高速鐵路橋梁鉆孔樁基礎設計

姬偉力

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

在高速鐵路橋梁設計中，廣泛采用鉆孔樁基礎。鐵路橋梁樁基礎設計方法與步驟一般是先根據所收集的必要設計資料，如地質報告、鉆孔巖心鑒定表、土工試驗報告、液化試驗報告、地震動反應譜分析結果、現場平面圖、所跨越障礙物的實測數據、所跨河流的水文資料等;然后基于上述材料，迅速理清準確的設計理念，依據規范的有關要求，選擇樁基類型、樁根數、樁的布置形式、承臺尺寸等;之后進行樁基礎長度的計算，檢算主力、主力+附加力、主力+特載等多種工況下樁端應力的設計數據，確保達成樁身、承臺的強度及穩定性等工程指標、契合規范規定的各項設計要求［5］。

1 鐵路橋梁樁基礎設計要點

1.1 柱樁與摩擦樁的選擇

鐵路橋梁樁基礎中的常用類型有摩擦樁(圖1)及柱樁(嵌巖樁)(圖2)兩種［3］。柱樁與摩擦樁的選擇主要根據地質和受力情況確定，柱樁容許承載力高，沉降量小，安全可靠。當基巖面較淺時，首選柱樁基礎，樁長較短、承載力富余值高、圬工量小。根據以往高速鐵路設計及施工經驗，柱樁最小樁長可根據不同樁徑、不同巖層承載力依據計算確定，原則上6～8 m為宜;當巖層基本承載力過高，施工時爆破難度較大時，嵌巖深度不宜過深，以2倍設計樁徑左右為宜。

圖2 柱樁

當基本承載力較高的新鮮巖面埋置較深時，則可采用摩擦樁，但在同一個墩臺的樁基礎中不宜同時采用柱樁和摩擦樁，混凝土禁止采用不同強度等級，樁身直徑不宜相差過大，下穿溶洞時，各樁樁身長度不宜相差過大，以避免整個基礎產生不均勻沉降，導致歪斜、失穩，進而造成永久性病害及安全隱患，嚴重威脅正常運營。

選擇樁基礎類型時應依據地質報告及橋址處鉆孔巖心鑒定表對墩臺位置處的地質條件進行準確的判斷，大致確定用摩擦樁還是柱樁。

鑒于個別基礎底部巖層屬于強風化層，按摩擦樁設計的安全性要明顯優于柱樁，故大致確定樁型后還應準確判定樁底持力層為土質還是巖層，若為巖層還應按照巖層有無風化、風化等級、軟硬程度、巖石軸心抗壓強度數值等，最終選擇出采用摩擦樁還是柱樁(嵌巖樁)。

1.2 樁長的擬定和單樁容許承載力的確定

設計過程中，建議設計人員首選將樁底置于巖層或承載力較高的土層中，如新鮮巖面、粗砂、圓礫土、卵石土、漂石土等，充分利用其基本承載力較大、工后沉降量較小、可控的優勢。如在施工設備、工藝所能達到的容許深度內沒有堅實土層存在，應盡可能選擇無濕陷性、無膨脹性、基本承載力較高的土層作為持力層，同時要注意避免把樁底置于軟土層內或離軟弱下臥層的距離過近的土層內，以免樁基礎產生過大的工后沉降，引起基礎失穩，威脅行車安全［2］，在高速鐵路設計過程中要尤其注意。

針對摩擦樁，樁底持力層可有多種選擇，此時樁長與樁根數的擬定乃相輔相成的關系，遇到這種情況可通過試算并遵循技術可行性、經濟性等指標進行反復比較，選用較為合理的樁長。但應注意試算過程中摩擦樁的樁長不應擬定的太短，因為樁長過短將達不到把荷載傳遞到地基土深層、減小工后沉降的目的，否則必然使樁基礎根數大幅增加，提高施工難度、造成不必要的浪費。

