某鐵路路基鄰近既有橋梁墩臺(tái)時(shí)處理措施研究

白 楷，寧 銳

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

1 工程概況

某機(jī)場(chǎng)路高架橋T16號(hào)～T17號(hào)墩跨越鐵路上行疏解線、牽出線及下行線路基，T17號(hào)墩及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已進(jìn)入鐵路路基邊坡范圍以內(nèi)，高架橋與鐵路路基的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 機(jī)場(chǎng)路高架橋與鐵路路基橫斷面(單位:m)

圖1中3條鐵路線L1，L2，L3分別為上行疏解線、牽出線和下行線;鐵路的地基處理均采用旋噴樁加固，樁間距為1.8 m;高架橋T17號(hào)墩的承臺(tái)及樁基目前已施工完畢。

2 工程地質(zhì)條件

本工段橋址范圍內(nèi)廣泛分布有濱海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)(粉質(zhì))黏性土及黏性土等軟土層，具有強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性低等特點(diǎn)，工程地質(zhì)條件較差。T17號(hào)墩的地質(zhì)情況斷面如圖2所示，各土層地質(zhì)參數(shù)詳見表1。

圖2 T17號(hào)墩地質(zhì)情況斷面(單位:m)

表1 高架橋跨越鐵路工段土層的地質(zhì)參數(shù)

3 橋梁結(jié)構(gòu)布置及基礎(chǔ)水承載力特征值

高架橋T17號(hào)墩承臺(tái)尺寸為7 m×9.5 m(順橋向×橫橋向);雙立柱接蓋梁結(jié)構(gòu)，立柱尺寸為2.5 m×2 m(順橋向×橫橋向)，雙立柱凈間距4.5 m，蓋梁尺寸為2.7 m×23.5 m(順橋向×橫橋向);T16號(hào)～T17號(hào)墩上部結(jié)構(gòu)為跨徑45 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力小箱梁，每跨8片，梁高2.5 m;T17號(hào)墩下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為12根直徑1.0 m鉆孔灌注樁，主筋為20根Φ22HRB335鋼筋，樁長(zhǎng)61.7 m。

經(jīng)橋梁下部結(jié)構(gòu)計(jì)算得，機(jī)場(chǎng)路高架橋T17號(hào)墩單樁基礎(chǔ)水平承載力特征值Rha=207.8 kN，群樁基礎(chǔ)水平承載力特征值Rh=241.3 kN。

4 擋土墻截面設(shè)計(jì)

在鐵路路基工程中，通常設(shè)置擋土墻支承路堤填土防止土體變形失穩(wěn)。因此，為降低路基填土堆載和列車及軌道結(jié)構(gòu)荷載對(duì)機(jī)場(chǎng)路高架橋T17號(hào)墩的影響，在鄰近橋墩一側(cè)的鐵路路基采用懸臂擋墻收坡，承受側(cè)向土壓力，以保證橋梁基礎(chǔ)及墩臺(tái)的安全，如圖3所示。

圖3 鐵路路基斷面上設(shè)置擋土墻示意

假定鐵路路基填土表面水平，列車和軌道荷載換算為路基面上的均布標(biāo)準(zhǔn)荷載Pk=59.7 kPa，地基容許承載力取［σ］=180 kPa，填土的標(biāo)準(zhǔn)容重 γt=20 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ=40°，底板與地基摩擦系數(shù) f=0.35，由于采用鋼筋混凝土擋土墻，墻背豎直且光滑，可假定墻背與填土之間的摩擦角δ=0。

擋土墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻高低于6 m，選擇L形擋土墻。立臂高度設(shè)為3.8 m，立臂寬度為0.5 m;墻趾不凸出，即擋土墻設(shè)計(jì)斷面(立臂外側(cè))不侵入橋墩承臺(tái)范圍以內(nèi)，避免擋土墻對(duì)橋墩承臺(tái)產(chǎn)生影響;墻踵板寬度設(shè)為5.5 m，高度設(shè)為0.5 m;立臂與墻踵板倒角的豎向和橫向長(zhǎng)度均設(shè)為1 m，如圖4所示。設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，若不滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算條件，再相應(yīng)調(diào)整尺寸。

5 擋土墻基礎(chǔ)承載力及整體穩(wěn)定驗(yàn)算

本次設(shè)計(jì)考慮有地震作用的不利組合的擋土墻設(shè)計(jì)。地震條件下，不但要考慮由于地震力的影響使土壓力產(chǎn)生的變化，還應(yīng)考慮墻身自重產(chǎn)生的水平地震慣性力。

