中小桥明挖扩大基础软弱下卧层地基承载力验算

宋 佳

(合肥市市政设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230041)

0 引 言

明挖扩大基础由于埋深浅,结构形式简单,施工方法简便及工程造价低等优点,成为中小桥最常用的基础形式[1]。但明挖扩大基础往往自重较大,对地基强度要求较高。如果地质条件较好,明挖浅基础是中小桥设计的首选方案。根据JTG D63-2007《公路桥涵地基及基础设计规范》(下文简称“规范”),在浅基础的设计中,需验算基底应力、基础沉降和基础稳定。而对于基础底面下有软弱地基或软土层时,还要验算软弱地基或软土层的承载力。本文通过某工程实例,从地基承载力验算的角度,探讨有软弱下卧层的明挖扩大基础的验算方法。

1 工程实例

某1～20 m跨简支板桥,桥宽12 m,台高6 m。拟采用重力式桥台,明挖扩大基础,2层基础,每层厚度0.75 m,扩大基础埋深0.5 m,基础宽度b=3.8 m,基础长度l=12.8 m。桥台构造如图1所示。

图1 桥台构造示意图

1.1 地质概况

根据工程地质勘查报告,桥位处岩土层从上至下依次为① 黏土、② 粉质黏土、③ 黏土,各岩土层设计参数见表1。不考虑地下水影响。

表1 各岩土层设计参数

1.2 关于软弱下卧层的概念

地基中直接承受结构荷载的岩土层叫持力层,下卧层是指位于结构物基础持力层以下,并处于压缩层范围内的各岩土层[2]。“规范”对于软弱下卧层没有明确规定,仅表示基底下有湿陷性土或液性指数大于0.6的黏性土下卧层时才进行验算。在工程实际中,软弱下卧层一般指下卧层中承载力明显低于持力层(或上层土层)的岩土层。

本工程① 层黏土为基础持力层,② 层粉质黏土为下卧层,由于其承载力明显低于持力层,可定性为软弱下卧层。故本工程的地基强度验算不仅要保证基底应力不超过持力层的强度,还要对持力层以下的软弱下卧层进行验算。当软弱下卧层的承载力不能满足设计要求时,需采取相应的地基处理措施。

1.3 持力层强度验算

本桥桥台承受的荷载主要有:上部结构恒载、活载、台身自重、基础及基础上土重、台后土压力等。桥台台身受力及各分项荷载如图2和表2。

图2 桥台受力简图(未示出桥台侧墙)

表2 桥台各项内力计算

各作用效应在基底产生的竖向力和弯矩值分别为:G=10 194 kN,M=3 296 kN·m。

持力层的最大压应力的计算公式如下：

(1)

式中:pmax为基底最大应力,kPa;A为基础底面面积,m2;W为基础底面的抵抗矩,m3;γR为地基承载力容许值抗力系数,取1.25;[fa]为修正后的地基承载力容许值,[fa]=[fa0]=220 kPa。

经计算pmax=241 kPa≤1.25×220=275 kPa，即基础持力层强度满足要求。

1.4 软弱下卧层承载力验算

在上文计算的基底压应力基础上,可采用附加应力系数法计算软弱下卧层承载力。

根据“规范”第4.2.6条,软弱下卧层承载力为

pz=γ1(h+z)+α(p-γ2h)≤γR[fa]

(2)

式中:pz为软弱下卧层压应力,kPa;h为基底埋置深度,m;z为基底到软弱下卧层的距离,m;γ1为(h+z)范围内各土层换算重度,kN/m3;γ2为h范围内各土层换算重度,kN/m3;α为土中附加压应力系数;p为基底压应力,kPa;[fa]=[fa0]=100 kPa。

故h=2 m,z=1 m,γ1=20 kN/m3,γ2=20 kN/m3,由“规范”附录M:l/b=12.8/3.8=3.368,z/b=1/3.8=0.263,附加压应力系数α=0.928,p取距最大压应力点b/3处的压应力,p=225.5 kPa。

算得pz=232 kPa>1.25×100=125 kPa

由上述计算结果可知,② 层粉质黏土层的承载力不能满足设计要求,需要采取地基处理措施。

2 地基处理措施

当软弱下卧层的承载力不能满足设计要求时,一般采用调整基础尺寸或换填垫层法处理。本文重点介绍换填垫层法。一般来说随着地基的加深,附加压应力将逐步减小,基底压应力的影响也将减小。换填垫层法的原理就是利用一些具有较大的变形模量和强度的材料置换软弱土层,这样基础底面的压应力通过垫层扩散作用分布到较大的面积。

换填垫层的厚度应根据置换软弱土的深度以及下卧土层的承载力确定,厚度宜为0.5～3.0 m。太厚则工困难,太薄则换填作用不显著。

本工程采用砂砾石换填。由于软土层较厚,不能全部置换,通过反复试算,换填深度2.5 m,如图3所示。

图3 换填示意图

垫层顶面每边超出基础底边缘不小于0.3 m,底面宽度应满足基底应力扩散的要求,按下式确定:

b1=b+2ztanθ

(3)

换填垫层的承载力宜通过现场静载试验确定,一般可按“规范”表4.5.4参考采用。

3 换填后软弱下卧层承载力计算

由于换填后的软弱下卧层埋置深度增加,应对软弱下卧层承载力容许值应进行深度修正,计算公式如下：

[fa]=[fa0]+k1γ1(b-2)+k2γ2(h-3)

(4)

式中:k1、k2为基底宽度、深度修正系数;γ1为软弱下卧层重度,kN/m3;γ2为垫层底面以上各土层加权平均重度,kN/m3。

[fa0]=100 kPa,k1=0,k2=2.5,γ1=19 kN/m3,γ2=21.1 kN/m3,b=3.8 m,h=4.5 m。

算得[fa]=179.1 kPa。

换填后软弱下卧层承载力计算采用扩散角法,并应符合式(5)～式(6)要求。

p0k+pgk≤γR[fa]

(5)

(6)

b+2ztanθ=6.686 m

l+2ztanθ=15.686 m

pgk=2×20+2.5×22=95 kPa

p0k=78.6 kPa

p0k+pgk=173.6 kPa≤γR[fa]=223.8 kPa

本工程采用的换填处理措施,解决了软弱下卧层承载力不足的问题,为工程的可行性提供了理论支持。

4 结束语

明挖扩大基础是中小桥常用的基础形式。当地基受力范围内有软弱下卧层时,应验算软弱下卧层的强度。本文通过某工程实例,介绍软弱下卧层换填处理措施,及换填后地基承载力的计算,可为同类工程的设计提供参考。