深厚素填土地基鐵路橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

王德華

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

深厚素填土地基鐵路橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

王德華

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

深厚素填土地基，除需要考慮土層固結(jié)沉降引起的負(fù)摩擦力外，還需要考慮其厚度、密實(shí)度不均勻性，以及濕陷性等引起的水平蠕動(dòng)對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響。以南廣鐵路跨工業(yè)大道特大橋樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為工程實(shí)例，進(jìn)行基礎(chǔ)方案比選，并進(jìn)行試樁試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在樁外側(cè)設(shè)置鋼管套，并在鋼管表面涂刷特制瀝青層，利用鉆孔泥漿套，可有效減少樁身負(fù)摩擦力，同時(shí)鋼管套的設(shè)置可有效提高樁身水平抗力，抵抗素填土的水平蠕動(dòng)產(chǎn)生的水平變形。

鐵路橋梁;基礎(chǔ)設(shè)計(jì);深厚素填土;負(fù)摩阻力;鋼管套

由于城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大及建設(shè)用地日趨緊張，越來越多的建筑物包括鐵路橋梁將建造在素填土地基上。由于素填土回填時(shí)間短，土體固結(jié)的程度低，通常素填土具有地基承載力低、壓縮性高和均勻性差等特點(diǎn)。為克服素填土的缺陷，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)通常采用地基處理或提高樁基抗力的方法。樁基穿過新沉積的欠固結(jié)土或新填土而支承在硬持力層上時(shí)，土層產(chǎn)生自重固結(jié)下降對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)摩阻力［1－3］。

以南廣鐵路跨工業(yè)大道特大橋工程為例，在最大素填土厚度24m的深厚素填土區(qū)，提出樁－土隔離法，即在樁外側(cè)設(shè)置表面涂刷特制瀝青層的鋼管套，以有效減少樁身負(fù)摩擦力，同時(shí)提高樁身水平抗力以抵抗素填土的水平蠕動(dòng)。并系統(tǒng)闡述樁身負(fù)摩擦力計(jì)算、施工措施、構(gòu)造細(xì)節(jié)、試驗(yàn)方法。

1 工程概況

南廣鐵路為客運(yùn)專線鐵路，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為250 km/h，橋上線路曲線半徑4 500m，墩身縱向剛度要求不小于400 kN/cm，橫向折角不大于1.0%。受梧州南站站位控制，線位于廣西蒼梧縣城南穿越梧州蒼梧縣工業(yè)園區(qū)東區(qū)，在園區(qū)范圍設(shè)工業(yè)大道特大橋一座，橋跨為常規(guī)32m跨簡(jiǎn)支梁及小跨度連續(xù)梁，全橋長(zhǎng)786.8m。園區(qū)原始地貌為丘陵，后經(jīng)挖填整平開發(fā)為工業(yè)園區(qū)，橋址位于原溝谷，全橋地基分布有10～24m厚度不等的素填土，填土年限為5年。工業(yè)園東區(qū)已建成并投入使用，部分工廠已投入生產(chǎn)，部分工廠正在施工建設(shè)當(dāng)中。

2 工程地質(zhì)條件

橋址范圍原為丘陵區(qū)，地表多為農(nóng)田、林地，2004年開始建設(shè)工業(yè)區(qū)平整填筑場(chǎng)地，素填土層厚3.8～24.0m。填土成分為花崗巖殘坡積土及全風(fēng)化層，以黏土、粉質(zhì)黏土為主，多夾石英顆粒，局部夾有零星建筑垃圾及強(qiáng)風(fēng)化巖塊。工業(yè)大道處填土已分層壓實(shí)，橋址區(qū)其他地段的填土未作處理。相鄰建筑物基礎(chǔ)類型為人工挖孔樁，鋁箔廠基礎(chǔ)最大樁長(zhǎng)24m?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)填土上圍墻及未處理路面均有沉陷破壞現(xiàn)象。

