軟土地基鐵路橋型選擇和橋路比較分析

王德華

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

軟土在我國沿海、沿江地區(qū)廣泛分布，主要可分為長江、珠江等三角洲沉積，海相沉積，湖相(弱湖相)沉積等。其中最軟的為淤泥和淤泥質(zhì)土，鐵路選線時(shí)往往難以繞避。近些年鐵路快速發(fā)展，客運(yùn)專線、高速鐵路等速度目標(biāo)值都在200 km/h以上，因而對橋梁、路基的沉降和墩頂水平剛度要求也相應(yīng)較高。由于橋梁造價(jià)較路基高，在深厚軟土地區(qū)的鐵路是以橋梁還是路基形式通過，需綜合考慮列車行車安全、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境因素、社會效益等各方面問題［1］;涉及地基條件、路基高度、鐵路等級、水文、地方規(guī)劃、地材供應(yīng)、環(huán)境要求等因素。

橋、路比較分析應(yīng)充分考慮各種因素的影響。隨著各地方社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市開發(fā)和建設(shè)速度和規(guī)模不斷擴(kuò)大，在鐵路附近開發(fā)建設(shè)和修建道路等情況時(shí)有發(fā)生。因而在軟土地區(qū)橋路比較和橋梁設(shè)計(jì)方案選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮地方建設(shè)形成填土堆載或抽取地下水等不利因素影響，避免造成鐵路橋墩傾斜或沉降超限等事情發(fā)生。

2 軟土工程特性和主要特點(diǎn)

由于軟土承載力低，壓縮性高，在工程中往往需要加固后才能修建道路、橋梁等建筑物。軟土地基加固主要是根據(jù)建筑承載力、變形和穩(wěn)定性等需要，針對軟土強(qiáng)度低、壓縮性高、固結(jié)時(shí)間長等工程特性，采取密實(shí)、置換等方法進(jìn)行加固處理［2，3］。軟土的主要特性有:

天然含水量等于或大于液限、空隙比大于1;

壓縮性高，壓縮模量一般在1～5 MPa之間;

滲透系數(shù)往往小于10－6cm/s;

抗剪強(qiáng)度低，三軸不排水試驗(yàn)內(nèi)摩擦角接近零，黏聚力一般不大于25 kPa;

具有流變性，由于軟土固結(jié)緩慢，在剪應(yīng)力作引下，土體變形長期存在;

軟土地基靈敏度一般在2～3，在地震荷載或動荷載作用下易發(fā)生震陷。

3 軟土地基加固的一般方法

由于鐵路橋涵路基要求地基有較高的承載力和較低的工后沉降限值，在實(shí)際工程實(shí)踐中，往往需要對軟土地基進(jìn)行加固處理。軟土地基加固的基本方法有密實(shí)法、置換法、復(fù)合地基法、加筋法和灌漿法等。軟土較厚時(shí)常采用水泥攪拌樁、CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等復(fù)合地基。在高速鐵路等沉降要求高的路基中會用到CFG 樁、預(yù)應(yīng)力管樁等樁板(網(wǎng))結(jié)構(gòu)［4，5］。

4 軟土地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)形式

軟土地區(qū)最常見的橋梁形式為24m、32m簡支梁橋，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該型橋梁穩(wěn)定性好，沉降量可控，橋墩縱橫向剛度較大，適用于高鐵和客貨共線等各類型鐵路。但在城市開發(fā)區(qū)或城郊附近，易因鐵路附近的城市建設(shè)、道路修建等原因，造成橋墩傾斜或沉降量超標(biāo)等事故發(fā)生。

軟土地區(qū)也可采用較小孔徑的簡支梁，采用復(fù)合地基基礎(chǔ)。該型橋梁沉降較大，同時(shí)因橋墩基礎(chǔ)受力集中，橋墩穩(wěn)定性差，因而在鐵路上很少采用。

