时速200 km铁路桥梁桩基在高烈度地震软土地区设计及沉降控制的基本特点

李聪林

(中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司,昆明 650200)

1 概述

铁路是国民经济的大动脉,一旦中断行车,政治、经济和国防都将受到重大的损失和影响,特别是目前大规模建设的高速及准高速铁路,一旦桥梁基础出现问题,后果将会非常严重。因此,在地震区修建大型铁路建筑物,必须重点考虑地震的影响。软土由于其地质力学特征较差,铁路以桥梁方式通过软土地区时,一般都使用桩基础。而位于高地震烈度的软土地区,地震将使土的抗剪能力大幅度降低,从而会出现诸如承载力下降、地面塌陷、地震液化等不良地质现象,在进行桩基设计时,除按常规设计以外,还需考虑桩周负摩阻力和地震液化等的影响,特别是群桩的沉降控制,以确保桩基础的安全可靠。

2 高烈度地震软土地区的地质特性

软土一般是指天然含水量大,有机质含量多,压缩性高,孔隙比大,渗透性差,承载能力低的一种软塑到流塑状态的黏性土。如淤泥、淤泥质土、泥炭以及其他高压缩性饱和黏性土。它是在静水或缓慢水流环境下,经生物化学作用形成的以细粒土为主的近代沉积物。

地震液化是指饱和松散的砂土或低塑性黏性土在地震过程的短暂作用下,呈流动状态,几乎丧失抗剪强度和承载能力的现象。

地震液化的机理是由于松散的砂土和低塑性黏性土,受到振动时有变得更紧密的趋势,但是饱和砂土的孔隙是全部为水充填的,这种趋于紧密的作用,将导致孔隙水压力的骤然上升,而在地震过程短暂时间内骤然上升的孔隙水压力来不及消散,就使原来有砂土粒通过其接触点所传递的压力减小,当有效压力完全消失时,砂土层完全丧失抗剪强度和承载能力,变成像液体一样的状态。

我国《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)规定,当设计烈度为7度,地面下15 m以内；当设计烈度为8度和9度,地面下20 m内,有饱和砂层时(包括粉砂、细砂、中砂和黏砂土),桥梁桩基设计时,要判定其是否液化。

3 高烈度地震软土地区时速200 km铁路桥梁桩基设计

地震时,桩身产生的位移较非地震时要大得多；另外,桩身受到反复荷载的作用,地震时桩侧土的地基系数也较非地震时降低,对于较差的地基,设计时桩侧土的地基系数较非地震时降低20%～40%；对于较好的地基,设计时桩侧土的地基系数较非地震时降低10%～20%,而时速200 km及以上铁路对基础的沉降控制有较高的要求。

在高烈度地震软土地区,由于软土地基大部分属于饱和性黏土,因此,一般将软土地层作为液化土层进行考虑。在铁路桥梁桩基础实际设计过程中,除了按照地震区一般桩基的设计要求考虑外,还要考虑桩周可能出现的负摩阻力和地震液化的影响,以便合理地确定承台尺寸,桩径、桩间距的大小和桩长。

3.1 桩周负摩擦力

负摩擦力是指桩侧面上摩阻力出现负值,此时,摩擦力的方向是向下的。负摩阻力不仅不能起到支承作用,反而变成施加在桩上的轴向荷载,桩上轴向力随深度增加而增大。在工程实践中,要在设计阶段即考虑可能出现的负摩擦力以保证基础的稳定性,在施工阶段要采取必要的措施避免出现负摩擦力,使用阶段出现的负摩擦力也要及时防治。

在桩侧面引起负摩擦力的条件是桩周围的地面沉降大于桩的沉降。如图1所示,若地面沉降为S,地基内的竖向位移曲线如图中虚线所示。桩端沉降为S1,桩身弹性压缩量为S2(假设沿桩身按比例变化)。则桩的沉降曲线与地基沉降曲线交点N即为中性点,因此,当地面沉降S为一定值时,则当桩底端沉降S1及桩身弹性压缩量S2减小时,中性点就下移,作用在桩上的负摩擦力就增大；反之,当S1及S2增加时,中性点就上移,作用在桩上负摩擦力就减小。

