津滨轻轨地基沉降控制研究
摘 要:为了满足津滨轻轨轨道构造的要求和避免过大增加梁部构造的投资,科学地控制地基的沉降量,不仅为合理设计基础结构、减小梁部结构的投资提供依据,而且还为无碴无缝线路的顺利铺设和正常使用提供保证,达到提高软土地基上桥梁结构设计水平的目的。关键词:津滨轻轨; 高架桥梁; 地基沉降; 控制
1 概述
(1) 津滨轻轨工程地质特点
津滨轻轨起点位天津市区,终点为天津滨海新区, 经过地区处于海河冲积平原与滨海相衔接处,按大的地貌单元可分为冲积平原和滨海平原。地形平坦,地势低平。地下水位埋深较浅,沿线分布了较多的粉砂、细砂,均为地震可液化层,局部地段具有地震液化现象。沿线地层简单,第四系地层广泛发育,地层分布从上到下依次为人工堆积层、新近沉积层、上部陆相层、第一海相层、中上部陆相层、上部及中上部地层广泛沉积有几十米厚的软土。其工程范围水文地质条件为: 地表以松散沉积物夹积的典型堆积平原地貌为基本特征,以黏土、亚黏土为主,河床及古河道穿过地区粉细砂、粉砂等细粒堆积,地貌形成年代显示地貌类型为全新世中晚期。由于地势低平,地下水及地表水排泄不畅,地下水一般埋深0. 5～1. 5 m 。
(2) 津滨轻轨的技术特点
津滨轻轨桥上采用无碴无缝线路,其特殊的构造要求桥梁各种竖向位移之和不得超过2 cm 。津滨轻轨常规桥梁采用混凝土连续梁,过大的地基差异沉降将使梁部结构内力增加,从而导致梁部结构增加投资。为了满足轨道构造的要求和避免过大增加梁部构造的投资,必须对地基的差异沉降量加以控制。
(3) 津滨轻轨地基沉降控制研究的意义
津滨轻轨桥上采用的无碴无缝线路和常规桥梁采用的混凝土连续梁,均对地基的沉降有较高的要求。科学地控制地基的沉降量,不仅为合理设计基础结构、减小梁部结构的投资提供依据,而且还为无碴无缝线路的顺利铺设和正常使用提供保证,达到提高软土地基上桥梁结构设计水平的目的。
2 地基沉降计算原理和计算方法
(1) 地基沉降计算基本原理
由于接触压力的作用,在地基中将引起荷载压力, 从而导致地基变形。在荷载作用下,当土中剪应力小于土的抗剪强度时,土的骨架只产生压缩变形,这类变形是有限的,其结果是地表产生有限的下沉,称之为沉降。地基受到相同荷载作用所产生的沉降,随土性质而有差别,这些差别不仅表现在总沉降量上,而且也反映在沉降速度上。一般来说,在荷载作用下,地基沉降包括3 部分:当荷载刚刚加上时,在很短的时间内产生的瞬时沉降,是地基土骨架在3 个轴上产生弹性或非弹性变形的结果;其次是主固结沉降(也叫渗透固结沉降),它是饱和黏性地基土在荷载作用下,孔隙水被挤出而产生渗透固结的结果;再次是次固结沉降,它是上述地基孔隙水基本停止挤出后,颗粒和结合水之间的剩余应力还在调整而引起的沉降。砂土地基和非饱和黏性土地基,主要是瞬时沉降。建于黏性土上的基础在施工期间只完成总沉降量的一部分,即瞬时沉降,它的沉降主要属于固结沉降,随时间变化逐渐产生。因此,在建筑物使用期间仍然会发生沉降,值得深入研究,以便找出解决问题的办法。
(2) 地基沉降计算基本方法瞬时沉降,一般采用弹性理论的公式,指标采用不排水的初始切线弹性模量及不排水的泊桑比值。对于正常固结粘性土的固结沉降, 一般采用分层总和计算法, 计算时采用的基本假定: ① 地基压缩时, 只产生竖向变形而无侧向膨胀,与实验室土样压缩试验区的一致; ② 根据基础下各点处因基础底面处作用的附加压力σz(0)(该σz(0)=σh-γh, 这里的σh 可根据需要取为墩台使基础底面中心或前后边缘处产生的压应力,γ 为基础底面高程以上土的容重; h 为基础底面至地面的深度) 进行沉降计算; ③ 基础最终沉降量等于基础底面下压缩土层范围内各薄层压缩量之总和。对于软土地基,因土的蠕变而产生次固结沉降,或称蠕变变形。由于次固结沉降变形在主固结期即已开始,两者很难截然分开,但其沉降量占总沉降量的比例很小,在工程设计中通常忽略不计。
