黄土陡坡桥梁桩基础设计

徐健强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

大同至西安客运专线沿线多为黄土地区且地形起伏较大。黄土地区沟壑纵横、坡陡沟深,基岩一般埋藏较深,基础大多采用桩基础。此类地区修建铁路相比一般平原区、微丘区不稳定因素增多, 加上大部分表层新黄土具湿陷性,对铁路桥涵控制性因素增多。陡坡上的桥梁墩台基础受力有别于平原区,相邻墩台处地面高差较大；承台下桩身侧面由于受相邻墩台的刷坡影响(图1),桩侧土体已不能提供足够的土抗力及有效的摩阻力。基础设计时除要考虑桩的承载能力外,还要同时顾及陡坎边坡的稳定,需考虑一定长度的自由桩长并采取一定的防护措施保证桥梁结构的安全。结合大西客专施工图设计对黄土陡坎桥梁基础设计原则及注意事项进行分析。

图1 陡坡地段桥梁基础布置

2 自由桩长取值

我国现行的铁路桥梁设计规范,对桩顶承受侧向外力(横向力和力矩)的等截面桩,采取桩侧土的地基系数沿深度成直线增长的规律,以此考虑土对桩的土抗力。在进行桩身变位(侧移和转角)、桩身内力(弯矩和剪力)和桩侧土的应力分析时,假定土体为弹性变形介质,具有沿深度成正比增长的地基系数；计算中不考虑桩与土之间的黏着力和摩擦力。

桩基础在外力作用时,桩身发生侧移或旋转(图2),桩的一侧土产生主动土压力,另一侧产生被动土压力,当桩对侧面土产生的水平压应力大于对桩的被动土压力与主动土压力之差时(不计土与桩壁之间摩阻力的影响)认为土体将发生剪切破坏。

根据上述分析,确定对墩台自由桩长的取值原则。

图2 桩基础计算分析

2.1 桥墩桩基础自由桩长取值(图3)

自坡体坡脚点O处作一水平线和一与该水平线构成夹角为φ(φ应为由地质情况决定的基坑边坡开挖稳定角度,即OC线以上土体是不稳定的)的斜线OC。桩基础发生横向位移变形时桩身对土体产生压应力,当应力超过土体的抗剪强度时,坡底线(OA)以上土体发生剪切破坏,破裂面(BC)以上的坡 面将发生滑动造成CD线以上范围的桩侧土坍塌,从而导致AB面以上桩侧土不能提供桩身足够的土抗力,即承台底至CD面的距离L0按自由桩长考虑。

图3 桥墩桩基础自由桩长取值

黏性土的抗剪强度包括摩擦强度和黏聚强度2个部分。由于黏聚力的存在,黏性土不会像无黏性土坡一样沿坡面滑动,危险的滑动面必定深入土体内部。对于均匀黏性土坡,危险的滑动面一般通过坡脚,即当稳定边坡点C处发生剪切破坏时,CD面以上土体将沿一个通过C点的破裂面发生滑坡,从而造成桩身丧失土抗力。

2.2 桥台桩基础自由桩长取值(图4)

桥台桩基础受台后路基填土的主动土压力作用,桩顶将产生水平位移和转角。根据桩基计算分析,当桩长L>2.5/α时,桩底土竖向抗力对δQQ、δMQ、δQM、δMM影响非常小,可忽略不计。此时当地面处同时作用M0、Q0时,桩身在地面处的横向位移x0和转角φ0为

x0=Q0δQQ+M0δQM

φ0=-(Q0δMQ+M0δMM)

式中δQQ、δMQ——桩在地面处仅承受单位力矩M0=1(Q0=0)时桩身地面处的横线位移和转角；

δQM、δMM——桩在地面处仅承受单位水平力Q0=1(M0=0)时桩身地面处的横线位移和转角。

通过分析,在非岩石地基上,当桩长L>2.5/α时认为其为桩顶位移、转角不受桩底土抗力影响的弹性桩,设计中以承台底以下2.5/α处为嵌固点计算桩身位移对桩侧土影响。换算深度2.5(AB线)以上土体将受到桩身位移的影响产生以AD线为破裂面的剪切破坏,致使CD线以上土体松动坍塌从而使此范围内土体不能提供给桩身足够的土抗力,即承台底至CD面按自由桩长计算。

注：L0=2.5/α；L1为自由桩长取值,其余同前。

设计过程中,稳定边坡线按土体内摩擦角确定,施工时应结合现场开挖情况核实确认。墩台自由桩长除按上述方法确定外,还应根据经验按近陡坎侧桩身至刷坡线的水平距离进行双控,即：水平距离d以上为自由桩长与上述方法计算结果进行比较,取更不利者进行基础计算。根据线路等级、设计标准以及场地土条件,d一般取10～15 m。

3 考虑自由桩长的桩侧土压力计算(图5)

