高速铁路桥梁钻孔桩基础设计

2014-11-27姬伟力

铁道标准设计 2014年1期

姬伟力

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

在高速铁路桥梁设计中，广泛采用钻孔桩基础。铁路桥梁桩基础设计方法与步骤一般是先根据所收集的必要设计资料，如地质报告、钻孔岩心鉴定表、土工试验报告、液化试验报告、地震动反应谱分析结果、现场平面图、所跨越障碍物的实测数据、所跨河流的水文资料等;然后基于上述材料，迅速理清准确的设计理念，依据规范的有关要求，选择桩基类型、桩根数、桩的布置形式、承台尺寸等;之后进行桩基础长度的计算，检算主力、主力+附加力、主力+特载等多种工况下桩端应力的设计数据，确保达成桩身、承台的强度及稳定性等工程指标、契合规范规定的各项设计要求［5］。

1 铁路桥梁桩基础设计要点

1.1 柱桩与摩擦桩的选择

铁路桥梁桩基础中的常用类型有摩擦桩(图1)及柱桩(嵌岩桩)(图2)两种［3］。柱桩与摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况确定，柱桩容许承载力高，沉降量小，安全可靠。当基岩面较浅时，首选柱桩基础，桩长较短、承载力富余值高、圬工量小。根据以往高速铁路设计及施工经验，柱桩最小桩长可根据不同桩径、不同岩层承载力依据计算确定，原则上6～8 m为宜;当岩层基本承载力过高，施工时爆破难度较大时，嵌岩深度不宜过深，以2倍设计桩径左右为宜。

图2 柱桩

当基本承载力较高的新鲜岩面埋置较深时，则可采用摩擦桩，但在同一个墩台的桩基础中不宜同时采用柱桩和摩擦桩，混凝土禁止采用不同强度等级，桩身直径不宜相差过大，下穿溶洞时，各桩桩身长度不宜相差过大，以避免整个基础产生不均匀沉降，导致歪斜、失稳，进而造成永久性病害及安全隐患，严重威胁正常运营。

选择桩基础类型时应依据地质报告及桥址处钻孔岩心鉴定表对墩台位置处的地质条件进行准确的判断，大致确定用摩擦桩还是柱桩。

鉴于个别基础底部岩层属于强风化层，按摩擦桩设计的安全性要明显优于柱桩，故大致确定桩型后还应准确判定桩底持力层为土质还是岩层，若为岩层还应按照岩层有无风化、风化等级、软硬程度、岩石轴心抗压强度数值等，最终选择出采用摩擦桩还是柱桩(嵌岩桩)。

1.2 桩长的拟定和单桩容许承载力的确定

设计过程中，建议设计人员首选将桩底置于岩层或承载力较高的土层中，如新鲜岩面、粗砂、圆砾土、卵石土、漂石土等，充分利用其基本承载力较大、工后沉降量较小、可控的优势。如在施工设备、工艺所能达到的容许深度内没有坚实土层存在，应尽可能选择无湿陷性、无膨胀性、基本承载力较高的土层作为持力层，同时要注意避免把桩底置于软土层内或离软弱下卧层的距离过近的土层内，以免桩基础产生过大的工后沉降，引起基础失稳，威胁行车安全［2］，在高速铁路设计过程中要尤其注意。

针对摩擦桩，桩底持力层可有多种选择，此时桩长与桩根数的拟定乃相辅相成的关系，遇到这种情况可通过试算并遵循技术可行性、经济性等指标进行反复比较，选用较为合理的桩长。但应注意试算过程中摩擦桩的桩长不应拟定的太短，因为桩长过短将达不到把荷载传递到地基土深层、减小工后沉降的目的，否则必然使桩基础根数大幅增加，提高施工难度、造成不必要的浪费。

此外，为保证充分发挥摩擦桩桩底土层基本承载力的天然优势，桩端必须伸入持力层一定深度，一般不宜小于1倍设计桩径。

以铁路桥梁基础桩径1 m的桩基为例，桩根数为4根，桩长30 m，计算得出的桩身混凝土总量为

V=π×0.52×30×4=94.3 m3(此时为承载力控制)

因此在桩长不变的前提下应增加桩根数，假设当加至6根桩时，桩长缩短了2.5 m，桩身混凝土总量为

V=π×0.52×27.5×6=129.6 m3(承载力及经济指标基本兼顾)

此时若仅考虑桩端承载力因素，再将桩根数加至8根，单桩承载力3 300 kPa，桩长缩短1.5 m，桩身混凝土总量为

V=π×0.52×26×8=163.4 m3(不经济)

1.3 承台的合理埋置深度

铁路桥梁承台高度主要采用2、2.5 m两种，当应用于时速大于300 km的高速铁路或地质较为复杂、桩根数较多、基础刚性角不满足的情况下，可酌情将基础加高0.5～1 m。通常情况下承台顶面应置于地面下0.5 m左右，受墩高为0.5 m整倍数的影响，承台顶面距地面深度常常在0.3～0.7 m波动。

当承台埋置于冻胀土层中时，为了避免由于土的冻胀引起桩基础的损坏，承台底面应埋置于土壤最大冻结深度线以下不小于0.25 m。

遇到流水局部冲刷过深、或施工防排水设施设置难度较大、地面横向坡度过于陡峭且地表土均为黏性土时，在满足受力的前提下，可以采用高桩承台，将承台顶面露出地表一定高度［4］;而在有流冰的河道中，承台底面埋置于最低冰层面以下不应小于0.25 m;在有其他漂流物或通航的河道中，考虑到水流对桩基的日常冲刷作用，一定长度的桩基会出露(该部分定义为自由桩长，且不计摩阻力)，此时承台也应适当深埋，以保证桩基不会受到直接的冲撞而毁坏，当技术条件不满足时，可在桥墩迎水面设置防撞击装置(如破冰棱)。

