津濱輕軌地基沉降控制研究

摘　要:為了滿足津濱輕軌軌道構造的要求和避免過大增加梁部構造的投資,科學地控制地基的沉降量,不僅為合理設計基礎結構、減小梁部結構的投資提供依據,而且還為無碴無縫線路的順利鋪設和正常使用提供保證,達到提高軟土地基上橋梁結構設計水平的目的。關鍵詞:津濱輕軌; 高架橋梁; 地基沉降; 控制
　　 1 　概述
(1) 津濱輕軌工程地質特點
津濱輕軌起點位天津市區,終點為天津濱海新區, 經過地區處于海河沖積平原與濱海相銜接處,按大的地貌單元可分為沖積平原和濱海平原。地形平坦,地勢低平。地下水位埋深較淺,沿線分布了較多的粉砂、細砂,均為地震可液化層,局部地段具有地震液化現象。沿線地層簡單,第四系地層廣泛發育,地層分布從上到下依次為人工堆積層、新近沉積層、上部陸相層、第一海相層、中上部陸相層、上部及中上部地層廣泛沉積有幾十米厚的軟土。其工程范圍水文地質條件為: 地表以松散沉積物夾積的典型堆積平原地貌為基本特征,以黏土、亞黏土為主,河床及古河道穿過地區粉細砂、粉砂等細粒堆積,地貌形成年代顯示地貌類型為全新世中晚期。由于地勢低平,地下水及地表水排泄不暢,地下水一般埋深0. 5～1. 5 m 。
(2) 津濱輕軌的技術特點
津濱輕軌橋上采用無碴無縫線路,其特殊的構造要求橋梁各種豎向位移之和不得超過2 cm 。津濱輕軌常規橋梁采用混凝土連續梁,過大的地基差異沉降將使梁部結構內力增加,從而導致梁部結構增加投資。為了滿足軌道構造的要求和避免過大增加梁部構造的投資,必須對地基的差異沉降量加以控制。
(3) 津濱輕軌地基沉降控制研究的意義
津濱輕軌橋上采用的無碴無縫線路和常規橋梁采用的混凝土連續梁,均對地基的沉降有較高的要求。科學地控制地基的沉降量,不僅為合理設計基礎結構、減小梁部結構的投資提供依據,而且還為無碴無縫線路的順利鋪設和正常使用提供保證,達到提高軟土地基上橋梁結構設計水平的目的。
2 　地基沉降計算原理和計算方法
(1) 地基沉降計算基本原理
由于接觸壓力的作用,在地基中將引起荷載壓力, 從而導致地基變形。在荷載作用下,當土中剪應力小于土的抗剪強度時,土的骨架只產生壓縮變形,這類變形是有限的,其結果是地表產生有限的下沉,稱之為沉降。地基受到相同荷載作用所產生的沉降,隨土性質而有差別,這些差別不僅表現在總沉降量上,而且也反映在沉降速度上。一般來說,在荷載作用下,地基沉降包括3 部分:當荷載剛剛加上時,在很短的時間內產生的瞬時沉降,是地基土骨架在3 個軸上產生彈性或非彈性變形的結果;其次是主固結沉降(也叫滲透固結沉降),它是飽和黏性地基土在荷載作用下,孔隙水被擠出而產生滲透固結的結果;再次是次固結沉降,它是上述地基孔隙水基本停止擠出后,顆粒和結合水之間的剩余應力還在調整而引起的沉降。砂土地基和非飽和黏性土地基,主要是瞬時沉降。建于黏性土上的基礎在施工期間只完成總沉降量的一部分,即瞬時沉降,它的沉降主要屬于固結沉降,隨時間變化逐漸產生。因此,在建筑物使用期間仍然會發生沉降,值得深入研究,以便找出解決問題的辦法。
(2) 地基沉降計算基本方法瞬時沉降,一般采用彈性理論的公式,指標采用不排水的初始切線彈性模量及不排水的泊桑比值。對于正常固結粘性土的固結沉降, 一般采用分層總和計算法, 計算時采用的基本假定: ① 地基壓縮時, 只產生豎向變形而無側向膨脹,與實驗室土樣壓縮試驗區的一致; ② 根據基礎下各點處因基礎底面處作用的附加壓力σz(0)(該σz(0)=σh-γh, 這里的σh 可根據需要取為墩臺使基礎底面中心或前后邊緣處產生的壓應力,γ 為基礎底面高程以上土的容重; h 為基礎底面至地面的深度) 進行沉降計算; ③ 基礎最終沉降量等于基礎底面下壓縮土層范圍內各薄層壓縮量之總和。對于軟土地基,因土的蠕變而產生次固結沉降,或稱蠕變變形。由于次固結沉降變形在主固結期即已開始,兩者很難截然分開,但其沉降量占總沉降量的比例很小,在工程設計中通常忽略不計。
