黃土地區高速鐵路橋梁設計

種博肖

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

黃土地區高速鐵路橋梁設計

種博肖

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

中衛至蘭州客運專線沿線多為黃土地區，地形起伏較大，地質條件復雜，在黃土深溝陡坡上進行橋梁設計是本線的一大難題。文章結合中蘭客運專線的地形地質特征，重點從橋梁布設原則、墩臺刷方邊坡穩定性、樁基自由樁長的確定及橋臺設置等方面，對本線黃土深溝陡坡地段橋梁設計進行了深入闡述。針對濕陷性黃土的工程地質特性，分別對非自重濕陷性黃土和自重濕陷性黃土提出了樁基負摩阻力的取值范圍，研究了樁側負摩阻力的計算深度和m值的計算原則，修正了現行《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》對濕陷性黃土地區基礎沉降的計算方法，并簡要介紹了黃土地區橋梁基礎施工的注意事項和應采取的相關工程措施，為類似地區橋梁工程的設計與施工提供了實用經驗。

中蘭客運專線； 黃土深溝陡坡； 濕陷性黃土； 負摩阻力

1 概述

中衛至蘭州客運專線是京蘭客專的重要組成部分，是我國“一帶一路”戰略發展核心區域的重要交通基礎實施。該線位于寧夏回族自治區和甘肅省境內，線路北起寧夏回族自治區中衛市，向南經白銀市及蘭州市，引入蘭州站，途經平川區、靖遠縣和皋蘭縣。線路全長224.7 km，共有特大、大中橋梁91座，橋梁總長84.2 km，占線路長度的37.5%。其中黃土地區橋梁的分布段落長度約69 km，占該線橋梁長度的82%。

1.1 地形地貌

沿線黃土分布廣泛，大部分段落黃土層較厚，地形起伏較大，經過地貌單元有黃河河谷階地區、山前及山間沖洪積傾斜平原區、低中山區、黃土梁峁區及寬谷區。

1.2 工程地質特點

沿線黃土主要由第四系全新統沖洪積、風洪積砂質黃土和上更新統風積、沖洪積砂質黃土組成，多為Ⅱ級(中等)～Ⅳ級(很嚴重)自重濕陷性場地，濕陷土層厚度為10～35 m，局部黃土梁峁區濕陷土層厚度可達35～50 m，為Ⅳ級(很嚴重)自重濕陷性場地。

全線范圍內地震動峰值加速度為0.15 g～0.3 g，地震烈度Ⅶ～Ⅷ，71%橋梁位于八度區。

1.3 主要技術標準

(1)鐵路等級：高速鐵路；

(2)正線數目：雙線；

(3)線間距：4.6 m；

(4)設計速度：250 km/h；

(5)軌道結構形式：有砟軌道；

(6)設計活載：ZK活載。

2 黃土深溝陡坡地段橋梁設計

2.1 橋梁布設原則

相對平原、微丘地區，黃土深溝陡坡地區鐵路橋梁設計控制因素較多，本著盡量避免刷方過大、擾動自然土體塬面穩定的原則，一般選擇在黃土塬、寬谷階地、平緩斜坡及比較穩定的溝谷地帶設橋。此外，為保證陡坡上橋墩、橋臺安全，盡量一跨或加大跨徑跨越陡坡，不擾動陡坡。不得已在陡坡上布設墩臺時，需對橋梁墩臺安全、施工平臺、邊坡穩定性等做綜合分析評定。

2.2 墩臺刷方邊坡穩定性

墩臺刷方邊坡的穩定性與坡型、坡率和坡高等因素有關。臺階型邊坡是黃土邊坡最適宜的坡型，具有穩定性高，施工方便，排水有利的特點。邊坡的坡率與坡高有密切的關系，坡率越小，工程量越大，投資增加；反之，坡率過大，邊坡的穩定性則無法保證。因此，在坡高一定的前提下，選擇合理坡率是保證邊坡穩定可行、經濟的關鍵。

本線黃土的孔隙率偏大，黃土顆粒之間的膠結主要靠碳酸鈣和易溶鹽。墩臺基礎施工開挖后的黃土邊坡在長期降雨和連陰雨季節，雨水沿垂直裂隙下滲，裂隙在動水沖蝕作用下，邊坡易產生局部破壞，甚至失穩，影響邊坡附近橋梁墩臺安全，因此需對黃土地區刷方邊坡進行防護處理。當沖溝較深、同一面坡上有2個及以上墩臺時，整個坡面防護應做統一考慮。黃土邊坡采取“加固坡腳、加強坡面防護和排水”的綜合防護措施。