当作用在桩顶的水平力及弯矩较大(如双线墩台、单线架梁及行车时)，或桩周土层极限摩阻力过低时(如湿陷性黄土、膨胀岩土等不良地质)，为减少桩身所受的弯矩及剪力，可将承台埋深适当加大。

2 高速铁路桥梁桩基础设计

以宝鸡至兰州客运专线为例，具体说明针对高速铁路桥梁桩基础设计的参数选取和技术要求。

2.1 基本构造要求

一般简支梁墩台桩基础在地震动峰值加速度Ag≤0.15g地区优先采用φ1.0 m桩径(桩根数不超过10根);地震动峰值加速度Ag≥0.2g地区优先采用φ1.25 m桩径。位于有可能产生漂石磨蚀、流冰磨蚀及泥石流的河流中的桥墩桩基础，其桩径不宜小于φ1.25 m。其他大跨、高墩、特殊结构及地基较差的工点，根据计算确定桩径，桩径应适当增大。

柱桩和挖孔桩桩径一般不宜小于1.25 m。桩基基本尺寸的规定见表1。

表1 桩基基本尺寸的规定［1］ cm

以上对宝兰客运专线桥梁桩基础的构造按结构类型、地形条件给出了大致的框架。

2.2 承载力控制要素

(1)主力作用下单桩承载力不宜大于以下限值。摩擦桩(含特殊结构桩):

桩径 φ1.0 m:≤4 000 kN 桩径 φ1.25 m:≤6 000 kN;

桩径 φ1.5 m:≤8 800 kN 桩径 φ1.8 m:≤12 000 kN。

柱桩:其承载力限值按照桩底混凝土最大压应力不超过6 MPa控制设计。

计算单桩容许承载力时，桩底面积按设计桩径计算，摩擦桩桩周摩阻周长均按设计桩径+5 cm计算。

对于一般桥梁，在困难条件下原则上可超过以上限值10%以内。

(2)在主力+特殊荷载(地震力除外)作用下，摩擦桩单桩容许承载力可在上述限值基础上提高20%～40%，柱桩单桩容许承载力可在上述限值基础上提高40%;主力+地震力作用下按《铁路工程抗震设计规范(2009 年版)》(GB50111—2006)办理［1］。

(3)摩擦桩单桩承载力富余值控制在5% ～10%，柱桩控制在5%左右。主力加特殊荷载及主力加地震力作用下控制桩长时，单桩承载力富余值控制在2%左右。

(4)计算柱桩单桩承载力时，岩石极限抗压强度采用地质所提资料，若地质资料中无岩石极限抗压强度时，参照表2确定。

表2 桩基计算相关岩石设计参数取值

(5)一般土层的桩周极限摩阻力fi根据土的性质状态，按《桥涵基础设计规范》6.2.2条规定并结合设计经验取用。

3 不良地质区桩基础设计

宝兰客运专线线路走行处，湿陷性黄土、黄土冲沟大面积存在。因此，桩基础的设计还必须针对这些情况予以必要的考虑。

3.1 湿陷性黄土地区

位于各级湿陷性黄土地区的桥梁，桩基应穿透湿陷性黄土层，将桩底置于稳定可靠的非湿陷性土层中。

湿陷性黄土地段桩基础的负摩阻力暂按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)取值。Ⅱ级自重湿陷性负摩阻力取－10 kPa，Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性负摩阻力取－15 kPa，负摩阻力计算范围按地质报告提供的湿陷土层厚度的80%计;主力+地震力作用下不计黄土湿陷性(桩侧摩阻力取零)。

对于非自重湿陷性黄土，当其自重湿陷量计算值Δzs≥50 mm时，桩侧摩阻力取零，当其自重湿陷量计算值Δzs＜50 mm时，桩侧摩阻力取该湿陷性土层饱和状态下的正摩阻力(8～15 kPa)。

湿陷性土层范围地基土水平抗力系数的比例系数m按饱和状态下湿陷性黄土取值，范围在2 500～6 000 kPa/m2，一般硬塑非自重湿陷土层取6 000 kPa/m2，硬塑Ⅱ级自重湿陷土层取4 500 kPa/m2，硬塑Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷土层取2 500 kPa/m2。

3.2 黄土冲沟地区

Q4黄土因稳定边坡线以上的土体欠稳定，为避免承台承受过大的侧向土压力，桩基础设计时一般将承台靠山侧置于稳定边坡线以下。如果基础埋置过深或刷方量过大，也可以将承台提高，此时桩基计算应考虑自由桩长。同时，为减少土方工程，在承台施工时垂直开挖为宜，如图3所示。

图3 Q4黄土边坡埋深示意

Q3、Q2黄土土质较好，为减少土方数量，提高承台的埋深。如图4所示，从沟底最低点作稳定边坡线EF交基础于F，由F做垂线交自然边坡于G点，以F为圆心，FG为半径，作圆弧交基础于A点即承台顶面。同时基础顶面至自然边坡的距离应大于5 m，并不小于基础宽度。对于Q3黄土稳定边坡线上的土体不计摩阻力及土抗力，对于Q2黄土稳定边坡线上的土体摩阻力及土抗力取正常值的一半。