素填土層填筑時(shí)間不足5年，工程性質(zhì)變化較大。標(biāo)貫擊數(shù):最大值21擊，最小值5擊，平均值11擊;靜力觸探:P平均值1.23MPa，最硬層Ps值為2.77MPa，最軟層P值0.56MPa?？碧斤@示該地層無論是在鉆孔之間，還是在同一鉆孔的不同深度，其密實(shí)度均有較大變化，均勻性很差，局部強(qiáng)度較低，有自重濕陷性，故應(yīng)充分考慮素填土負(fù)摩阻的影響。

全橋地層巖性為第四系堆積層(Q4ml)素填土，全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土，第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土，燕山期晚白堊世(γ5)花崗巖。

粉質(zhì)黏土分布于素填土之下，有灰黑色、灰褐色軟塑狀粉質(zhì)黏土。根據(jù)勘探資料及場(chǎng)地環(huán)境分析，考慮到橋址區(qū)為人工挖填形成，原地貌可能為稻田地，該層土在回填之前為軟弱土層，場(chǎng)地填平后，局部已壓實(shí)固結(jié)呈硬塑狀態(tài)，但大多呈軟塑狀。該層土為不穩(wěn)定層面，樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

素填土的巖土力學(xué)參數(shù)值見表1，地質(zhì)縱斷面見圖1。

表1 素填土的巖土力學(xué)參數(shù)值一覽

圖1 地質(zhì)縱斷面(單位:cm)

3 場(chǎng)地素填土特性及工程影響分析

根據(jù)場(chǎng)地素填土范圍的歷史地貌及勘探所揭示的物理力學(xué)性能，該場(chǎng)地素填土的主要特性為素填土的欠固結(jié)及場(chǎng)地不均勻性，對(duì)工程的影響主要為欠固結(jié)素填土對(duì)樁基的負(fù)摩阻力作用，以及不均勻場(chǎng)地土體蠕動(dòng)多導(dǎo)致的水平力作用。

3.1 負(fù)摩阻力

素填土地基的填料雖然來自近處，但土的天然結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，黏性土的黏聚性完全消失或大為降低，結(jié)構(gòu)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。素填土在本身自重作用下，有效應(yīng)力相應(yīng)增加，土的密實(shí)度和強(qiáng)度隨之增大，這個(gè)過程就是素填土的再固結(jié)作用。素填土的固結(jié)除自重固結(jié)外，地下水位變化、周圍地面大面積堆載也是其影響因素。伴隨素填土的固結(jié)過程，樁周土相對(duì)樁身發(fā)生沉降，對(duì)樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

3.2 土體蠕動(dòng)

土體蠕動(dòng)一方面場(chǎng)區(qū)內(nèi)素填土層厚度變化較大、密實(shí)程度不均，素填土在固結(jié)沉降過程中，土體產(chǎn)生蠕動(dòng)，使土體顆粒分布及結(jié)構(gòu)趨于均勻;另一方面由于原地面起伏較大(素填土橫向分布見圖2)，且原地表分布黑色粉質(zhì)黏土，回填之前為軟弱土層，受固結(jié)沉降及周圍地面大面積堆載影響，會(huì)產(chǎn)生局部蠕滑面，導(dǎo)致土體蠕動(dòng)。隨著填土靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，填土逐漸壓密，蠕動(dòng)趨于結(jié)束。

圖2 素填土橫向分布示意(單位高程為m，其余為cm)

土體處于“V”字形山谷中，具有一定的對(duì)稱性，山坡兩側(cè)水平蠕動(dòng)相向而行，水平位移受到相互限制，使得素填土不能發(fā)生大的水平位移。且素填土填筑已有5年，沉降固結(jié)已部分完成，后期不會(huì)發(fā)生急劇大量下沉情況，因而整個(gè)素填土層也不會(huì)同時(shí)發(fā)生較大的水平位移。這個(gè)特性使得它對(duì)結(jié)構(gòu)的危害程度受到一定的限制。