图1 沉降示意

3.2 软土层中桩基础的设计

由于地震或地面竖向荷载可能导致桩侧软土层地下水位下降引起土层固结下沉,使桩侧软土层相对桩身产生相对下沉,对桩身作用向下的负摩擦力,从而增大桩基础中的桩所承受的轴向荷载。

在软土地区,当桩底持力层为非坚硬土时,负摩擦力不发生于桩侧整个软土层内,而是桩的上部为负摩擦力,下部为正摩擦力。试验及研究表明,中性点的深度(自地面算起)h1≈0.77h3～1.0h3(h3为桩侧软土层的厚度),当桩底持力层比较差时,可取h1≈0.8h3；当桩底持力层为砂土层时,可取h1≈0.9h3；当桩底持力层为坚硬土层时,可取h1≈1.0h3。

对于桩侧软弱黏土层,可取0.5qu作为负摩擦力强度f的最大值(qu为该土层的无侧限抗压强度)。位于软弱黏土层之上或位于软弱黏土层之间的其他薄土层(如细砂层等),由于软弱黏土层下沉,也将对桩产生向下的负摩擦力,其强度最大值可按f=rhKntanφ计算,式中：r为桩侧土的容重,h为计算处的深度,Kn为静止土压力系数(一般采用Kn=0.5),φ为计算深处土的内摩擦角。

在按上式计算时,假定负摩擦力的最大值发生于桩侧正摩擦力和桩底支承力均达到极限值。设计时,单桩应满足下列要求

式中，P1为作用于桩顶的设计荷载,P2为桩底的极限承载力,P3为桩侧极限正摩擦力,P4为桩侧最大负摩擦力,P5为桩身自重,P6为桩所占同体积的土重,K采取等于求算桩身正摩擦力容许值的安全系数(一般K=2)。计算时,P4/K不得大于该单桩所分配承受的桩周下沉土柱重。

3.3 土层液化时桩基础的设计

桩基设计时,当判定桩周土可能液化时,桩周土层的各种特征值(如黏聚力C和内摩擦角φ等)以及土的竖向承载力(包括桩侧摩阻力)和土的水平抗力的地基系数等于根据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)中所列的液化土力学指标折减系数ψ1乘以非液化时土的各种特征值以及土的承载力(包括桩侧摩阻力)和地基系数。液化土力学指标的折减系数见表1。

表1 液化土力学指标的折减系数

在铁路桥梁桩基础设计中,对于液化土层,从安全角度考虑,有时将在液化层深度范围内的桩作为“空桩”考虑,既不考虑桩侧土对桩的作用,桩的计算按照高承台群桩进行设计。

4 铁路桥梁桩基沉降控制

时速200 km及以上铁路对线路沉降的控制非常严格,在软土地区,铁路桥梁的桩基础除了要考虑承载力的要求,还要考虑桩基础的沉降是否满足规范要求,尤其是桩基全部位于软土地层中,设计时更要注意。

在铁路桥梁实际工程中,墩台的桩基础通常由群桩组成。由摩擦桩和承台组成的群桩,在竖向荷载作用下,其沉降的变形性状是桩、承台、地基土之间相互影响的综合结果。群桩沉降与孤立的单桩明显不同,群桩沉降性状涉及到群桩几何尺寸(如桩间距、桩长、桩数、桩基础宽度与桩长的比值等)、成桩工艺、桩基施工与流程、土的类别与性质、荷载的大小、持续时间及承台的设置方式等因素。在实际设计过程中,主要考虑的是桩端以下地基土压缩变形对群桩沉降的影响。