結合本線地質情況，同時借鑒太中(銀)線、鄭西客專、寶蘭客專設計經驗，對本線山區黃土地層墩臺刷坡坡率按1∶1設計，每8 m一級，分級處設不小于2.5 m寬平臺，并于平臺上設置0.4 m×0.4 m平臺截水溝。一般情況下，刷方后坡腳設M10漿砌片石基礎，高1.5 m，寬0.5 m；坡面鋪砌M10漿砌片石厚35 cm，下設10 cm厚碎石墊層，碎石墊層下設復合土工膜防水。

2.3 自由樁長的確定

陡坡上的墩臺樁基頂部一定范圍內樁身側面受相鄰墩臺的刷坡影響，樁側土體難以提供足夠的土抗力及有效的摩阻力，樁基礎在外力作用下，樁身發生側移或旋轉，當樁對側面土產生的水平壓力大于土對樁的被動土壓力與主動土壓力之差時(不考慮樁與土之間的黏著力和摩擦力)，土體將發生剪切破壞。

本線廣泛分布性質較差的Q3、Q4黃土，一般情況下，Q3黃土的穩定邊坡角為35°，Q4黃土為30°。受相鄰墩臺的地面高差、刷方影響，需要選取合適的承臺埋深。承臺底至黃土穩定邊坡線與樁基近陡坎側樁身交叉處按自由樁長計算。

陡坡上的墩臺自由樁長除按上述方法確定外，還應結合以往設計經驗，按近陡坎側樁身至刷坡線的水平距離進行雙控，取更不利者進行基礎計算。Q3黃土一般取值8 m，Q4黃土取值10 m。設計時應注意陡坡引起的自由樁長不與濕陷性黃土對基礎的影響相疊加。

2.4 陡坡上的橋臺設置

本線橋梁橋位受線路控制，部分橋臺位于陡坡上。沿線黃土質地松軟，具大孔性，植物根系、垂直節理發育，加之坡度較陡，易崩塌。為保證橋臺的安全與穩定，橋長采取寧長勿短的原則。橋梁布設孔跨時，臺前距離刷方處理后的陡坡邊緣一般不小于8 m。

根據臺前陡坡的實際情況，加測輔助縱斷面和橫斷面，結合地質情況，對基礎埋深以及邊坡防護作出合理的設計。一般情況下，順橋向保證臺前至刷方后的陡坡邊緣不小于8 m，且從錐體坡腳一直鋪砌至溝底，如圖1所示；橫橋向從左線線路中心左側10 m處鋪砌至右線線路中心右側10 m處，橫向總寬約25 m。

圖1 臺前陡坎刷方、鋪砌立面示意圖(cm)

3 濕陷性黃土地區橋梁基礎設計

一般情況下，樁基受到的是正摩擦力作用，當樁周土由于自重固結、自重濕陷等原因產生的沉降大于樁身的沉降時，濕陷性黃土會對樁基產生一定的負摩阻力。樁的負摩阻力相當于在樁頂荷載之外，又附加了土對樁側壁施加的下拉面荷載。濕陷性黃土中樁基的下拉面荷載數值極為可觀，若未能合理考慮該荷載，對于摩擦樁，上部結構就會產生較大的沉降或不均勻沉降；對于端承樁，會造成樁身或樁端地基破壞。

3.1 樁基礎負摩阻力的取值

樁的負摩阻力的大小與樁周土的性質有關，樁與樁周土共同作用是個比較復雜的問題，現有的關于樁基負摩阻力的計算方法很多，有理論算法和經驗估算法，但都沒有考慮土體應力應變的非線性，具有一定的局限性。樁側負摩阻力最好通過現場浸水試驗確定，但一般情況下不容易做到。

在黃土地區，首先應根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》對黃土的濕陷性按濕陷系數δs進行判定，區分出非濕陷性(δs<0.015)和濕陷性黃土(δs≥0.015)，同時根據自重濕陷量△zs的實測值或計算值來判定濕陷類型，區別非自重(△zs≤7 cm)與自重濕陷性黃土場地(△zs>7 cm)。現行鐵路規范中并未對非自重與自重濕陷性黃土摩阻力的計算進行明確的闡述。濕陷性黃土地區樁基礎一般按下列原則進行設計。

(1)濕陷性黃土地區的樁基礎，樁基必須穿透濕陷性黃土層。在非自重濕陷性黃土場地，將樁底置于壓縮性較低的非濕陷性黃土層中；在自重濕陷性黃土場地，將樁底置于穩定可靠的巖(或土)層中。

(2)在非自重濕陷性黃土場地，當其自重濕陷量計算值△zs≥50 mm時，樁側摩阻力取零，當其自重濕陷量計算值△zs<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)。

