印尼雅万高铁桥梁桩基础优化研究

2021-07-06王小兵

四川建筑 2021年3期

王小兵, 陈航, 陈龙

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031;2.成都华丰工程勘察设计有限公司,四川成都 610031)

桥梁作为高铁系统中的重要组成部分，通常占有较大的比重，关于高烈度地震区的桥梁桩基础设计研究，陈令坤[1]等研究了竖向地震效应对铁路桥梁地震响应的影响，分析竖向地震对桥梁的弹塑性地震响应的影响，发现了竖向地震在频谱上影响桥梁地震响应；马亢[2]等基于离心机地震模型试验和ABAQUS计算分析，得到高承台桩基形式与低承台比较弯矩更大，弯矩有效深度也更深；王青桥[3]、刘惠珊[4]、楼梦麟[5]、刘立平[6]等分析了桥梁桩基体系下的地震响应和震害特点，为桩基抗震设计措施提供建议和参考。

本文以雅万高铁为工程实例，考虑地质情况、地震动参数、荷载类型、梁型选择及桥墩设计等边界条件对桩基基础设计的影响，研究了脉爪哇岛地质下桩基基础的单桩承载力、墩顶位移、线刚度、上拔力等计算结果，通过对比分析得到了最优桩基配筋方案，既能保证结构安全，又有较好的经济性，便于高烈度地震区桥梁工程的应用。

1 项目概况

1.1 线路走向

雅万高速铁路连接印尼首都雅加达和西爪哇省省会万隆，远期作为雅加达至泗水高速铁路的一部分，其中Halim-TegalLuar 段线路正线长度 142.2 km，桥梁长度 76.79 km,占比54 %。

图1 雅万高铁地理位置示意

1.2 地形地貌

本区域处于亚欧板块、太平洋板块和印度洋板块三大板块的交汇处。爪哇岛归属于亚洲大陆的巽他大陆架，是巽他大陆板块的最南部的前缘，地质情况复杂，其邻接构造活跃地区，特点是由俯冲作用造成的地震和火山作用频繁。

由雅加达至万隆，地势逐渐增高，线路所经地貌有冲积、冲洪积平原、剥蚀残丘缓坡、丘陵、低山及山间盆地。

1.3 工程地质条件

根据万隆大学(ITB)提交的地震安评资料、结合中国规范GB 50111-2006 2009年版《铁路工程抗震设计规范》中的相关规定：沿线地表基本地震动(相应于50 a超越概率为10 %的地震动)峰值加速度值为：0.25g～0.36g。

线路经过地区均属高烈度地震区，在平原区的粉、细、中砂和粉土地层中，地下水位较高，局部地层呈松散饱和状态，为地震可液化层。设计时根据液化层的分布采取适当的抗震措施，同时施工时减少对可液化层的扰动。

2 工点概况

2.1 工点概况

DK1353特大桥249号桥墩，里程：DK138+998.82。桩基采用9根1.25 m，桩长94 m；梁部采用简支箱梁，桥墩采用圆端形实体墩，支座采用减隔震支座，地震动峰值加速度值为0.30g，总布置图如图2所示。

图2 DK1353特大桥249号墩总体布置

2.2 地质情况

根据地质报告和TB10093-2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》得到岩土物理力学指标推荐值见表1。

2.3 桩顶外力

根据桥涵结构设计对荷载按最不利组合情况进行组合计算，桩顶计算外力见表2。

3 高烈度地震区桥梁桩基础优化设计

3.1 概况

根据雅万高铁地质情况、地震动参数、荷载类型、梁型选择及桥墩设计等条件对高烈度地震区段桥梁桩基础钢筋进行了设计。桩竖向共配置直径25 mmHRB500主筋63根，其中主筋N1为通常钢筋，配置有21根，主筋N1-1设计一般按照55 m取值，配置有42根。N1-1设置长度根据地质情况判断，因雅万高铁所处位置地震烈度较高，地质较差，甚至出现负摩阻，所以桩长普遍较长, N1-1一般能达到55 m。如图3所示(以桩径为1.25 m桩基础为例)。

表1 地质桩周摩阻参数

表2 桩顶计算外力

图3 1.25 m桩基础钢筋布置

3.2 桩基检算结果

3.2.1 单桩承载力计算结果

(1)控制荷载组合：主力+地震力。

(2)墩顶位移:dy= 0.98 cm，[dy]= 2.83 cm，dy<[dy] 。

(3)纵向水平线刚度:K= 1236.7 kN/cm>350 kN/cm。

(4)单桩承载力

(1)

式中：dy为墩顶位移；[dy]为墩顶容许位移；K为纵向水平线刚度(kN/cm)；[P]为单桩容许承载力；P为单桩设计承载力;U为桩身截面周长(m)；li为各土层厚度(m)；A为柱底支承面积(m2)；αi、α为振动沉桩对各层桩周摩阻力和桩底承载力的影响系数，见TB 10093-2017《铁路桥涵地基与基础设计规范》表6.2.2-1；λ为系数，见TB 10093-2017《铁路桥涵地基与基础设计规范》表6.2.2-2；fi为桩周土的极限摩阻力(kPa)；R为桩尖土的极限承载力(kPa)。

P=10461.6 kN，[P]= 10968.6 kN；

[P]/P= 1.048 ,单桩承载力满足结构受力要求。

3.2.2 上拔力与抗拔力计算

(1)上拔力。

上拔力等于桩顶处单桩最小轴向力Nmin=-3810.9 kN(负号代表该力竖直向上)。

(2)抗拔力。

F=[P′]+G

(2)

[P′]=0.30U∑αilifi

(3)

式中：[P′]为单桩容许承载力(kN)；G为桩身自重(KN)；F为抗拔力(kN)。

根据公式计算，在桩长55 m处得[P′]= 2229.7 kN；G=1679.2 kN。即F=3908.9kN>Nmin，抗拔力满足结构受力要求。

3.2.3 小结

(1)墩顶设计位移小于墩顶容许位移，，满足规范要求。

(2)水平线刚度大于规范最小线刚度的要求，满足规范要求。

(3)单桩设计承载力小于单桩容许承载力，桩基长度满足结构受力要求，安全储备4.8 %，桩长无优化空间。

(4)桩基上拔力与抗拔力根据计算，判断在桩长55 m处达到了平衡。桩长55 m以下部分，配筋只需要保证声测管设置刚度的要求即可。设计配置21根通常钢筋合理。

3.3 桩基钢筋优化研究

原设计桩基础能保证桥梁安全，但N1-1的长度配置较长，根据桩基础受力的特点，结合国内沪昆高铁、云桂铁路等高烈度地震区桩基础的设计经验，对雅万高铁桥梁桩基础进行优化设计。具体做法是将N1-1细分为两档，一半根数的钢筋维持原长度，一半的钢筋在某一长度截断。截断后的钢筋标号，标识为N1-2，本文对其在桩顶之下5 m、10 m、15 m、20 m处截断分别进行研究，计算钢筋应力，计算结果见表3。

优化方案1～方案4中钢筋应力均小于HRB500钢筋的容许应力值390 MPa，桩基钢筋配置均满足受力要求，优化方案可行。