晉西北濕陷性黃土區鐵路橋梁樁基礎設計研究

鄭旺

摘 要：濕陷性黃土在一定壓力受到水浸時，自身土體結構遭遇嚴重損壞，從而產生顯著的下沉問題，基于這一情況地貌也容易出現縱橫的溝壑。在平縱橫布置橋梁過程中，這一情況直接影響了設計橋梁樁基的難易程度，從而威脅項目的安全性。本文通過分析晉西北濕陷性黃土區鐵路橋梁樁基礎設計，得到確保項目經濟性的最佳設計方案，為今后類似項目設計提供參考。

關鍵詞：晉西北；濕陷性黃土區；橋梁樁基礎設計

引言：

晉西北大部分地區都被黃土覆蓋，相應比例已經達到90%，濕陷性黃土在低溫環境中表現出較高的強度和較低的壓縮性，遇水則會明顯降低，并發生較大的變化。因此在這一地區上的建筑項目容易發生沉陷等事故，對該地區鐵路橋梁樁基礎設計研究具有一定的實際意義。

一、晉西北濕陷性黃土特點

（一）濕陷性

具體是指結構性較強的欠壓密土，水浸入黃土以后由于外部荷載或者是自重的影響出現下沉即為濕陷。這個現場屬于一個相對復雜的物理化學過程，較為公認的機理是水浸黃土之后，膠結物質表現出一系列反應，降低了結構強度。其中黃土內部形成的孔隙直徑比附近顆粒直徑大產生的架空結構就是濕陷條件，密切聯系著孔隙比、含水率等因素。加之大量存在的天然孔隙，也會相應提升含水率，發生更加明顯的濕陷性。

（二）判定標準

利用室內壓縮法對濕陷系數有效檢測，從而對這一特點客觀評價。結合相關標準，當系數≥0.015時，即可判斷其屬于濕陷性黃土，反之則不屬于。對濕陷量和自重濕陷量科學計算，可以得到相應類型，分別是輕微、中級、嚴重與很嚴重。

（三）濕陷性對樁基帶來的影響

可以根據重要程度、結構特點以及水浸濕以后造成的危害情況分析濕陷性黃土對橋梁樁基造成的影響。結果說明，當對其地基處置以后，結束操作后依然出現一定程度的不均勻沉降。若在整體設計中忽略甚至未全面思考這一地區特點，必將損壞樁端地基，使樁身缺乏穩定性，影響建筑物今后的正常應用[1]。

二、黃土濕陷與負摩阻力

（一）濕陷性黃土項目特點

1.敏感性

在濕度較低區域黃土濕陷表現出顯著的強度，同時壓縮性偏低。若與水結合則會出現明顯的變形，相應降低強度。目前，主要是從濕陷發生原理、影響因素和選擇指標等進行研究，并提供合理的評估方式，結合不同的評估指數，采取相應的施工手段。近些年來深入分析了敏感特點，從單一的增濕變化到間歇性的變形強度；基于各個方面的特點，更加精準地分析了這一特點。通過這部分研究，可以更加全面掌握項目建設中濕陷性黃土的特點[2]。因此，通過全面研究各類指標以后，總結出其集中表現為敏感性特點，并簡單分析這一土地的整體特點。

2.沉降性

實際操作中，由于豎向對單樁造成的負荷，樁體表現出的壓縮變形也十分顯著。而樁底部產生的土質由于施加較強應力而改變，對應土地也會產生變化，這些變化出現極強的沉降特點。這樣的沉降現象，主要取決于樁身長度、相對的壓縮特點、負荷形成時間等。

（二）計算負摩阻力

由于鐵路橋梁建筑物對沉降要求較高，在晉西北濕陷性黃土地區設計樁基礎，關鍵是直接穿過濕陷性土層向非濕陷性土層擴展。在黃土與軟土地基之間形成了樁基礎，若出現土壤濕陷或者是固結問題，地基必將對樁身產生下沉影響，這也是對樁身有效下拉的力量，此時需要對樁側土形成的負摩阻力整體分析[3]。怎樣對這一數值有效明確，需要十分復雜的分析，初步利用相關公式或現場試驗開展計算。結合軟弱黏土層中樁軸負摩擦力進行計算：

其中，f代表阻力強度，qu代表該土層的抗壓強度，Kn代表壓力系數，Υ代表平均摩擦力，h代表壓縮層厚度，φ代表內摩擦角度。

三、實際設計分析

晉西北地區的鐵路橋梁項目由于需要貫穿黃土區域，出現很多濕陷黃土類型。為了保證統一性設計，整理所在區域的設計數據，需要全面考慮黃土不同類型的參考數值。結合項目所在地區的地質特點，結合有關參數，根據鐵路實際運營情況，可以有效控制橋梁樁基礎沉降，保證獲得安全的結構。

由于橋墩受力相對單一，水平方向壓力不大，樁身配筋與樁長不會影響到設計方案。以橋臺作為分析對象，對比兩種自由樁長確定方案的計算結果。

基礎設計6根樁，采取1.25m樁徑[4]。根據行列安排樁基，其中縱橫向樁距為3.5m。承臺橫縱向分別是9.3m和5.8m，厚2.5m。

方案一：黃土層中的自由樁選擇最外側到達邊坡穩定線超過6m的水平距離。明確自由樁長度是3.39m，樁身長度是39m，配筋面積111.54cm2。

方案二：根據計算彈性附著力標準做出以下設計：將起點設計在坡腳，繪制邊坡穩定線，將承臺底線和前排樁之間的交叉點作為嵌固樁基點，經過這一點產生的水平線即是固著樁基礎的線。密切圍繞嵌固點將水平線順時針旋轉，之后相交邊坡穩定線于一點，經過這一點繪制平行于承臺底端的線。結合計算公式，對自由樁長度明確即4.26m，樁身長度是40m，鋼筋面135.98cm2。

通過本次設計了解到，針對相同類型的土質，在保證邊坡線穩定的情況下，方案一是結合運營多年積累的經驗確定的自由樁長度。方案二確定承臺底部至水平線距離為自由樁長度。

結合多次設計可知，兩種不同方案的自由樁長都出現過較大問題。由于這項工程規模較大，通常設計時考慮采取一種方案明確自由樁長，采取另一種方案對其進行檢驗，一定程度保證了樁長與配筋。

在情況相對特殊時，結合以上分析對自由樁長度計算明確以后，配筋和樁頂位移相對較大不能順利通過時，可以把重力擋土墻設計在臺前，進一步提高土地的可靠性。并且從擋墻頂部計算邊坡線，有效縮短自由樁長度，這樣的解決方式的有效率較高。

四、結束語

濕陷性黃土層容易損壞樁端地基，引起樁身穩定性不足問題，也容易造成橋墩的不均勻沉降現象，一定程度威脅了使用的安全性。因此，在設計過程中，需要科學布置平、立面，進一步確保橋梁項目的安全性。此外，還要對參數有效規范，最大程度提升經濟水平。

參考文獻：

[1]馮忠居，馮瑞玲，趙占廠.黃土濕陷性對橋梁樁基承載力的影響[J].交通運輸工程學報，2015（9）：23-24.

[2]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，2015（3）：89-90.

[3]代云山.淺析山區鐵路橋梁墩臺開挖邊坡支擋結構的優化設計[J].科學之友，2016（2）：12.

[4]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，2016（3）：112.