墩台基础在发生位移的同时桩身同时受到背离位移方向土体的主动土压力以及承台前侧的被动土压力；桥台基础一直受到台后路基填土的主动土压力以及承台前侧被动土压力影响,基础设计时应予以考虑。

图5 土压力计算示意

3.1 承台后侧主动土压力计算

主动土压力按库伦(楔体极限平衡)理论推导的主动土压力计算

土压力的着力点至计算土层底面的距离为

式中E——承台后侧的主动土压力，kN；

C——土压力的着力点至计算土层底面的距离，m；

γ——土的容重，kN/m3；

H——计算土层的厚度，m；

B——承台或桩身的计算宽度，m；

λ——主动土压力系数,

φ——土的内摩擦角，(°)；

δ——墩台背与填料之间的外摩擦角，(°)。

3.2 承台前侧被动土压力计算

被动土压力的计算亦采用库伦土压力理论

式中EP——承台前侧的被动土压力，kN；

KP——库伦被动土压力系数，

式中其他符号意义同前。

关于承台前侧被动土压力,当承台前侧无水流冲刷时,考虑到土体坍塌的可能性,计算时应予以折减；当承台前侧有水流掏空桩前土时,不计被动土压力。

3.3 土压力计算相关参数取值

对渗水土采用内摩擦角φ=33°；对一般填石采用内摩擦角φ=40°；填料与承台、桩身表面的外摩擦角δ=φ/2。当实际情况与上述有出入时,应以实际资料或通过试验作为计算的依据。

上述公式中,d为桩直径或宽度,L代表桩净距,n为桩根数。

4 湿陷性黄土中的桩基础

位于各级湿陷性黄土地区的桥梁,其墩台基础一般置于非湿陷性土层中。当采用桩基时,桩端必须穿透湿陷性黄土层,并应符合下列要求：

(1)在非自重湿陷性黄土场地,桩端应支承在压缩性较低的非湿陷性黄土层中；

(2)在自重湿陷性黄土场地,桩端应支承在可靠的岩(或土)层中。

4.1 湿陷性黄土设计参数取值

在非自重湿陷性黄土场地,当自重湿陷量的计算值小于50 mm时,单桩竖向承载力的计算应计入湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力。在自重湿陷性黄土场地,除不计湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力外,尚应扣除桩侧的负摩擦力。桩基础计算时,桩负摩阻力按下述原则进行取值：

(1)非自重湿陷性黄土层,不计摩阻力；地基水平抗力系数的比例系数m取5 000 kPa/m2。

(2)Ⅰ、Ⅱ级自重湿陷性黄土,负摩阻力取-10 kPa；地基水平抗力系数的比例系数m取4 500 kPa/m2。

(3)Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性黄土,负摩阻力取-15 kPa；地基水平抗力系数的比例系数m取2 500 kPa/m2。

湿陷性黄土的计算厚度按土层厚度的0.6～0.8倍考虑,其余部分摩阻力取0。

4.2 设计计算注意事项

(1)湿陷性黄土取负摩阻力时不与地震力组合,即地震力检算时摩阻力取0。

(2)桩的纵向钢筋长度应根据计算确定,并不应小于湿陷性黄土层的厚度。

5 结论

黄土地区桩基础设计应对湿陷性黄土各计算参数合理取值,还应结合地形、地质条件、边坡稳定性综合考虑自由桩长的取值以及侧向土压力的计算,以确保桥梁结构的安全。除考虑单个墩(台)设计情况还应注意相邻墩台间的相互影响。

(1)同一断面处要整体考虑,相邻墩台间应该注意相互间影响、统一确定埋深,减少基础设计的整体难度并尽量减少基础挖方。

(2)对于墩台基础埋深的确定应结合横、纵断面全面考虑后确定,保证基础全部埋置于地面之下；横纵向均存在陡坎时需同时考虑横纵向自由桩长及土压力的影响。

(3)基础施工开挖面较大且刷坡较高的工点，对边坡应该采取一定的防护措施，以提高边坡的稳定性。

[1]胡人礼.桥梁桩基础分析和设计[M].北京:中国铁道出版社,1987.

Hu Renli. Bridge pile foundation analysis and design[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 1987.

[2]陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京:清华大学出版社,1994.

Chen Zhongyi, Zhou Jingxing, Wang Hongjin. Soil mechanics[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1994.

[3]王航,山区桥梁基础的设计与研究[J].中外公路,2008,28(6):152-154.

Wang Hang, Mountain bridge foundation design and research[J]. Sino-foreign Highway, 2008,28(6):152-154.

[4]TB10002.1—2005, 铁路桥涵设计基本规范[S].

TB10002.1—2005,Fundamental code for design on railway bridge and culvert[S]．

[5]GB50025—2004,湿陷性黄土地区建筑规范[S]．

GB50025—2004, Collapsible loess district building codes[S]．