由于活载作用下的沉降变形是瞬间的、弹性的,一般可以恢复,所以《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》规定：桥涵墩台基础的沉降仅按恒载计算,对于外部静定结构,其墩台总沉降量与墩台施工完成时的沉降量之差不得大于下列容许值：

对于有砟桥面桥梁：墩台均匀沉降量50 mm；相邻墩台均匀沉降量之差20 mm。

桩基础由于其底面以下受压土层zn压缩产生的总沉降量S按下式计算，计算图式如图2所示。

式中,ms为沉降经验修正系数,软土地基取1.3；zi、zi-1分别为基础底面至第i层底面和第i-1层底面的距离；Ci、Ci-1分别为基础底面至第i层底面和第i-1层底面范围内平均附加应力系数；σz(0)为基础底面处的附加压应力。

图2 桩基总沉降量计算图式

由于软土地基大部分属于饱和性黏土,为了减少桩间土的影响和干扰,保持土的天然结构不受破坏,尽量减小桩基沉降量,在设计时,宜采用较大的桩间距,同时,优先考虑小桩径,多桩数的方案。桩间距过小,不但会使地基土遭到破坏,还会给施工带来困难。试验表明,桩周表面摩擦力随软土固结而提高,桩间距为3.5倍桩径的桩周表面摩擦力要比桩间距为3倍桩径的桩周表面摩擦力提高20%。

5 算例

5.1 算例一

一座孔跨为33×32 m的特大桥,采用混凝土矩形桥墩,地震设计烈度为8度(地震动峰值加速度为0.2g,地震动反应谱特征周期为0.4 s),地基土为Ⅲ类场地土。现以该桥号26号桥墩的桩基础设计来说明地震区和非地震区桩基设计的不同。

该墩地面以下土层依次为人工填筑土、粉质黏土、软土、粉质黏土、粉细砂和粉质黏土。桩基采用5根φ1.25 m的钻孔灌注摩擦桩,桩身采用C20钢筋混凝土。如图3所示。

图3 桩基布置(单位：cm)

(1)按不考虑地震力和砂土液化影响来设计

桩底土极限抗压强度R=1 500 kPa,桩底土基本承载力σ0=150 kPa,桩底土竖向地基系数C0=225 000 kN/m3。

各土层地质力学指标见表2。

桩顶荷载组合见表3。

表2 各土层地质力学指标

表3 桩顶荷载组合

采用“地基系数法(m法)”进行计算后可得：当桩长为25 m时候,单桩承载力即可满足要求,单桩承载力P=2 948.2 kN<[P]=2 984.5 kN。此时,桩群作为整体基础,桩底平面处的最大压应力σd max=580.16 kPa,小于修正后桩底平面处的容许承载力[σ]=1 447.99 kPa。

(2)按考虑地震力和砂土液化影响来设计

根据地质提供资料显示,该墩地面下20 m内地层须考虑砂土液化,按规范对20 m内的各土层进行液化土层力学指标折减。折减系数采用0.66计。同时,桩顶荷载按地震荷载进行组合。

桩底土极限抗压强度R=1 500 kPa,桩底土基本承载力σ0=150 kPa,桩底土竖向地基系数C0=225 000 kN/m3。各土层地质力学指标见表4,桩顶荷载组合见表5。

图4 马家塘双线特大桥布置示意(单位：cm)

表4 各土层地质力学指标

表5 桩顶荷载组合

采用“地基系数法( m法)”进行计算后可得：当桩长为36 m时候,单桩承载力可满足要求,单桩承载力P=3 489.0 kN<[P]=3 599.8 kN。此时,桩群作为整体基础,桩底平面处的最大压应力σd max=787.9 kPa,小于修正后桩底平面处的容许承载力[σ]=2 050.4 kPa。

