印尼雅萬高鐵橋梁樁基礎優化研究

王小兵, 陳 航, 陳 龍

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,四川成都 610031;2.成都華豐工程勘察設計有限公司,四川成都 610031)

橋梁作為高鐵系統中的重要組成部分，通常占有較大的比重，關于高烈度地震區的橋梁樁基礎設計研究，陳令坤[1]等研究了豎向地震效應對鐵路橋梁地震響應的影響，分析豎向地震對橋梁的彈塑性地震響應的影響，發現了豎向地震在頻譜上影響橋梁地震響應；馬亢[2]等基于離心機地震模型試驗和ABAQUS計算分析，得到高承臺樁基形式與低承臺比較彎矩更大，彎矩有效深度也更深；王青橋[3]、劉惠珊[4]、樓夢麟[5]、劉立平[6]等分析了橋梁樁基體系下的地震響應和震害特點，為樁基抗震設計措施提供建議和參考。

本文以雅萬高鐵為工程實例，考慮地質情況、地震動參數、荷載類型、梁型選擇及橋墩設計等邊界條件對樁基基礎設計的影響，研究了脈爪哇島地質下樁基基礎的單樁承載力、墩頂位移、線剛度、上拔力等計算結果，通過對比分析得到了最優樁基配筋方案，既能保證結構安全，又有較好的經濟性，便于高烈度地震區橋梁工程的應用。

1 項目概況

1.1 線路走向

雅萬高速鐵路連接印尼首都雅加達和西爪哇省省會萬隆，遠期作為雅加達至泗水高速鐵路的一部分，其中Halim-TegalLuar 段線路正線長度 142.2 km，橋梁長度 76.79 km,占比54 %。

圖1 雅萬高鐵地理位置示意

1.2 地形地貌

本區域處于亞歐板塊、太平洋板塊和印度洋板塊三大板塊的交匯處。爪哇島歸屬于亞洲大陸的巽他大陸架，是巽他大陸板塊的最南部的前緣，地質情況復雜，其鄰接構造活躍地區，特點是由俯沖作用造成的地震和火山作用頻繁。

由雅加達至萬隆，地勢逐漸增高，線路所經地貌有沖積、沖洪積平原、剝蝕殘丘緩坡、丘陵、低山及山間盆地。

1.3 工程地質條件

根據萬隆大學(ITB)提交的地震安評資料、結合中國規范GB 50111-2006 2009年版《鐵路工程抗震設計規范》中的相關規定：沿線地表基本地震動(相應于50 a超越概率為10 %的地震動)峰值加速度值為：0.25g～0.36g。

線路經過地區均屬高烈度地震區，在平原區的粉、細、中砂和粉土地層中，地下水位較高，局部地層呈松散飽和狀態，為地震可液化層。設計時根據液化層的分布采取適當的抗震措施，同時施工時減少對可液化層的擾動。

2 工點概況

2.1 工點概況

DK1353特大橋249號橋墩，里程：DK138+998.82。樁基采用9根1.25 m，樁長94 m；梁部采用簡支箱梁，橋墩采用圓端形實體墩，支座采用減隔震支座，地震動峰值加速度值為0.30g，總布置圖如圖2所示。

圖2 DK1353特大橋249號墩 總體布置

2.2 地質情況

根據地質報告和TB10093-2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》得到巖土物理力學指標推薦值見表1。

2.3 樁頂外力

根據橋涵結構設計對荷載按最不利組合情況進行組合計算，樁頂計算外力見表2。

3 高烈度地震區橋梁樁基礎優化設計

3.1 概況

根據雅萬高鐵地質情況、地震動參數、荷載類型、梁型選擇及橋墩設計等條件對高烈度地震區段橋梁樁基礎鋼筋進行了設計。樁豎向共配置直徑25 mmHRB500主筋63根，其中主筋N1為通常鋼筋，配置有21根，主筋N1-1設計一般按照55 m取值，配置有42根。N1-1設置長度根據地質情況判斷，因雅萬高鐵所處位置地震烈度較高，地質較差，甚至出現負摩阻，所以樁長普遍較長, N1-1一般能達到55 m。如圖3所示(以樁徑為1.25 m樁基礎為例)。

表1 地質樁周摩阻參數

表2 樁頂計算外力

圖3 1.25 m樁基礎鋼筋布置

3.2 樁基檢算結果

3.2.1 單樁承載力計算結果

(1)控制荷載組合：主力+地震力。

(2)墩頂位移:dy= 0.98 cm，[dy]= 2.83 cm，dy<[dy] 。

(3)縱向水平線剛度:K= 1236.7 kN/cm>350 kN/cm。

(4)單樁承載力

(1)