(3) 地基沉降量计算方法选择
地基总沉降量的计算方法选择:在工程设计中一般采用分层总和法计算地基总沉降量,不同部门、不同行业编制的设计规范,根据各自的实践经验和工程结构特点,某些参数采用了不同的数值。在津滨轻轨的桥梁设计中,仍将采用分层总和法计算地基总沉降量。为了合理计算地基总沉降量,拟采用《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002. 5 99) 、《建筑地基基础设计规范》( GB50007 2002) 、《建筑桩基技术规范》(J TJ 94 94) 中的方法计算比较,以期得到合理的计算结果。地基工后的沉降量计算方法选择:一般地,饱和黏性土地基的固结沉降需要几年、甚至几十年才能完成。由于饱和黏性土地基的总沉降量主要由固结沉降组成,因此,工后沉降对上部结构的正常使用和安全构成威胁。津滨轻轨的桥梁工程设计中,拟采用在工程设计中常用的太沙基的一维固结理论计算。差异沉降量计算方法选择:津滨轻轨的桥梁工程设计中,常规桥梁大量地采用混凝土连续梁。由于各个桥墩的基础所处的地基条件不尽相同,基础承受的荷载也不尽相同,因此,地基的沉降必然有所不同。为了尽量涵盖津滨轻轨桥梁工程遇到的最不利情况,拟采用不同的地基和荷载条件,采用分层总和法计算其地基总沉降量,取其最不利者,以便能够涵盖差异沉降量。
3 研究范围
(1) 桥跨的结构形式
津滨轻轨常规桥梁大量采用3 25 m 的连续箱梁,为了使计算结果与设计更贴近,代表性更强,因此采用3 25 m 的连续梁作为计算模型进行沉降计算。
(2) ) 基础的结构形式
采用<80 cm 的钻孔灌注桩基础。
(3) 地基土类别桩尖以下,黏性土可以分为黏土、粉质黏土。
4 主要计算结果
(1) 总沉降量
① 桩尖持力层为黏土的总沉降计算
计算时采用ZD 137 的地质资料,分别对3 25 m 预应力混凝土连续梁的3 个桥墩的桩基总沉降进行了计算。计算时分别采用了《铁路桥涵地基和基础设计规范》( TB10002. 5 99) 和《建筑地基基础设计规范》( GB50007 2002) ,以资比较。
② 桩尖持力层为粉质粘土的沉降计算
计算时采用ZD 118 的地质资料,分别对3 25 m 预应力混凝土连续梁的3 个桥墩的桩基总沉降进行了计算。计算时分别采用了《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002. 5 99) 和《建筑桩基技术规范》(J TJ 94 94) ,以资比较。
(2) 差异沉降量
① 当桥梁桩基础位于同种土层时,同种计算方法计算出的最大差异沉降量如下: 黏土时为0. 34 cm , 采用《建筑地基基础设计规范》( GB50007 2002) 计算; 粉质黏土为0. 55 cm , 采用《建筑桩基技术规范》(J TJ 94 94) 计算。
② 当桥梁桩基础位于异种土层时,同种计算方法计算出的最大差异沉降量如下: 《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002. 5 99) 0.74 cm(ms = 1)
原作者：张智新