从上述算例可看出,在软土地震区如果没有考虑到地震力和砂土液化的影响,进行桩基设计时会导致单桩承载力偏小,桩长不够,对工程的危害是十分巨大的。

5.2 算例二

昆明东南环铁路线,铁路全长51 km,为新建双线I级铁路,旅客列车设计最高速度为200 km/h。铁路线路基本行走于昆明滇池旁边的坝子中,分布有较厚软土层,其中部分地带还存在砂土液化段。在DK46+636处设有一座孔跨为41×32 m+(40+64+40) m+7×32 m+2×24+9×32 m的马家塘双线特大桥(图4),采用混凝土圆端形桥墩,地震设计烈度为8度(地震动峰值加速度为0.2g,地震动反应谱特征周期为0.4 s),地基土为Ⅲ类场地土。现以该桥43号、44号桥墩的桩基础设计来说明高烈度地震软土地区桩基础沉降计算的特点。

(1)桥墩基本资料

43号连续梁主墩墩高20 m(双线圆端形实心墩)；承台尺寸：长边15.5 m,短边12.2 m；桩长62 m；桩数20根φ1.5 m；44号连续梁边墩墩高22.5 m(双线圆端形实心墩)；承台尺寸：长边14.3 m,短边9.7 m；桩长59 m；桩数12根φ1.5 m。

(2)计算

基础沉降采用群桩摩擦桩沉降计算程序,根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》 (TB10002.5—2005)计算。土层资料见表6,土层高压缩指标参数见表7～表9。

表6 马家塘双线特大桥土层物理力学参数

表7 <4-15>松软土(黏土)高压缩试验(垂直)土层指标推荐值

表8 <4-16>黏土高压缩试验(垂直)土层指标推荐值

表9 <4-20>泥炭质土高压缩试验(垂直)土层指标推荐值

负摩擦深度的采用：43～44号墩处表层土为4-18淤泥、4-15松软土,考虑堆土以及其他因素产生的负摩阻力。计算原则：表层当某一深度下的土层沉降之和小于桩基沉降时,此深度应为负摩擦深度。表层按堆土3.0 m计算,推出负摩擦深度为5.0 m。

(3)计算结果(表10)

表10 43号墩桩基础沉降计算结果

计算结果汇总如下：承台自重12 291.5 kN；群桩自重40 202.6 kN；扩散模式按桩长扩散；桩底有效扩散面积350.5 m2；桩底附加压应力478.1 kPa；压缩模量当量Es=23 999 kPa；沉降经验修正系数为0.2；群桩平均沉降量0.005 2 m；地基压缩变形0.052 1 m；总沉降量0.047 3 m；施工阶段沉降0.021 2 m。

(4)结论及分析

43号墩总沉降量S=47.3 mm；44号墩总沉降量S=37.0 mm(计算未列)。该段桩底土层根据地质提供指标其压缩模量Esv0.1-0.2为4～5.5 MPa,查《桥梁地基和基础》得知该土层为中压缩性饱和性黏土,该类土层桥梁施工期间基础所完成的沉降量为总沉降量的20%～40%。为偏安全考虑,计算工后沉降按总沉降的80%计算,各墩工后沉降计算如下：

43号墩工后沉降量S=47.3×80%=37.84 mm；44号墩工后沉降量S=37.0×80%=29.6 mm；各墩工后沉降量均小于50 mm,相邻墩台沉降量之差小于20 mm,均满足规范要求。

6 结论

高烈度地震软土地区由于地层地质力学条件差,在高速铁路选择线路走向时应尽量绕行避开,以降低路基和桥涵的防护处理工程,减少安全隐患。当铁路必须通过高烈度地震软土地区时,对于桥梁工程的桩基设计一定要结合地质资料,认真分析各种可能出现的不利情况,包括：砂土液化、负摩擦力、不均匀沉降等,充分考虑各种不利因素,采取合理的计算模式,通过单桩承载力、单桩及群桩沉降计算控制,确保桥梁设计的安全可行。

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