此外，為保證充分發揮摩擦樁樁底土層基本承載力的天然優勢，樁端必須伸入持力層一定深度，一般不宜小于1倍設計樁徑。

以鐵路橋梁基礎樁徑1 m的樁基為例，樁根數為4根，樁長30 m，計算得出的樁身混凝土總量為

V=π×0.52×30×4=94.3 m3(此時為承載力控制)

因此在樁長不變的前提下應增加樁根數，假設當加至6根樁時，樁長縮短了2.5 m，樁身混凝土總量為

V=π×0.52×27.5×6=129.6 m3(承載力及經濟指標基本兼顧)

此時若僅考慮樁端承載力因素，再將樁根數加至8根，單樁承載力3 300 kPa，樁長縮短1.5 m，樁身混凝土總量為

V=π×0.52×26×8=163.4 m3(不經濟)

1.3 承臺的合理埋置深度

鐵路橋梁承臺高度主要采用2、2.5 m兩種，當應用于時速大于300 km的高速鐵路或地質較為復雜、樁根數較多、基礎剛性角不滿足的情況下，可酌情將基礎加高0.5～1 m。通常情況下承臺頂面應置于地面下0.5 m左右，受墩高為0.5 m整倍數的影響，承臺頂面距地面深度常常在0.3～0.7 m波動。

當承臺埋置于凍脹土層中時，為了避免由于土的凍脹引起樁基礎的損壞，承臺底面應埋置于土壤最大凍結深度線以下不小于0.25 m。

遇到流水局部沖刷過深、或施工防排水設施設置難度較大、地面橫向坡度過于陡峭且地表土均為黏性土時，在滿足受力的前提下，可以采用高樁承臺，將承臺頂面露出地表一定高度［4］;而在有流冰的河道中，承臺底面埋置于最低冰層面以下不應小于0.25 m;在有其他漂流物或通航的河道中，考慮到水流對樁基的日常沖刷作用，一定長度的樁基會出露(該部分定義為自由樁長，且不計摩阻力)，此時承臺也應適當深埋，以保證樁基不會受到直接的沖撞而毀壞，當技術條件不滿足時，可在橋墩迎水面設置防撞擊裝置(如破冰棱)。

當作用在樁頂的水平力及彎矩較大(如雙線墩臺、單線架梁及行車時)，或樁周土層極限摩阻力過低時(如濕陷性黃土、膨脹巖土等不良地質)，為減少樁身所受的彎矩及剪力，可將承臺埋深適當加大。

2 高速鐵路橋梁樁基礎設計

以寶雞至蘭州客運專線為例，具體說明針對高速鐵路橋梁樁基礎設計的參數選取和技術要求。

2.1 基本構造要求

一般簡支梁墩臺樁基礎在地震動峰值加速度Ag≤0.15g地區優先采用φ1.0 m樁徑(樁根數不超過10根);地震動峰值加速度Ag≥0.2g地區優先采用φ1.25 m樁徑。位于有可能產生漂石磨蝕、流冰磨蝕及泥石流的河流中的橋墩樁基礎，其樁徑不宜小于φ1.25 m。其他大跨、高墩、特殊結構及地基較差的工點，根據計算確定樁徑，樁徑應適當增大。

柱樁和挖孔樁樁徑一般不宜小于1.25 m。樁基基本尺寸的規定見表1。

表1 樁基基本尺寸的規定［1］ cm

以上對寶蘭客運專線橋梁樁基礎的構造按結構類型、地形條件給出了大致的框架。

2.2 承載力控制要素

(1)主力作用下單樁承載力不宜大于以下限值。摩擦樁(含特殊結構樁):

樁徑 φ1.0 m:≤4 000 kN 樁 徑 φ1.25 m:≤6 000 kN;

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

柱樁:其承載力限值按照樁底混凝土最大壓應力不超過6 MPa控制設計。

計算單樁容許承載力時，樁底面積按設計樁徑計算，摩擦樁樁周摩阻周長均按設計樁徑+5 cm計算。

對于一般橋梁，在困難條件下原則上可超過以上限值10%以內。

(2)在主力+特殊荷載(地震力除外)作用下，摩擦樁單樁容許承載力可在上述限值基礎上提高20%～40%，柱樁單樁容許承載力可在上述限值基礎上提高40%;主力+地震力作用下按《鐵路工程抗震設計規范(2009 年版)》(GB50111—2006)辦理［1］。