(3)在自重濕陷性黃土場地，Ⅰ、Ⅱ級自重濕陷性摩阻力取-10 kPa，Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性摩阻力取-15kPa。

(4)計算時注意地震力工況下不計黃土的濕陷性。

3.2 樁側負摩阻力計算深度

一般而言，樁側負摩阻力并不一定發生于整個濕陷性黃土層中。樁身產生負摩阻力的深度，是樁側土層對樁產生相對下沉的范圍，它與樁側土層的壓縮、樁身壓縮以及樁尖下沉等因素有關。負摩阻力沿樁側的分布形態：在樁頂處負摩阻力為零，隨著樁體深度的增大，負摩阻力也逐漸增大，直到負摩阻力最大值后開始減小，最后在中性點位置處變為零。中性點是由負摩阻力過渡到正摩阻力時摩阻力為零的斷面，也是樁土相對位移為零的斷面。因此，負摩阻力的深度也就是中性點的深度，如圖2所示。影響中性點深度的因素較多，主要與樁底持力層強度和剛度、樁周土層的變形性質、樁的截面剛度有關。

圖2 中性點深度

中性點深度應按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件計算確定，也可根據經驗數據確定，《建筑樁基技術規范》中給出了中性點深度比見表1。

表1 中性點深度比Ln/L0

根據《建筑樁基技術規范》中性點深度比計算的樁側負摩阻力值與鄭西客專試驗結果較接近，但考慮到鄭西客專試驗結果是在完全飽和的狀態下測得的，實際上是不可能達到這種狀態的，再加上橋址范圍內各種防排水措施，有效的降低了濕陷性黃土的負摩阻力影響，因此本線濕陷性黃土地區橋梁的樁側負摩阻力的計算深度較《建筑樁基技術規范》中性點深度有所減小，具體見表2。

表2 樁側負摩阻力的計算深度

注：土層自承臺底起算。

3.3 濕陷性黃土地基比例系數的確定

現行的鐵路橋規中對濕陷性黃土m值的取值范圍并未明確闡述，僅對m值的計算做了簡要的說明。由于樁的水平荷載與位移關系是非線性的，即m值隨荷載與位移的增大而減小，所以，m值的確定要與樁的實際荷載相適應。對于橋梁結構，在地面處的最大位移不超過6 mm，主要考慮若地面處的水平位移大于6 mm，墩臺頂的位移就很難滿足規范要求。

m值宜通過單樁水平靜載試驗確定，若無試驗數據時，可參照《建筑樁基技術規范》取值，即飽和狀態下濕陷性黃土m值取值范圍在2 500～6 000 kPa/m2之間，一般非自重濕陷性土層取6 000 kPa/m2，Ⅰ、Ⅱ級自重濕陷性土層取4 500 kPa/m2，Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性土層取2 500 kPa/m2。

3.4 樁基沉降的計算

濕陷性黃土地基中的橋梁樁基除了滿足承載力和穩定性的要求外，還需滿足樁基沉降量的要求。中蘭客專墩臺基礎的工后最大允許沉降量：墩臺均勻沉降量30 mm，相鄰墩臺沉降量之差15 mm。

一般地區的樁基礎沉降主要受控于樁底下部土體的變形特征和荷載的大小及作用方式，影響最大是樁底下部土體的變形特征。濕陷性黃土地區橋梁樁基除具有一般地區樁基礎沉降特點外，還應考慮樁底下部土體在負摩擦力作用下的變形。負摩阻力相當于在樁上施加了附加的下拉荷載，可導致樁發生過量的沉降。

現行的鐵路橋規中僅給出了一般地區地基基礎的沉降計算方法，基礎為樁基時，將樁基作為實體基礎進行沉降計算，荷載按恒載計算，實體基礎的支承面積通過樁基所穿過土層的加權平均內摩擦角和樁位于土中的深度計算確定。由于黃土濕陷性的存在，若采用現行鐵路橋規對其進行沉降計算，具有一定的局限性，因此，對濕陷性黃土區的樁基進行沉降計算時，應對其進行部分修正：(1)恒載中應計入樁基的負摩阻力；(2)實體基礎支承面積應力擴散的起始點應以正負摩阻力的過渡點即中性點的位置算起。

3.5 樁基礎施工

濕陷性黃土遇水浸濕時，土的強度顯著降低，在土的自重壓力和附加壓力作用下容易引起的濕陷變形，對建筑物的危害性很大。因此，在濕陷性黃土場地，對橋梁基礎及附屬工程進行施工時，應采取防水措施防止施工用水和場地雨水流入橋梁地基引起濕陷。