4 橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案比選

4.1 素填土地基處理一般方法

對(duì)于較厚的素填土地基，目前較成熟的地基處理方法有強(qiáng)夯法、灌漿法、振沖法等。

強(qiáng)夯法處理地基是利用夯錘自由落下產(chǎn)生的沖擊波使地基密實(shí)，采用8 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯的有效加固深度為10.0～11.5m［4－5］，采用12 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯的有效加固深度為 12m［6］。

灌漿法的實(shí)質(zhì)是用氣壓、液壓或電化學(xué)原理，把某些能固化的漿液注入天然或人為的裂隙或空隙，以改善各種介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)［4］。采用注入水泥漿，可處理地基深度達(dá) 30m［7］。

利用振動(dòng)和水沖加固的方法叫作振沖法［4］，振沖法加固處理地基深度可達(dá)30m［8］。

4.2 提高樁基抗力法

單純加大樁徑可有效提高單樁豎向和水平承載能力，克服負(fù)摩擦力和素填土水平蠕變等影響。

4.3 樁－土隔離法

采用在樁外側(cè)設(shè)置表面涂刷特制瀝青層的鋼套筒，以降低負(fù)摩擦力，同時(shí)鋼套筒與混凝土樁身共同受力，提高了樁身抵抗地基水平蠕變能力。

4.4 設(shè)計(jì)方案比選(表2)

深厚素填土橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需充分考慮:墩臺(tái)水平剛度限值要求和工后沉降限制要求、素填土沉降固結(jié)產(chǎn)生的負(fù)摩擦力影響、克服素填土固結(jié)過程中不均勻沉降以及附加水平蠕變等不利影響。

(1)強(qiáng)夯法、灌漿法、振沖法對(duì)周圍環(huán)境建筑物影響大，且加固范圍受場(chǎng)地范圍限制，要達(dá)到24m以上的加固深度具有較大的困難。

(2)單純加大樁徑的辦法經(jīng)濟(jì)性差，當(dāng)素填土厚度大于20m時(shí)，樁身承載力主要消耗在克服自身所受的負(fù)阻上，且素填土區(qū)樁基施工易造成坍孔等不利情況發(fā)生，難以控制成樁質(zhì)量。

(3)鉆孔樁外設(shè)鋼套筒，鋼套筒外側(cè)設(shè)置特制瀝青層和泥漿護(hù)套，以降低負(fù)摩擦力，即樁－土隔離，同時(shí)鋼套筒與混凝土樁身共同受力，提高了樁身抵抗地基水平蠕變能力，并利于鉆孔樁基成孔。

經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，選用樁外側(cè)設(shè)置表面涂刷特制瀝青層的鋼筒管方案。

表2 各類基礎(chǔ)方案比較

5 減小負(fù)摩擦力措施研究

樁側(cè)負(fù)摩阻主要取決于樁體材料、樁基類型、土的特性、土－樁的相對(duì)位移量及速度，最有效的方法采用瀝青涂層，也有采用聚乙烯塑料外護(hù)層的方法［9］。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，采用混凝土或鋼材，外涂瀝青材料能減少85%～97%的摩擦［10］?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，外涂瀝青的鋼管樁，負(fù)摩阻能減少至14%［9］。

目前國(guó)內(nèi)尚未有采用瀝青涂層樁的報(bào)道，考慮材料組份、制作工藝等因素與國(guó)外的差異性，設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用瀝青涂層后，負(fù)摩阻減小至30%，并選取3根工程樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)消除負(fù)摩阻效果。

6 樁基礎(chǔ)基本構(gòu)造

設(shè)計(jì)采用變樁徑，素填土部分樁徑比下部樁徑大20 cm，下部樁徑分別為1.25m和1.5m，素填土部分鋼套筒樁徑分別為1.45m和1.7m。為了有效克服素填土水平蠕變影響，鋼套筒下端應(yīng)伸入素填土以下不小于2.0m，上端沿護(hù)筒外側(cè)四周等間距焊接30根和40根HRB335鋼筋伸入承臺(tái)內(nèi)。鋼護(hù)筒切割時(shí)，預(yù)留伸入承臺(tái)內(nèi)15 cm。

