某沿海软土地区埋置式轻型桥台桩基关键参数研究

邹永诚

(台州市城乡规划设计研究院有限公司，浙江 台州 318000)

1 研究背景

在产业转型升级的大背景下，浙江沿海城市进行大规模的围海造田，实现产业转移、升级。由于场地均为海涂上填筑而成，下卧深厚软土，土体含水量高、孔隙比大、承载力小，且灵敏度很高，导致工后沉降量大，稳定性差，工程病害较多。

为解决城市防洪问题，新开挖河道密布，在超厚的软土地基条件下(软土深度超过50 m)，桥梁下部结构占用桥梁建造费用比重高，如何即节约桥梁下部结构造价，又保证桥梁桩基在新吹填土上的稳定、安全，是亟待解决的问题。

本文结合该区域特点，对埋置式轻型桥台桩距和桩径关键参数进行研究，确保桥梁桩基础合理布置，具有借鉴意义。

2 地质情况

地质勘查典型土层信息如表1所示。

表1 地质勘查土层信息

持力层取第6层粉质黏土，下面以单跨20 m简支桥梁(桥梁制动力较不利)为例进行分析研究。桥梁参数为桥宽30 m，上部结构采用矮T梁，20 cm铺装，台后搭板6 m，支座采用GBZY 350×63型板式橡胶支座，支撑垫石高20 cm，如图1所示。

图1 桥台处横断面图

3 轴向承载力控制下的桩基选择

3.1 桥台桩基轴向承载力计算

桥台桩基桩顶反力主要由上部结构的恒载、汽车活载和人群活载组成。由于偏载的原因，不同桩基承担的承载力不同，考虑不同桩基的偏载系数取1.3。选取桩基间距分别为4.5、5.4、6.75 m，分析桩基的最大桩顶反力。

桥台盖梁按连续梁设计，汽车活载按双向六车道设计，不同跨径最大桩顶反力计算结果见表2。

表2 最大桩顶反力汇总表

3.2 基于桩基轴向承载力桩基长度选择

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)第3.1.3条对于桩侧土不排水抗剪强度小于10 kPa且长径比大于50的桩[1]，应进行桩身压屈验算，随着桩孔桩施工工艺进一步提高在类似地质下有长径比达到100的成孔经验[2-3]。根据本地经验桥梁桩基长径比取60为宜。

该地区淤泥质黏土层(层2)较厚，摩阻力标准值仅为8 kPa，桩基上部对桩基承载力提供的作用较小，下部因穿透了淤泥层，发挥作用较大，桥梁桩基设计时，在满足成桩工艺的前提下，尽量选择长桩。

根据最大桩顶反力计算结果(表2)及图2结果对比，在桩间距选择4.5～6.75 m，Φ1.2 m及以上桩径均能满足轴向受压承载力要求。在深厚软土地质情况下，边跨跨径不大的情况下，通过增加桩长，较小直径的桩基大都能满足轴向受压承载力的要求。

图2 不同桩径单桩轴向受压承载力特征值

4 水平位移控制下的桩基选择

桩基水平位移计算一般采用m法进行计算，由于桥台受力较为复杂，受到台后填土(本例按台后填土高度2 m计算，填土内摩擦角取35°)、汽车荷载及温度的综合作用[3]，计算模型如图3所示。

图3 桥台桩基水平位移计算图示

基础在地面处位移最大值不应超过6 mm[4]，当位移较大时，桩基设计时采用的m值应适当降低。

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)第5.7.2条，对于水平位移敏感的建筑物，基础在地面处水平位移控制6 mm。

结合以上两本规范，桥台水平位移的控制标准为基础在地面处位移最大值按6 mm控制。

桥台桩基顶水平力及弯矩主要由台后填土及汽车荷载引起的土压力、汽车制动力、整体降温产生及上部竖向荷载引起的偏心弯矩等组成(本地区不考虑地震力)，分别按文献[4]第4.3.4条和第4.3.5计算，计算结果见表3。

表3 桥台桩基处荷载计算及组合表

汽车制动力按同向3车道计算，折减系数为0.78。一个设计车道上汽车制动力标准值不小于165 kN，故Fzdl=165×3×0.78=386 kN；一个桥台分配的制动力可近似取全桥制动力的50%即193 kN。

整体降温产生的温度力：

Fwdl=Lx×(支座顶集成刚度)×a×t

(1)

式中，Lx为温度变化临界点距墩台的距离,取10m；a为梁板的线膨胀系数，取1.0×10-5(1/℃)；t为最大整体降温幅度，取30℃。

由于板式橡胶支座的抗推刚度远小于桩土共同作用的抗推刚度，支座顶集成刚度可用板式橡胶支座的刚度近似计算：支座顶集成刚度=支座剪切模量Ge×单支座底面积×支座个数÷支座高度=1 000×(0.25×π×0.352)×19÷0.063=28 952kN/m，得Fwdl=10×28 952×1.0×10-5×30=174kN。

台后填土及汽车荷载引起的土压力计算按照《公路桥涵设计通用规划》(JTGD60—2015)4.2.3及4.3.4分别计算不再赘述，计算结果统计如表3。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG3363—2019)附录L，按m法计算弹性桩水平位移，由于本工程桩基较长穿越不同的地层，但本工程穿越的土层2淤泥质黏土层达31m，远大于m值换算厚度hm值[4，6]，故此m值取第二层淤泥质黏土层m值计算，由《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG3363—2019)表L.0.2-1中m值取5 000kN/m4。

图4 桩基位移图(7桩，桩径1.2 m)

其他计算类似，计算结果汇总见表4。

表4 单桩地面处水平位移汇总表

根据以上计算结果可知，直径Φ1.0m桩基在不同的桩基间距下，地面处水平位移均不满足要求。直径Φ1.2m桩基桩间距过大时不能满足地面处水平位移要求，直径Φ1.4m桩基水平位移控制较好。

综上所述：在软土地质条件下(m值小于5 000kN/m4)，选择桩基直径Φ1.2～1.4m，桩基间距4.5～5.4m较合适。

5 造价分析

依据《浙江省市政工程预算定额》(2018版)，取桩基间距4.5、5.4 m，桩基直径Φ1.2、Φ1.4 m，计算桥台桩基的费用分析见表5。

表5 桥梁边跨跨径20 m桥台桩基费用表

根据以上数据分析，采用桩基直径Φ1.2 m，桩基间距5.4 m，造价相对Φ1.4 m桩基更经济,但Φ1.4 m桩基水平位移控制更好。

6 研究结论

1)深厚软土地基上桥台桩基直径的选择往往受到水平位移的控制。桩基直径越大水平位移控制越好，单排桩桩径不宜小于1.2 m,桩间距控制在5 m左右。

2)在研究中发现台后填土高度对桥梁桩基水平位移影响较大，在软土地区采用单排桩轻型桥台，填土高度不宜大于3 m，对于液性指数IL>0.75的黏性土建议进行地基加固增强桩基的抵抗水平变位的能力，或采用轻质填料减小台后填土压力。

3)桥台桩基轴向受压承载力加大桩基直径增加承载力不明显，建议选择小直径的长桩，能获得更好的经济性。

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