樁基施工時，可根據樁徑、橋址地理環境、濕陷性黃土的厚度及施工單位設備配置等因素，經綜合分析比較后，分別選用旋挖成樁、泥漿護壁鉆孔成樁等成樁工藝。

承臺施工時，應對承臺底面土層作夯實處理，即欠挖10～15 cm土層，夯實至設計高程。承臺筑出地面后，基坑應及時用原狀土分層夯實回填高出原地面0.3 m，并做好排水坡避免橋墩地表積水。

基礎施工完成后，應對橋址處施工場地進行平整，作好天然水流的導流措施，確保基坑附近不積水，避免地基塌陷。

4 結束語

本文結合已建和在建黃土地區鐵路的橋梁設計經驗，論述了黃土深溝陡坡、濕陷性黃土地區橋梁設計的關鍵技術，提出了陡坡地區橋梁邊坡的合理刷方防護措施及樁基自由樁長的計算方法，指出了陡坡橋臺的設置方案。針對黃土的地質特性，明確了濕陷性黃土的摩阻力取值大小及計算深度，修正了鐵路規范對濕陷性黃土沉降的計算方法。本文提出了黃土地區施工中應采取的相關工程措施，為類似黃土地區橋梁建設提供了一定的參考。但由于黃土地質特征的復雜性，還有很多值得深入研究的內容，需要在今后設計施工過程中逐步予以完善。

[1] TB 10002.5-2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S]. TB 10002.5-2005 Code for Design on Subsoil and Foundation of Railway Bridge and Culvert[S].

[2] GB 50025-2004 濕陷性黃土地區建筑規范[S]. GB 50025-2004 Code for Building Construction in Collapsible Loess Regions[S].

[3] JGJ94-2008 建筑樁基技術規范[S]. JGJ94-2008 Technical Code for Building Pile Foundations[S].

[4] 鐵道第三勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊.橋涵地基和基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2002. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation. Technical Manual for Railway Engineering Design-subsoil and Foundation of Bridge and Culvert [M]. Beijing: China Railway Publishing House，2002.

[5] 徐健強.黃土陡坡橋梁樁基礎設計[J].鐵道標準設計，2011，17(9)：40-42. XU Jianqiang. Design of Bridge Pile Foundation on Steep Loess Slopes[J].Railway Standard Design，2011,17(9)：40-42.

[6] 王勝.濕陷性黃土地區客運專線橋梁設計的探討[J].鐵道工程學報，2004，(S1)：113-114. WANG Sheng. Exploration on Design of Bridge on Passenger Dedicated Line in Collapsible Loess Zone [J]. Journal of Railway Engineering Society，2004(S1)：113-114.

[7] 方根男.樁基設計中樁側土的負摩阻力問題[J].鐵道標準設計，2006，22(3)：63-65. FANG Gennan. Issues on Friction of Soil around the Pile in the Designing of the Pile Foundation [J].Railway Standard Design，2006，22(3)：63-65.

[8] 白琦成. 鄭西線濕陷性黃土地區橋梁基樁負摩阻力計算探討[J].鐵道技術監督，2009，37(3)：28-31. BAI Qicheng. Discussion on the Computation of Negative Frictions of Bridge Pile Foundation in Collapsible Loess Area Along Zhengzhou-Xi’an Passenger Dedicated Railway [J].Railway Quality Control，2009，37(3)：28-31.

Design of High Speed Railway Bridges in Loess Area

CHONG Boxiao

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600 China)

Along Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line, it is covered with loess areas, which is accompanied with big topographic relief and complicated geological conditions, so bridge design on the loess ditch slope is a big problem to this line. By analyzing the characteristics of bridge design on the loess deep groove of steep slope area, combining with the landform features of Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line, this thesis gives a deep exposition of the bridge design of the on loess ditch slope area. It is focused on the setting of bridge, the stability of brush abutment slope, the free pile length and the set of abutment, etc. According to the engineering geological characteristics of collapsible loess, respectively to self weight collapse and non-weight collapse, the value scope of negative skin friction resistance of pile foundation has been put forward, the calculation of negative skin friction and the principle of M value calculation are studied in depth, and the current foundation settlement computing method of specification of railway bridges in collapsible loess area has been corrected. This paper briefly introduces the attention and measures of pile foundation in construction. The conclusion provides reference for engineering design and construction of bridge in similar areas.

Zhongwei-Lanzhou Passenger Dedicated Line; Loess ditch slope; Collapsible loess; Negative skin friction

2016-01-21

種博肖(1982-)，男，工程師。

1674—8247(2016)02—0042—04

U442.5+9

A