小孔徑鋼筋混凝土閉合框架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕，基底荷載分布較均勻，對地基承載力要求相對較低等特點(diǎn)。采用水泥攪拌樁或CFG樁等復(fù)合地基處理的軟土地基可以滿足設(shè)計(jì)要求，在填土較高，且沉降要求不高的貨運(yùn)鐵路和客貨共線鐵路上應(yīng)用，具有一定的優(yōu)勢，尤其在城郊地區(qū)，因地基加固后穩(wěn)定性好，對后期地方建設(shè)影響相對較小。

5 軟土復(fù)合地基計(jì)算

軟土地基基礎(chǔ)除檢算承載力外，還應(yīng)檢算基礎(chǔ)沉降和地基穩(wěn)定性。軟土地基基礎(chǔ)承載力、沉降和地基穩(wěn)定性檢算方法與加固方法有關(guān)［6］。常見的水泥粉煤灰碎石樁等剛性樁加固軟土地基時(shí)，地基承載力按復(fù)合地基計(jì)算。

5.1 剛性樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

式中 ［P］——單樁豎向容許承載力/kN;

σsp——復(fù)合地基承載力/kPa;

m——面積置換率;

Ap——樁的斷面面積/m2;

σs——處理后樁間土承載力/kPa;

β——樁間土承載力折減系數(shù)。

5.2 剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算

復(fù)合地基的總沉降量可按下式計(jì)算

式中 S1——加固區(qū)沉降量;

S2——下臥層沉降量。

地基工后沉降量按下式計(jì)算Sr=S－ST

式中 Sr——工后沉降量;

ST——施工期沉降量。

加固區(qū)沉降量計(jì)算可采用復(fù)合模量法或承載力比值法，下臥層沉降計(jì)算仍采用分層總和法。

5.3 軟土復(fù)合地基穩(wěn)定性分析

地基穩(wěn)定性分析應(yīng)分別檢算施工期和運(yùn)營期的穩(wěn)定系數(shù)，以運(yùn)營期的穩(wěn)定安全系數(shù)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，以施工期的穩(wěn)定安全系數(shù)作為驗(yàn)算指標(biāo)。不同等級鐵路路堤穩(wěn)定安全系數(shù)見表1。

表1 路堤穩(wěn)定安全系數(shù)

5.4 軟土地基樁基礎(chǔ)負(fù)摩擦力計(jì)算

樁側(cè)有附加土柱作用，或因地下水位下降造成地層整體下降時(shí)，下降土體會對樁身產(chǎn)生向下的負(fù)摩擦力。在負(fù)摩擦力計(jì)算中，中性點(diǎn)的位置、負(fù)摩擦力系數(shù)取值方法是兩個(gè)重要方面。

(1)中性點(diǎn)的位置

中性點(diǎn)是指樁的下沉量和地基沉降量相等的點(diǎn)，亦即負(fù)摩擦和正摩擦的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，與樁身最大軸力點(diǎn)一致。一般幾乎不下沉的端承樁的中性點(diǎn)深，摩擦樁中性點(diǎn)淺［7］。一般研究得出中性點(diǎn)位置大致在0.65～0.75 倍樁長間［8］。

(2)負(fù)摩阻力的取值

確定樁側(cè)摩阻力fN的方法有:靜力觸探法、鉆孔取土定值法、不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)法、有效應(yīng)力法、標(biāo)準(zhǔn)慣入試驗(yàn)法。

6 橋路比較的主要影響因素

軟土地區(qū)設(shè)橋還是設(shè)路基通過，須經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合比較后確定。影響橋路比較結(jié)果的因素較多，除鐵路等級、線路高度、地質(zhì)條件、水文條件、地方規(guī)劃、環(huán)境要求、地材情況外，橋梁路基的不同結(jié)構(gòu)形式也是影響橋路比較結(jié)果的重要因素。

6.1 鐵路橋涵路基對地基承載力和基礎(chǔ)變形要求

鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)主要有高速鐵路、客運(yùn)專線鐵路、客貨共線鐵路以及Ⅲ級和Ⅳ級鐵路等，其中各等級鐵路又分不同的速度目標(biāo)值。各等級鐵路的橋涵和路基除要求地基承載力滿足要求外，對地基工后沉降也均有具體要求。不同等級鐵路的橋涵和路基對地基工后沉降要求見表2。

