某沿海軟土地區(qū)埋置式輕型橋臺樁基關鍵參數研究

鄒永誠

(臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 臺州 318000)

1 研究背景

在產業(yè)轉型升級的大背景下，浙江沿海城市進行大規(guī)模的圍海造田，實現產業(yè)轉移、升級。由于場地均為海涂上填筑而成，下臥深厚軟土，土體含水量高、孔隙比大、承載力小，且靈敏度很高，導致工后沉降量大，穩(wěn)定性差，工程病害較多。

為解決城市防洪問題，新開挖河道密布，在超厚的軟土地基條件下(軟土深度超過50 m)，橋梁下部結構占用橋梁建造費用比重高，如何即節(jié)約橋梁下部結構造價，又保證橋梁樁基在新吹填土上的穩(wěn)定、安全，是亟待解決的問題。

本文結合該區(qū)域特點，對埋置式輕型橋臺樁距和樁徑關鍵參數進行研究，確保橋梁樁基礎合理布置，具有借鑒意義。

2 地質情況

地質勘查典型土層信息如表1所示。

表1 地質勘查土層信息

持力層取第6層粉質黏土，下面以單跨20 m簡支橋梁(橋梁制動力較不利)為例進行分析研究。橋梁參數為橋寬30 m，上部結構采用矮T梁，20 cm鋪裝，臺后搭板6 m，支座采用GBZY 350×63型板式橡膠支座，支撐墊石高20 cm，如圖1所示。

圖1 橋臺處橫斷面圖

3 軸向承載力控制下的樁基選擇

3.1 橋臺樁基軸向承載力計算

橋臺樁基樁頂反力主要由上部結構的恒載、汽車活載和人群活載組成。由于偏載的原因，不同樁基承擔的承載力不同，考慮不同樁基的偏載系數取1.3。選取樁基間距分別為4.5、5.4、6.75 m，分析樁基的最大樁頂反力。

橋臺蓋梁按連續(xù)梁設計，汽車活載按雙向六車道設計，不同跨徑最大樁頂反力計算結果見表2。

表2 最大樁頂反力匯總表

3.2 基于樁基軸向承載力樁基長度選擇

《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)第3.1.3條對于樁側土不排水抗剪強度小于10 kPa且長徑比大于50的樁[1]，應進行樁身壓屈驗算，隨著樁孔樁施工工藝進一步提高在類似地質下有長徑比達到100的成孔經驗[2-3]。根據本地經驗橋梁樁基長徑比取60為宜。

該地區(qū)淤泥質黏土層(層2)較厚，摩阻力標準值僅為8 kPa，樁基上部對樁基承載力提供的作用較小，下部因穿透了淤泥層，發(fā)揮作用較大，橋梁樁基設計時，在滿足成樁工藝的前提下，盡量選擇長樁。

根據最大樁頂反力計算結果(表2)及圖2結果對比，在樁間距選擇4.5～6.75 m，Φ1.2 m及以上樁徑均能滿足軸向受壓承載力要求。在深厚軟土地質情況下，邊跨跨徑不大的情況下，通過增加樁長，較小直徑的樁基大都能滿足軸向受壓承載力的要求。

圖2 不同樁徑單樁軸向受壓承載力特征值

4 水平位移控制下的樁基選擇

樁基水平位移計算一般采用m法進行計算，由于橋臺受力較為復雜，受到臺后填土(本例按臺后填土高度2 m計算，填土內摩擦角取35°)、汽車荷載及溫度的綜合作用[3]，計算模型如圖3所示。

圖3 橋臺樁基水平位移計算圖示

基礎在地面處位移最大值不應超過6 mm[4]，當位移較大時，樁基設計時采用的m值應適當降低。

根據《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)第5.7.2條，對于水平位移敏感的建筑物，基礎在地面處水平位移控制6 mm。

結合以上兩本規(guī)范，橋臺水平位移的控制標準為基礎在地面處位移最大值按6 mm控制。

橋臺樁基頂水平力及彎矩主要由臺后填土及汽車荷載引起的土壓力、汽車制動力、整體降溫產生及上部豎向荷載引起的偏心彎矩等組成(本地區(qū)不考慮地震力)，分別按文獻[4]第4.3.4條和第4.3.5計算，計算結果見表3。

表3 橋臺樁基處荷載計算及組合表

汽車制動力按同向3車道計算，折減系數為0.78。一個設計車道上汽車制動力標準值不小于165 kN，故Fzdl=165×3×0.78=386 kN；一個橋臺分配的制動力可近似取全橋制動力的50%即193 kN。

整體降溫產生的溫度力：

Fwdl=Lx×(支座頂集成剛度)×a×t

(1)

式中，Lx為溫度變化臨界點距墩臺的距離,取10m；a為梁板的線膨脹系數，取1.0×10-5(1/℃)；t為最大整體降溫幅度，取30℃。

由于板式橡膠支座的抗推剛度遠小于樁土共同作用的抗推剛度，支座頂集成剛度可用板式橡膠支座的剛度近似計算：支座頂集成剛度=支座剪切模量Ge×單支座底面積×支座個數÷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。

臺后填土及汽車荷載引起的土壓力計算按照《公路橋涵設計通用規(guī)劃》(JTGD60—2015)4.2.3及4.3.4分別計算不再贅述，計算結果統(tǒng)計如表3。

根據《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG3363—2019)附錄L，按m法計算彈性樁水平位移，由于本工程樁基較長穿越不同的地層，但本工程穿越的土層2淤泥質黏土層達31m，遠大于m值換算厚度hm值[4，6]，故此m值取第二層淤泥質黏土層m值計算，由《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG3363—2019)表L.0.2-1中m值取5 000kN/m4。

圖4 樁基位移圖(7樁，樁徑1.2 m)

其他計算類似，計算結果匯總見表4。

表4 單樁地面處水平位移匯總表

根據以上計算結果可知，直徑Φ1.0m樁基在不同的樁基間距下，地面處水平位移均不滿足要求。直徑Φ1.2m樁基樁間距過大時不能滿足地面處水平位移要求，直徑Φ1.4m樁基水平位移控制較好。

綜上所述：在軟土地質條件下(m值小于5 000kN/m4)，選擇樁基直徑Φ1.2～1.4m，樁基間距4.5～5.4m較合適。

5 造價分析

依據《浙江省市政工程預算定額》(2018版)，取樁基間距4.5、5.4 m，樁基直徑Φ1.2、Φ1.4 m，計算橋臺樁基的費用分析見表5。

表5 橋梁邊跨跨徑20 m橋臺樁基費用表

根據以上數據分析，采用樁基直徑Φ1.2 m，樁基間距5.4 m，造價相對Φ1.4 m樁基更經濟,但Φ1.4 m樁基水平位移控制更好。

6 研究結論

1)深厚軟土地基上橋臺樁基直徑的選擇往往受到水平位移的控制。樁基直徑越大水平位移控制越好，單排樁樁徑不宜小于1.2 m,樁間距控制在5 m左右。

2)在研究中發(fā)現臺后填土高度對橋梁樁基水平位移影響較大，在軟土地區(qū)采用單排樁輕型橋臺，填土高度不宜大于3 m，對于液性指數IL>0.75的黏性土建議進行地基加固增強樁基的抵抗水平變位的能力，或采用輕質填料減小臺后填土壓力。

3)橋臺樁基軸向受壓承載力加大樁基直徑增加承載力不明顯，建議選擇小直徑的長樁，能獲得更好的經濟性。

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