(3) 地基沉降量計算方法選擇
地基總沉降量的計算方法選擇:在工程設計中一般采用分層總和法計算地基總沉降量,不同部門、不同行業編制的設計規范,根據各自的實踐經驗和工程結構特點,某些參數采用了不同的數值。在津濱輕軌的橋梁設計中,仍將采用分層總和法計算地基總沉降量。為了合理計算地基總沉降量,擬采用《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002. 5 99) 、《建筑地基基礎設計規范》( GB50007 2002) 、《建筑樁基技術規范》(J TJ 94 94) 中的方法計算比較,以期得到合理的計算結果。地基工后的沉降量計算方法選擇:一般地,飽和黏性土地基的固結沉降需要幾年、甚至幾十年才能完成。由于飽和黏性土地基的總沉降量主要由固結沉降組成,因此,工后沉降對上部結構的正常使用和安全構成威脅。津濱輕軌的橋梁工程設計中,擬采用在工程設計中常用的太沙基的一維固結理論計算。差異沉降量計算方法選擇:津濱輕軌的橋梁工程設計中,常規橋梁大量地采用混凝土連續梁。由于各個橋墩的基礎所處的地基條件不盡相同,基礎承受的荷載也不盡相同,因此,地基的沉降必然有所不同。為了盡量涵蓋津濱輕軌橋梁工程遇到的最不利情況,擬采用不同的地基和荷載條件,采用分層總和法計算其地基總沉降量,取其最不利者,以便能夠涵蓋差異沉降量。
3 　研究范圍
(1) 橋跨的結構形式
津濱輕軌常規橋梁大量采用3 25 m 的連續箱梁,為了使計算結果與設計更貼近,代表性更強,因此采用3 25 m 的連續梁作為計算模型進行沉降計算。
(2) ) 基礎的結構形式
采用<80 cm 的鉆孔灌注樁基礎。
(3) 地基土類別樁尖以下,黏性土可以分為黏土、粉質黏土。
4 　主要計算結果
(1) 總沉降量
① 樁尖持力層為黏土的總沉降計算
計算時采用ZD 137 的地質資料,分別對3 25 m 預應力混凝土連續梁的3 個橋墩的樁基總沉降進行了計算。計算時分別采用了《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》( TB10002. 5 99) 和《建筑地基基礎設計規范》( GB50007 2002) ,以資比較。
　　② 樁尖持力層為粉質粘土的沉降計算
計算時采用ZD 118 的地質資料,分別對3 25 m 預應力混凝土連續梁的3 個橋墩的樁基總沉降進行了計算。計算時分別采用了《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002. 5 99) 和《建筑樁基技術規范》(J TJ 94 94) ,以資比較。
　　(2) 差異沉降量
① 當橋梁樁基礎位于同種土層時,同種計算方法計算出的最大差異沉降量如下: 黏土時為0. 34 cm , 采用《建筑地基基礎設計規范》( GB50007 2002) 計算; 粉質黏土為0. 55 cm , 采用《建筑樁基技術規范》(J TJ 94 94) 計算。
② 當橋梁樁基礎位于異種土層時,同種計算方法計算出的最大差異沉降量如下: 《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002. 5 99) 　0.74 cm(ms = 1)

原作者：張智新