(3)摩擦樁單樁承載力富余值控制在5% ～10%，柱樁控制在5%左右。主力加特殊荷載及主力加地震力作用下控制樁長時，單樁承載力富余值控制在2%左右。

(4)計算柱樁單樁承載力時，巖石極限抗壓強度采用地質所提資料，若地質資料中無巖石極限抗壓強度時，參照表2確定。

表2 樁基計算相關巖石設計參數取值

(5)一般土層的樁周極限摩阻力fi根據土的性質狀態，按《橋涵基礎設計規范》6.2.2條規定并結合設計經驗取用。

3 不良地質區樁基礎設計

寶蘭客運專線線路走行處，濕陷性黃土、黃土沖溝大面積存在。因此，樁基礎的設計還必須針對這些情況予以必要的考慮。

3.1 濕陷性黃土地區

位于各級濕陷性黃土地區的橋梁，樁基應穿透濕陷性黃土層，將樁底置于穩定可靠的非濕陷性土層中。

濕陷性黃土地段樁基礎的負摩阻力暫按《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025—2004)取值。Ⅱ級自重濕陷性負摩阻力取－10 kPa，Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性負摩阻力取－15 kPa，負摩阻力計算范圍按地質報告提供的濕陷土層厚度的80%計;主力+地震力作用下不計黃土濕陷性(樁側摩阻力取零)。

對于非自重濕陷性黃土，當其自重濕陷量計算值Δzs≥50 mm時，樁側摩阻力取零，當其自重濕陷量計算值Δzs＜50 mm時，樁側摩阻力取該濕陷性土層飽和狀態下的正摩阻力(8～15 kPa)。

濕陷性土層范圍地基土水平抗力系數的比例系數m按飽和狀態下濕陷性黃土取值，范圍在2 500～6 000 kPa/m2，一般硬塑非自重濕陷土層取6 000 kPa/m2，硬塑Ⅱ級自重濕陷土層取4 500 kPa/m2，硬塑Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷土層取2 500 kPa/m2。

3.2 黃土沖溝地區

Q4黃土因穩定邊坡線以上的土體欠穩定，為避免承臺承受過大的側向土壓力，樁基礎設計時一般將承臺靠山側置于穩定邊坡線以下。如果基礎埋置過深或刷方量過大，也可以將承臺提高，此時樁基計算應考慮自由樁長。同時，為減少土方工程，在承臺施工時垂直開挖為宜，如圖3所示。

圖3 Q4黃土邊坡埋深示意

Q3、Q2黃土土質較好，為減少土方數量，提高承臺的埋深。如圖4所示，從溝底最低點作穩定邊坡線EF交基礎于F，由F做垂線交自然邊坡于G點，以F為圓心，FG為半徑，作圓弧交基礎于A點即承臺頂面。同時基礎頂面至自然邊坡的距離應大于5 m，并不小于基礎寬度。對于Q3黃土穩定邊坡線上的土體不計摩阻力及土抗力，對于Q2黃土穩定邊坡線上的土體摩阻力及土抗力取正常值的一半。

圖4 Q3、Q2黃土邊坡埋深示意

黃土穩定邊坡角如工點地質資料未提供，Q3、Q2黃土按照35°取值，Q4黃土按照30°取值。

4 結語

本文提供了寶雞至蘭州客運專線橋梁樁基礎設計的參數選取和技術要求，這些具體規定為寶蘭客運專線橋梁設計的順利完成提供了技術保障，對于其他西北地區客運專線的設計也有一定的借鑒意義。

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［2］鐵道部第三勘測設計院.鐵路工程技術手冊·橋梁設計通用資料［M］.北京:中國鐵道出版社，1993.

［3］鐵道部第三勘測設計院.鐵路工程技術手冊·橋梁地基和基礎［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

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