圖4 擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算(單位:mm)

在計(jì)算地震土壓力時(shí)，只考慮水平地震加速度的影響，采用靜力法進(jìn)行。與一般土壓力計(jì)算的不同之處在于多考慮了由破裂棱體自重所引起的水平地震力。破裂棱體重力與地震力之合力偏離鉛垂線的角度稱為地震角，按下式計(jì)算

η=arctan(Cz·kH)

式中 Cz——綜合影響因素，表示結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)與理論計(jì)算間的差異，取0.25;

kH——水平地震系數(shù)，基本烈度為7度時(shí)，kH=0.1。

假定在地震條件下填土的內(nèi)摩擦角φ=30°和墻背摩擦角δ=0°不變，可用下列各值

分別取代γ、φ、δ，直接采用一般庫(kù)侖土壓力公式計(jì)算地震土壓力

由此得到地震時(shí)的土壓力

水平分力

在墻身自重產(chǎn)生的水平地震慣性力時(shí)，由于一般結(jié)構(gòu)物在豎向有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，在多數(shù)情況下可忽略豎向地震力的影響，認(rèn)為結(jié)構(gòu)物的破壞主要是由于水平方向的地震力所引起。

根據(jù)程序計(jì)算所得參數(shù)進(jìn)行以下驗(yàn)算。

(1)地基承載力驗(yàn)算

由擋土墻底板兩邊緣點(diǎn)豎直壓應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得地基壓力

其中，σ1=179.72 kPa＜［σ］=180 kPa，滿足地基承載力穩(wěn)定條件。

由此也可反算出基底偏心距e0=0.25 m＜B/6=0.92 m(滿足)。

(2)抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算

穩(wěn)定力系對(duì)墻趾D點(diǎn)的總力矩

Mzk=2 107.16 kN·m/m

傾覆力系對(duì)墻趾D點(diǎn)的總力矩

(3)抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

豎向荷載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 擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擋土墻立臂與底板均采用C20混凝土和Ⅱ級(jí)鋼筋，fck=13.4 MPa，ftk=1.54 MPa，fy=300 MPa，Es=2×105MPa。

(1)立臂設(shè)計(jì)

考慮地震作用下的水平土壓力和墻身自重產(chǎn)生的水平地震慣性力，底截面設(shè)計(jì)彎矩

M=1.2Ex·Z'f+1.2 × 0.025Gi·xi

鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)容重γk=25 kN/m3，立臂自重力

則設(shè)計(jì)彎矩

標(biāo)準(zhǔn)彎矩

強(qiáng)度計(jì)算:取h0=500-20=480 mm，b=1 000 mm

根據(jù)力臂強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)選配φ22@250，滿足配筋要求。

(2)底板設(shè)計(jì)

底板最大彎矩位置位于墻踵板與立臂交界處C點(diǎn)附近

其標(biāo)準(zhǔn)彎矩Mk=249.21 kN·m/m

設(shè)計(jì)彎矩M=1.2Mk=299.05 kN·m/m

墻踵板強(qiáng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)底板強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)選配φ22 mm@250 mm，滿足配筋要求。

7 樁基水平承載力校核

依據(jù)設(shè)計(jì)的擋土墻及上述計(jì)算結(jié)果，作用在T17號(hào)橋墩承臺(tái)上的庫(kù)侖主動(dòng)土壓力水平分力為每延米81.74 kN。承臺(tái)橫橋向的長(zhǎng)度為9.5 m，故總土壓力合力E=Ea×9.5 m=776.53 kN。均分得到基樁頂處的水平力為Eik=776.53/12=64.71 kN。機(jī)場(chǎng)路高架橋T17號(hào)墩單樁基礎(chǔ)水平承載力特征值Rha=207.8 kN，群樁基礎(chǔ)水平承載力特征值Rh=241.3 kN，均大于Eik，滿足樁基水平承載力的要求。

8 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于鐵路路基鄰近既有橋梁墩臺(tái)及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于路基填土堆載和列車及軌道結(jié)構(gòu)荷載必然會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生一定影響，必須對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全問題進(jìn)行分析。本工程鐵路路基采用結(jié)構(gòu)輕型、占地少的懸臂式擋墻收坡處理，利用懸臂式擋墻承受水平力的特點(diǎn)，減小路基自身及上部荷載作用在橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的水平力，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，具有借鑒的價(jià)值。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

［2］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.