某铁路路基邻近既有桥梁墩台时处理措施研究

白 楷，宁 锐

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

1 工程概况

某机场路高架桥T16号～T17号墩跨越铁路上行疏解线、牵出线及下行线路基，T17号墩及其基础结构已进入铁路路基边坡范围以内，高架桥与铁路路基的位置关系如图1所示。

图1 机场路高架桥与铁路路基横断面(单位:m)

图1中3条铁路线L1，L2，L3分别为上行疏解线、牵出线和下行线;铁路的地基处理均采用旋喷桩加固，桩间距为1.8 m;高架桥T17号墩的承台及桩基目前已施工完毕。

2 工程地质条件

本工段桥址范围内广泛分布有滨海相沉积的淤泥、淤泥质(粉质)黏性土及黏性土等软土层，具有强度低、压缩性高、渗透性低等特点，工程地质条件较差。T17号墩的地质情况断面如图2所示，各土层地质参数详见表1。

图2 T17号墩地质情况断面(单位:m)

表1 高架桥跨越铁路工段土层的地质参数

3 桥梁结构布置及基础水承载力特征值

高架桥T17号墩承台尺寸为7 m×9.5 m(顺桥向×横桥向);双立柱接盖梁结构，立柱尺寸为2.5 m×2 m(顺桥向×横桥向)，双立柱净间距4.5 m，盖梁尺寸为2.7 m×23.5 m(顺桥向×横桥向);T16号～T17号墩上部结构为跨径45 m先简支后连续预应力小箱梁，每跨8片，梁高2.5 m;T17号墩下部基础结构为12根直径1.0 m钻孔灌注桩，主筋为20根Φ22HRB335钢筋，桩长61.7 m。

经桥梁下部结构计算得，机场路高架桥T17号墩单桩基础水平承载力特征值Rha=207.8 kN，群桩基础水平承载力特征值Rh=241.3 kN。

4 挡土墙截面设计

在铁路路基工程中，通常设置挡土墙支承路堤填土防止土体变形失稳。因此，为降低路基填土堆载和列车及轨道结构荷载对机场路高架桥T17号墩的影响，在邻近桥墩一侧的铁路路基采用悬臂挡墙收坡，承受侧向土压力，以保证桥梁基础及墩台的安全，如图3所示。

图3 铁路路基断面上设置挡土墙示意

假定铁路路基填土表面水平，列车和轨道荷载换算为路基面上的均布标准荷载Pk=59.7 kPa，地基容许承载力取［σ］=180 kPa，填土的标准容重 γt=20 kN/m3，内摩擦角 φ=40°，底板与地基摩擦系数 f=0.35，由于采用钢筋混凝土挡土墙，墙背竖直且光滑，可假定墙背与填土之间的摩擦角δ=0。

挡土墙采用钢筋混凝土结构，墙高低于6 m，选择L形挡土墙。立臂高度设为3.8 m，立臂宽度为0.5 m;墙趾不凸出，即挡土墙设计断面(立臂外侧)不侵入桥墩承台范围以内，避免挡土墙对桥墩承台产生影响;墙踵板宽度设为5.5 m，高度设为0.5 m;立臂与墙踵板倒角的竖向和横向长度均设为1 m，如图4所示。设计计算过程中，若不满足强度和稳定性验算条件，再相应调整尺寸。

5 挡土墙基础承载力及整体稳定验算

本次设计考虑有地震作用的不利组合的挡土墙设计。地震条件下，不但要考虑由于地震力的影响使土压力产生的变化，还应考虑墙身自重产生的水平地震惯性力。

图4 挡土墙设计计算(单位:mm)

在计算地震土压力时，只考虑水平地震加速度的影响，采用静力法进行。与一般土压力计算的不同之处在于多考虑了由破裂棱体自重所引起的水平地震力。破裂棱体重力与地震力之合力偏离铅垂线的角度称为地震角，按下式计算

η=arctan(Cz·kH)

式中 Cz——综合影响因素，表示结构体系的地震反应与理论计算间的差异，取0.25;

kH——水平地震系数，基本烈度为7度时，kH=0.1。

假定在地震条件下填土的内摩擦角φ=30°和墙背摩擦角δ=0°不变，可用下列各值

分别取代γ、φ、δ，直接采用一般库仑土压力公式计算地震土压力

由此得到地震时的土压力

水平分力

在墙身自重产生的水平地震惯性力时，由于一般结构物在竖向有较大的强度储备，在多数情况下可忽略竖向地震力的影响，认为结构物的破坏主要是由于水平方向的地震力所引起。

根据程序计算所得参数进行以下验算。

(1)地基承载力验算

由挡土墙底板两边缘点竖直压应力的数值计算结果可得地基压力

其中，σ1=179.72 kPa＜［σ］=180 kPa，满足地基承载力稳定条件。

由此也可反算出基底偏心距e0=0.25 m＜B/6=0.92 m(满足)。

(2)抗倾覆稳定验算

稳定力系对墙趾D点的总力矩

Mzk=2 107.16 kN·m/m

倾覆力系对墙趾D点的总力矩

(3)抗滑稳定验算

竖向荷载Gk=777.75 kN/m

抗滑力Gk·f=777.75×0.35=272.21 kN/m

滑移力E=Ex=81.74 kN/m

6 挡土墙结构设计

挡土墙立臂与底板均采用C20混凝土和Ⅱ级钢筋，fck=13.4 MPa，ftk=1.54 MPa，fy=300 MPa，Es=2×105MPa。

(1)立臂设计

考虑地震作用下的水平土压力和墙身自重产生的水平地震惯性力，底截面设计弯矩

M=1.2Ex·Z'f+1.2 × 0.025Gi·xi

钢筋混凝土标准容重γk=25 kN/m3，立臂自重力

则设计弯矩

标准弯矩

强度计算:取h0=500-20=480 mm，b=1 000 mm

根据力臂强度计算，设计选配φ22@250，满足配筋要求。

(2)底板设计

底板最大弯矩位置位于墙踵板与立臂交界处C点附近

其标准弯矩Mk=249.21 kN·m/m

设计弯矩M=1.2Mk=299.05 kN·m/m

墙踵板强度设计

根据底板强度计算，设计选配φ22 mm@250 mm，满足配筋要求。

7 桩基水平承载力校核

依据设计的挡土墙及上述计算结果，作用在T17号桥墩承台上的库仑主动土压力水平分力为每延米81.74 kN。承台横桥向的长度为9.5 m，故总土压力合力E=Ea×9.5 m=776.53 kN。均分得到基桩顶处的水平力为Eik=776.53/12=64.71 kN。机场路高架桥T17号墩单桩基础水平承载力特征值Rha=207.8 kN，群桩基础水平承载力特征值Rh=241.3 kN，均大于Eik，满足桩基水平承载力的要求。

8 结语

对于铁路路基邻近既有桥梁墩台及其基础结构时，由于路基填土堆载和列车及轨道结构荷载必然会对桥墩产生一定影响，必须对桥梁结构安全问题进行分析。本工程铁路路基采用结构轻型、占地少的悬臂式挡墙收坡处理，利用悬臂式挡墙承受水平力的特点，减小路基自身及上部荷载作用在桥梁墩台结构的水平力，以保证桥梁结构的安全，具有借鉴的价值。

［1］ 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2012.

［2］ 中华人民共和国交通部.JTG D63—2007 公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 中华人民共和国交通部.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 中华人民共和国建设部.JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.