shù)有效檢測，從而對這一特點(diǎn)客觀評價(jià)。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)系數(shù)≥0.015時(shí)，即可判斷其屬于濕陷性黃土，反之則不屬于。對濕陷量和自重濕陷量科學(xué)計(jì)算，可以得到相應(yīng)類型，分別是輕微、中級、嚴(yán)重與很嚴(yán)重。

（三）濕陷性對樁基帶來的影響

可以根據(jù)重要程度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及水浸濕以后造成的危害情況分析濕陷性黃土對橋梁樁基造成的影響。結(jié)果說明，當(dāng)對其地基處置以后，結(jié)束操作后依然出現(xiàn)一定程度的不均勻沉降。若在整體設(shè)計(jì)中忽略甚至未全面思考這一地區(qū)特點(diǎn)，必將損壞樁端地基，使樁身缺乏穩(wěn)定性，影響建筑物今后的正常應(yīng)用[1]。

二、黃土濕陷與負(fù)摩阻力

（一）濕陷性黃土項(xiàng)目特點(diǎn)

1.敏感性

在濕度較低區(qū)域黃土濕陷表現(xiàn)出顯著的強(qiáng)度，同時(shí)壓縮性偏低。若與水結(jié)合則會出現(xiàn)明顯的變形，相應(yīng)降低強(qiáng)度。目前，主要是從濕陷發(fā)生原理、影響因素和選擇指標(biāo)等進(jìn)行研究，并提供合理的評估方式，結(jié)合不同的評估指數(shù)，采取相應(yīng)的施工手段。近些年來深入分析了敏感特點(diǎn)，從單一的增濕變化到間歇性的變形強(qiáng)度；基于各個(gè)方面的特點(diǎn)，更加精準(zhǔn)地分析了這一特點(diǎn)。通過這部分研究，可以更加全面掌握項(xiàng)目建設(shè)中濕陷性黃土的特點(diǎn)[2]。因此，通過全面研究各類指標(biāo)以后，總結(jié)出其集中表現(xiàn)為敏感性特點(diǎn)，并簡單分析這一土地的整體特點(diǎn)。

2.沉降性

實(shí)際操作中，由于豎向?qū)螛对斐傻呢?fù)荷，樁體表現(xiàn)出的壓縮變形也十分顯著。而樁底部產(chǎn)生的土質(zhì)由于施加較強(qiáng)應(yīng)力而改變，對應(yīng)土地也會產(chǎn)生變化，這些變化出現(xiàn)極強(qiáng)的沉降特點(diǎn)。這樣的沉降現(xiàn)象，主要取決于樁身長度、相對的壓縮特點(diǎn)、負(fù)荷形成時(shí)間等。

（二）計(jì)算負(fù)摩阻力

由于鐵路橋梁建筑物對沉降要求較高，在晉西北濕陷性黃土地區(qū)設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)，關(guān)鍵是直接穿過濕陷性土層向非濕陷性土層擴(kuò)展。在黃土與軟土地基之間形成了樁基礎(chǔ)，若出現(xiàn)土壤濕陷或者是固結(jié)問題，地基必將對樁身產(chǎn)生下沉影響，這也是對樁身有效下拉的力量，此時(shí)需要對樁側(cè)土形成的負(fù)摩阻力整體分析[3]。怎樣對這一數(shù)值有效明確，需要十分復(fù)雜的分析，初步利用相關(guān)公式或現(xiàn)場試驗(yàn)開展計(jì)算。結(jié)合軟弱黏土層中樁軸負(fù)摩擦力進(jìn)行計(jì)算：

其中，f代表阻力強(qiáng)度，qu代表該土層的抗壓強(qiáng)度，Kn代表壓力系數(shù)，Υ代表平均摩擦力，h代表壓縮層厚度，φ代表內(nèi)摩擦角度。