7 外涂瀝青涂層的構(gòu)造細(xì)節(jié)及施工措施

任何樁身涂料的有效性都取決于施工過程中的損傷程度及現(xiàn)場(chǎng)效果測(cè)試，并考慮涂料的耐久性。

7.1 瀝青涂層厚度及性能要求

在挪威，鋼管樁的瀝青涂層最小要求為1 cm。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，5mm厚的瀝青涂層較2～3mm的瀝青涂層的消除摩擦效果較好?？紤]到降低涂樁的難度及施工過程中的損傷及老化，瀝青涂層厚度要求為6～10mm。

為保證涂層溫度穩(wěn)定性及粘滯性，改性瀝青軟化點(diǎn)為60℃;針入度為75mm。

7.2 施工措施

為減少施工過程中對(duì)鋼套筒外側(cè)瀝青涂層的損傷，需采用下列施工措施。

(1)鋼護(hù)筒在打入之前先在樁位處利用沖擊鉆鉆一等直徑的孔。鉆孔樁施工必須采用沖擊鉆，這樣既可以擠密樁周土，提高樁周土的密實(shí)性，同時(shí)可以保證樁孔垂直度，有利于鋼套筒的安裝。

(2)由于鉆孔樁護(hù)壁泥漿的作用，既可有利于護(hù)筒的下沉，也可以有效保證鋼護(hù)筒打入過程中其外壁的瀝青涂層不被破壞，并有利于成樁后，進(jìn)一步減少樁側(cè)負(fù)摩阻力。

(3)為防止瀝青涂層在鋼護(hù)筒下沉?xí)r被破壞，可將鋼護(hù)筒底部做稍大些，一般可在鋼套筒底部外側(cè)焊接1～2mm厚鋼板。

(4)施工中應(yīng)按配方預(yù)先生產(chǎn)少量瀝青，按上述施工措施進(jìn)行試打鋼護(hù)筒，根據(jù)試打鋼護(hù)筒情況決定是否調(diào)整施工工藝或施工措施。

8 樁基負(fù)摩阻的設(shè)計(jì)取值

中性點(diǎn)的位置、負(fù)摩擦力取值方法是樁基負(fù)摩擦力計(jì)算的2個(gè)重要方面。

8.1 中性點(diǎn)的位置

中性點(diǎn)是指樁的下沉量和地基沉降量相等的點(diǎn)，亦即負(fù)摩擦和正摩擦的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，與樁身最大軸力點(diǎn)一致。一般幾乎不下沉的端承樁的中性點(diǎn)深，摩擦樁中性點(diǎn)淺［11］。一般研究得出中性點(diǎn)位置大致在0.65～0.75倍樁長(zhǎng)間［12］。該橋樁基全按摩擦樁設(shè)計(jì)，持力層為全風(fēng)化及強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖及細(xì)砂巖，持力層上為原狀3～9m厚的粉質(zhì)黏土(σ0=120 kPa)及素填土，考慮風(fēng)化花崗巖的低壓縮性及摩擦樁的下沉，設(shè)計(jì)時(shí)可保守地把中性點(diǎn)定義在風(fēng)化層的表面上。

8.2 負(fù)摩阻力的取值

確定樁側(cè)摩阻力fN的方法有:靜力觸探法、鉆孔取土定值法、不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)法、有效應(yīng)力法、標(biāo)準(zhǔn)慣入試驗(yàn)法。