式中：dy為墩頂位移；[dy]為墩頂容許位移；K為縱向水平線剛度(kN/cm)；[P]為單樁容許承載力；P為單樁設計承載力;U為樁身截面周長(m)；li為各土層厚度(m)；A為柱底支承面積(m2)；αi、α為振動沉樁對各層樁周摩阻力和樁底承載力的影響系數，見TB 10093-2017《鐵路橋涵地基與基礎設計規范》表6.2.2-1；λ為系數，見TB 10093-2017《鐵路橋涵地基與基礎設計規范》表6.2.2-2；fi為樁周土的極限摩阻力(kPa)；R為樁尖土的極限承載力(kPa)。

P=10461.6 kN，[P]= 10968.6 kN；

[P]/P= 1.048 ,單樁承載力滿足結構受力要求。

3.2.2 上拔力與抗拔力計算

(1)上拔力。

上拔力等于樁頂處單樁最小軸向力Nmin=-3810.9 kN(負號代表該力豎直向上)。

(2)抗拔力 。

F=[P′]+G

(2)

[P′]=0.30U∑αilifi

(3)

式中：[P′]為單樁容許承載力(kN)；G為樁身自重(KN)；F為抗拔力(kN)。

根據公式計算，在樁長55 m處得[P′]= 2229.7 kN；G=1679.2 kN。即F=3908.9kN>Nmin，抗拔力滿足結構受力要求。

3.2.3 小結

(1)墩頂設計位移小于墩頂容許位移，，滿足規范要求。

(2)水平線剛度大于規范最小線剛度的要求，滿足規范要求。

(3)單樁設計承載力小于單樁容許承載力，樁基長度滿足結構受力要求，安全儲備4.8 %，樁長無優化空間。

(4)樁基上拔力與抗拔力根據計算，判斷在樁長55 m處達到了平衡。樁長55 m以下部分，配筋只需要保證聲測管設置剛度的要求即可。設計配置21根通常鋼筋合理。

3.3 樁基鋼筋優化研究

原設計樁基礎能保證橋梁安全，但N1-1的長度配置較長，根據樁基礎受力的特點，結合國內滬昆高鐵、云桂鐵路等高烈度地震區樁基礎的設計經驗，對雅萬高鐵橋梁樁基礎進行優化設計。具體做法是將N1-1細分為兩檔，一半根數的鋼筋維持原長度，一半的鋼筋在某一長度截斷。截斷后的鋼筋標號，標識為N1-2，本文對其在樁頂之下5 m、10 m、15 m、20 m處截斷分別進行研究，計算鋼筋應力，計算結果見表3。

優化方案1～方案4中鋼筋應力均小于HRB500鋼筋的容許應力值390 MPa，樁基鋼筋配置均滿足受力要求，優化方案可行。

表3 彎矩和鋼筋應力檢算結果

3.4 樁基鋼筋深化研究

兼顧結構安全與經濟性，進一步細化比較優化方案(表4)。

表4 鋼筋重量優化情況匯總

雅萬高鐵樁橋梁樁基礎，采用三段配筋方案，切實可行。本工點按照動峰加速度0.30g進行檢算，考慮到本項目局部區域動峰加速度值有0.36g，遵循全線統一的原則，兼顧結構安全和經濟性，設計最終采納了優化方案4。

4 結論

本文以雅萬高鐵為工程實例，對脈爪哇島地質條件進行分析，針對該地區罕見的高烈度地震區，研究了新邊界條件下的橋梁樁基配筋等關鍵性技術，通過對不同樁基配筋的方案進行計算分析，得到如下結論：

(1)通過計算分析，印尼雅萬原設計樁基礎設計滿足結構受力要求，樁長無優化空間。

(2)通過樁基不同配筋方案對比分析，樁基配筋采用三段配筋方案切實可行，鋼筋N1-2在樁頂之下20 m處截斷，鋼筋應力小于鋼筋容許應力，樁基配筋同時兼顧了結構安全和經濟性。

(3)雅萬高鐵橋梁樁基礎最終采納了優化方案4的配筋方案，全線樁基共計節約了HRB500鋼筋6 082 t，節約工程投資約3 000萬人民幣，取得了較好的經濟效益。