三、實(shí)際設(shè)計(jì)分析

晉西北地區(qū)的鐵路橋梁項(xiàng)目由于需要貫穿黃土區(qū)域，出現(xiàn)很多濕陷黃土類型。為了保證統(tǒng)一性設(shè)計(jì)，整理所在區(qū)域的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，需要全面考慮黃土不同類型的參考數(shù)值。結(jié)合項(xiàng)目所在地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合有關(guān)參數(shù)，根據(jù)鐵路實(shí)際運(yùn)營情況，可以有效控制橋梁樁基礎(chǔ)沉降，保證獲得安全的結(jié)構(gòu)。

由于橋墩受力相對單一，水平方向壓力不大，樁身配筋與樁長不會影響到設(shè)計(jì)方案。以橋臺作為分析對象，對比兩種自由樁長確定方案的計(jì)算結(jié)果。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)6根樁，采取1.25m樁徑[4]。根據(jù)行列安排樁基，其中縱橫向樁距為3.5m。承臺橫縱向分別是9.3m和5.8m，厚2.5m。

方案一：黃土層中的自由樁選擇最外側(cè)到達(dá)邊坡穩(wěn)定線超過6m的水平距離。明確自由樁長度是3.39m，樁身長度是39m，配筋面積111.54cm2。

方案二：根據(jù)計(jì)算彈性附著力標(biāo)準(zhǔn)做出以下設(shè)計(jì)：將起點(diǎn)設(shè)計(jì)在坡腳，繪制邊坡穩(wěn)定線，將承臺底線和前排樁之間的交叉點(diǎn)作為嵌固樁基點(diǎn)，經(jīng)過這一點(diǎn)產(chǎn)生的水平線即是固著樁基礎(chǔ)的線。密切圍繞嵌固點(diǎn)將水平線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，之后相交邊坡穩(wěn)定線于一點(diǎn)，經(jīng)過這一點(diǎn)繪制平行于承臺底端的線。結(jié)合計(jì)算公式，對自由樁長度明確即4.26m，樁身長度是40m，鋼筋面135.98cm2。

通過本次設(shè)計(jì)了解到，針對相同類型的土質(zhì)，在保證邊坡線穩(wěn)定的情況下，方案一是結(jié)合運(yùn)營多年積累的經(jīng)驗(yàn)確定的自由樁長度。方案二確定承臺底部至水平線距離為自由樁長度。

結(jié)合多次設(shè)計(jì)可知，兩種不同方案的自由樁長都出現(xiàn)過較大問題。由于這項(xiàng)工程規(guī)模較大，通常設(shè)計(jì)時(shí)考慮采取一種方案明確自由樁長，采取另一種方案對其進(jìn)行檢驗(yàn)，一定程度保證了樁長與配筋。

在情況相對特殊時(shí)，結(jié)合以上分析對自由樁長度計(jì)算明確以后，配筋和樁頂位移相對較大不能順利通過時(shí)，可以把重力擋土墻設(shè)計(jì)在臺前，進(jìn)一步提高土地的可靠性。并且從擋墻頂部計(jì)算邊坡線，有效縮短自由樁長度，這樣的解決方式的有效率較高。

四、結(jié)束語

濕陷性黃土層容易損壞樁端地基，引起樁身穩(wěn)定性不足問題，也容易造成橋墩的不均勻沉降現(xiàn)象，一定程度威脅了使用的安全性。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要科學(xué)布置平、立面，進(jìn)一步確保橋梁項(xiàng)目的安全性。此外，還要對參數(shù)有效規(guī)范，最大程度提升經(jīng)濟(jì)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮忠居，馮瑞玲，趙占廠.黃土濕陷性對橋梁樁基承載力的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2015（9）：23-24.

[2]白琦成.鄭西線濕陷性黃土地區(qū)橋梁基樁負(fù)摩阻力計(jì)算探討[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2015（3）：89-90.

[3]代云山.淺析山區(qū)鐵路橋梁墩臺開挖邊坡支擋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科學(xué)之友，2016（2）：12.

[4]方根男.樁基設(shè)計(jì)中樁側(cè)土的負(fù)摩阻力問題[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016（3）：112.