標(biāo)準(zhǔn)慣入試驗(yàn)法(不考慮瀝青涂層):fNi=3+N/5，其中N為標(biāo)貫擊數(shù)，即N63.5。

9 樁基負(fù)摩阻的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

9.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

為確定試樁的單樁承載力并驗(yàn)證設(shè)計(jì)，確定樁在自由狀態(tài)下試樁的水平承載力、樁側(cè)素填土地基系數(shù)的比例系數(shù)m值，測(cè)試樁穿越各土層的實(shí)際摩阻力，驗(yàn)證消除負(fù)摩阻的工程措施效果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行工藝性總結(jié)，為剩余的工程樁提供參考。在全橋樁基施工前，選取3根φ1.25m、3根φ1.5m樁基進(jìn)行試驗(yàn)，分別為20號(hào)橋墩的1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)樁基，11號(hào)橋墩的1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)樁基。

采用自平衡法試樁［13］，試驗(yàn)樁參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

9.2 試驗(yàn)成果及分析

設(shè)計(jì)時(shí)，分別按靜力觸探法、有效應(yīng)力法、標(biāo)準(zhǔn)慣入試驗(yàn)法進(jìn)行負(fù)摩阻力計(jì)算，并采用較大值。取值大小與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比見表3。

圖3 樁身軸力和樁周摩阻力分布

表3 負(fù)摩阻力計(jì)算值與采取消除負(fù)摩阻措施后的實(shí)驗(yàn)值比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過樁孔樁外設(shè)置鋼套筒，并在鋼套筒外涂制特制瀝青和泥漿，可以有效降低樁身負(fù)摩擦力。設(shè)計(jì)預(yù)估樁身平均負(fù)摩擦力系數(shù)為15 kPa，實(shí)際試驗(yàn)實(shí)測(cè)負(fù)摩擦力系數(shù)值為2.1～10.9 kPa，平均為6.7 kPa，比設(shè)計(jì)預(yù)估值小?？紤]到泥漿隨時(shí)間變化干縮后鋼套筒與土層黏結(jié)力會(huì)有一定的增大，適當(dāng)提高負(fù)摩擦系數(shù)是符合實(shí)際的。

單樁水平荷載試驗(yàn)表明，20號(hào)墩樁側(cè)土水平抗力系數(shù)m值為13 000～19 000 kN/m4，11號(hào)墩樁側(cè)土水平抗力系數(shù)m值為64 000～71 000 kN/m4，設(shè)計(jì)采用m值為6 000 kN/m4，實(shí)測(cè)m值較設(shè)計(jì)采用m值大?？紤]到素填土仍處于沉降固結(jié)過程中，地表水下滲會(huì)引起填土局部濕陷軟化等因素，樁身水平剛度適當(dāng)富余是合適的。

單樁水平荷載試驗(yàn)表明，20號(hào)墩樁水平承載力特征值600 kN，11號(hào)墩樁水平承載力特征值1 800 kN，滿足抵抗素填土沉降過程中水平蠕動(dòng)的要求。單樁最大水平位移10mm;試驗(yàn)荷載下單樁沉降實(shí)測(cè)值摩擦樁為8～35mm，柱樁為1～14mm。由于豎向試驗(yàn)荷載比使用狀態(tài)下荷載大，按試驗(yàn)荷載推算橋墩工后沉降值均小于10mm。

10 結(jié)語

深厚素填土地基，除需要考慮土層固結(jié)沉降引起的負(fù)摩擦力外，還需要考慮其厚度、密實(shí)度不均勻性，以及局部濕陷等引起的水平蠕動(dòng)對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響。一味通過加大樁徑，增加樁數(shù)來克服負(fù)摩擦力的不利影響既不經(jīng)濟(jì)，也不現(xiàn)實(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在樁外側(cè)設(shè)置鋼管套，并在鋼管表面涂刷特制瀝青層，利用鉆孔泥漿套，可有效減少樁身負(fù)摩擦力，同時(shí)鋼管套的設(shè)置可有效提高樁身水平抗力，抵抗素填土的水平蠕動(dòng)產(chǎn)生的水平變形。

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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

王德華(1965—)，男，高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院橋梁工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:wangdh111222@163．com。