表2 不同等級鐵路的橋涵和路基工后沉降限值 mm

6.2 軟土加固方法的選擇

軟土地基可采用碎石樁等散體樁加固，當(dāng)軟土為淤泥質(zhì)或軟土較厚時(shí)，碎石樁等散體樁加固效果較差，此時(shí)需要采用水泥攪拌樁、CFG樁等進(jìn)行加固。路基較高、軟土較厚，宜采用水泥攪拌樁加固。有時(shí)沉降量往往超標(biāo)，且路基橫向穩(wěn)定性較差，這時(shí)需要采用CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等剛性樁加固地基。采用什么樣的措施加固軟土地基，要視軟土特性、厚度、下臥層地質(zhì)情況、路基高度、沉降要求等具體情況而定，在高速鐵路上對沉降要求較高時(shí)，多采用CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)對地基進(jìn)行加固［6］。

6.3 地方建設(shè)規(guī)劃對橋路比較的影響

隨著國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，地方建設(shè)規(guī)模也越來越大，特別是沿江、沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，因地方建設(shè)堆載填土等造成鐵路橋梁沉降、傾斜地事故時(shí)有發(fā)生，給鐵路運(yùn)營安全帶來很大的威脅。在軟土地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮地方建設(shè)發(fā)展情況，對城郊等建設(shè)規(guī)劃區(qū)，應(yīng)考慮將來填土堆載的影響，軟土地區(qū)橋路比較和橋梁類型的選擇上要充分考慮地方建設(shè)發(fā)展的規(guī)劃和需要。

6.4 橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇

軟土地區(qū)橋梁主要結(jié)構(gòu)形式為24m、32m簡支梁橋(鉆孔灌注樁基礎(chǔ))，小孔徑鋼筋混凝土閉合框架結(jié)構(gòu)(復(fù)合地基)，高速鐵路應(yīng)首選鉆孔樁基礎(chǔ)常用跨度簡支梁橋。小跨度框架結(jié)構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)輕，造價(jià)低等特點(diǎn)，在客貨共線鐵路中選用具有一定的優(yōu)勢，特別是在水位控制路肩高程的情況下，可有效降低相鄰路基高度。在城市和城郊等地方建設(shè)密集的地區(qū)，由于小跨度框架結(jié)構(gòu)地基加固范圍大，地基穩(wěn)定性好，對后期地方建設(shè)影響較小。各種橋型工程特性比較見表3。

表3 各橋型工程特性比較

6.5 材料價(jià)格的影響

在橋路比較中，材料價(jià)格的影響較大。大多數(shù)情況下軟土地區(qū)缺乏合適的路基土源和砂石等。由于沙石和填土價(jià)格較高，橋、路比較的臨界高度較低。

6.6 建設(shè)用地比較

路基方案用地較多，隨著填土高度增加，路基用地也大大增加。相應(yīng)橋梁用地寬度一致，且用地?cái)?shù)量較小。在城區(qū)和城郊區(qū)建設(shè)用地緊張，隨著用地價(jià)格的升高，節(jié)省用地具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

7 軟土地基橋路比較分析

某客貨共線鐵路穿越軟土地區(qū)，軟土地基段地質(zhì)情況為:第一層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚17～19m，δ0=80 kPa;第二層黏土，軟—硬塑，厚 15～20m，δ0=150 kPa;第三層砂黏土，硬塑，厚 13～16m，δ0=180 kPa。

7.1 比較方案

方案Ⅰ為采用32m簡支梁，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。方案Ⅱ?yàn)槎嗫?.0m小跨度鋼筋混凝土框架橋，基礎(chǔ)采用復(fù)合地基基礎(chǔ)。方案Ⅲ為填土路基，采用復(fù)合地基基礎(chǔ)。

7.2 控制路肩高程

路肩高程受水位控制，采用32m簡支梁時(shí)，因簡支梁高度大使得橋頭路基高達(dá)8.0m，采用框架橋時(shí)，橋頭路基高度為6.8m。由于橋頭緊鄰車站，采用簡支梁橋時(shí)，車站高程抬高1.2m，工程增加太大，故緊鄰車站填土高度6.8～8.0m范圍采用路基方案和框架橋方案比較。路基高度大于8.0m路段采用上述三個(gè)方案同時(shí)比較。

考慮交通和防汛通道需要，全段路肩高度為6.8～12m。

7.3 軟土地基加固類型和工程費(fèi)用比較

對于軟土地基分別采用攪拌砂漿樁和CFG樁加固進(jìn)行比較。水泥砂漿樁，直徑0.5m，間距2.0m和1.2m，梅花形布置，樁土應(yīng)力比3.5;CFG直徑0.5m，間距1.8m和1.4m。第一段線路軟基加固后沉降計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合地基沉降計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算分析結(jié)果看出，當(dāng)軟土厚度達(dá)到18m，采用攪拌砂漿樁進(jìn)行加固樁間距2.0m時(shí)，路基高度超過4m工后沉降將達(dá)到163 mm，超過允許值。采用框架橋方案時(shí)，工后沉降沉降雖難減小，但也超過80 mm的限值。采用CFG樁進(jìn)行加固樁間距2.0m時(shí)，路基填土高8m時(shí)，路基工后沉降106 mm，框架橋工后沉降73 mm，均在允許范圍之內(nèi)。

經(jīng)比較，路基和框架橋方案軟土地基均采用CFG樁進(jìn)行加固，樁間距2.0m。綜合比較，當(dāng)路基高度6.5m時(shí)，采用路基與采用小孔徑框架橋工程費(fèi)用相當(dāng)，路基高度8.0m時(shí)，采用路基比小孔徑框架橋工程費(fèi)用高。

7.4 多孔8.0m框架橋，32m簡支梁和路基方案綜合比較

(1)對于一般的客貨共線鐵路，在路基高度小于6m，具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

(2)當(dāng)路基填土高大于6m時(shí)，由于框架橋方案占地?cái)?shù)量少，基礎(chǔ)加固范圍小加固數(shù)量少，對后期地方建設(shè)影響小等各方面優(yōu)點(diǎn)，所以相對的路基方案具有一定的優(yōu)勢。

(3)常用跨度簡支梁橋方案基礎(chǔ)穩(wěn)定性易受周邊填土建筑活動影響，工程費(fèi)用相對較高，施工時(shí)對環(huán)境影響較大;但由于其沉降量小，橋墩剛度較大，因而在高等級鐵路中乃是首選橋型。

8 結(jié)束語

在軟土地區(qū)修建鐵路時(shí)，一般需要對橋梁和路基進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇合適的形式穿越軟土區(qū)。深厚軟土地區(qū)橋路的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較牽涉的因素較多，涉及地質(zhì)條件、路基高度、鐵路等級、水文、地方規(guī)劃、環(huán)境要求等各方面因素。在以往路橋比較時(shí)，多采用常規(guī)跨度(32m)簡支梁橋進(jìn)行比較，比較結(jié)果一般都是梁式橋比路基高費(fèi)用。實(shí)際上在路橋比較前，我們首先需要根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)鐵路的沉降要求，所處位置是否靠近城市或車站，設(shè)計(jì)水位是否控制高程，橋梁高度，軟土厚度等各項(xiàng)因素，對橋梁不同的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合分析，選擇合適的橋梁類型。在合理確定了橋梁形式后，再進(jìn)行路、橋比較，其結(jié)果相對可靠。

高速鐵路對橋墩沉降和縱橫向水平剛度的要求高，常采用簡支梁鉆孔樁基礎(chǔ)。對于一般客貨共線鐵路，可采用小孔徑框架橋等輕型橋梁復(fù)合地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。輕型橋梁復(fù)合地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅比較經(jīng)濟(jì)，而且對地方建設(shè)規(guī)劃影響較小。在路基高度小于6m時(shí)，具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。當(dāng)路基填土高大于6m時(shí)，框架橋方案相對路基方案具有一定的優(yōu)勢。

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