搜索
THE10THCONFERENCEONRESEARCHESINGEOTECHNICALENGINEERINGINTAIWANOCT.2-42003SANCHIH1.亞新工程顧問股份有限公司正工程師2.亞新工程顧問股份有限公司專案副理3.亞新工程顧問股份有限公司專案經理4.MANAGINGDIRECTOR,MAAGEOTECHNICSCO.,LTD.(THAILAND)高速鐵路橋梁樁基礎設計考量陳明山1段紹緯2黃永和3謝添和4摘要台灣高速鐵路自八卦山以南路線所經為台灣西南部平原區。表層地層屬鬆軟具高壓縮性及低承載力之近代沖積層，故設計上均採高架橋由樁基礎支承。基樁數量超過20000支，平均樁長約為50至60公尺，設計之樁徑大部份在1.5至2.5公尺之間，屬於大口徑之鑽掘樁。本文說明高速鐵路工程南部段自里程TK188至TK343長約155公里之樁基礎設計幾項特別詳加考量的因素包括特殊地盤效應、群樁效應、樁帽側向阻抗以及土壤液化地層滑移等等。基本上樁基礎分析屬土壤與基樁互制之行為分析，本文藉由前期載重試驗結果探討樁身向上之土壤抗拉拔力與樁身向下之土壤正摩擦力的比例，亦說明由試驗結果所得到之土壤p-y曲線，t-z曲線及q-w曲線如何應用於樁基礎設計，期能將設計分析經驗供爾後類似工程參考。關鍵詞：特殊地盤、群樁效應、液化滑移DESIGNCONSIDERATIONOFBRIDGEPILEFOUNDATIONSTAIWANHIGHSPEEDRAILMing-ShanChen1Shaw-WeiDuann2Yuang-HerWhang3Tian-HoSeah4ABSTRACTThealignmentofTaiwanHighSpeedRail(THSR)passesthroughthePa-KuaMountainofsouthwesternplaininsouthernTaiwan.Thegeologicalconditionintheregionconsistsofweakandcompressiblealluvialdepositsintheuppersoilstrata.Overtwentythousandsnumberof1.5to2.5mlargediameterboredpileswithlengthsof50to60mwereconstructedtosupporttheviaductsandbridgesoftherail.TheareaofthisstudyisinthesouthernpartofTHSRalignmentfromTK188toTK343withanapproximate155kmlength.Thispaperfocusesonsomeofthespecialtechnicalfeatureswhichhavetobeconsideredinthedesignofpilefoundations,includingeffectsofparticularsiteconditions,pilegroupeffects,lateralresistanceofpilecapandflowslideofliquefiablesoiletc.Forfoundationdesign,significanteffortshavebeenplacedonsoil-pileinteraction(p-y,t-zandq-wrelationships)throughverificationandcalibrationofmodelsfrompileloadtests.Thepulloutresistanceofpileswasalsostudiedtoagreatextentbasedonfull-scalepullouttesting.KeyWords:ParticularSite,GroupEffect,FlowSlide.一、前言台灣高速鐵路計畫路線由臺北至高雄全長約345公里，為避免阻隔區域之發展及專用路權之考量，路線結構有75%採用高架橋型式。依台灣高速鐵路公司之統計資料，高速鐵路在南工段即C250標(里程TK130+600台中附近)往南至C296標工程南端(里程TK343+120)，設計之基樁數量達25,972支，其中台中至彰化八卦山間之地層主要為頭嵙山層含礫石及岩盤，依設計考量，部份採用擴展基腳部份採用樁基礎。而自八卦山南麓(里程TK188+170)至工程尾端，路線所經為台灣西南部沖積平原區，其表層地層俱為鬆軟具高壓縮性低承載力之沖積層。因此高架橋均採用樁基礎，估計基樁數量超過兩萬支，設計樁徑在1.5公尺至2.5公尺之間，屬大口徑之鑽掘樁，平均樁長約為50至60公尺左右，最大樁長達72公尺。高速鐵路為重大交通建設，設計年限採用100年，由於設計速率極高達350公里/小時，故在設計時對安全性及旅客舒適度之要求較一般鐵路及公路為高。本文之目的在探討軟弱之沖積地層中高速鐵路橋梁樁基礎設計幾項特別詳加考量的規定包括(1)特殊地盤效應(ParticularSiteEffect)，(2)群樁效應，(3)樁帽側向阻抗及(4)土壤液化地層滑移(FlowSlide)等，及其對樁基礎設計結果的影響等。另在高速鐵路計畫設計進行初期曾進行大量的基樁前期載重試驗，其目的在驗証設計假設的合理性以及求得最佳化之設計。項目包括壓力載重試驗、拉力載重試驗及側向載重試驗等。本文亦探討由實際試驗量測樁身向上位移之土壤拉拔摩擦力與樁身向下位移之土壤正摩擦力之比例大小。同時亦說明由試驗所得到之土壤彈簧包括水平向P-y曲線及垂直向t-z曲線與q-w曲線如何應用於樁基礎設計中。二、特殊地盤效應在地震作用下，樁基礎設計模式常考慮為擬靜力狀態，即僅考慮地震時由上部結構傳至柱底的慣性力由基礎來承擔，使得基礎產生變位及內應力(彎矩、剪力及軸力)，依此THE10THCONFERENCEONRESEARCHESINGEOTECHNICALENGINEERINGINTAIWANOCT.2-42003SANCHIH來設計樁基礎。惟在高鐵設計規範中，若土層分類為殊特地盤時，必需額外考慮土壤動態(Kinematic)地盤震動放大效應的影響，亦即需額外考慮因表層地盤大量變位與基樁互制作用之影響所造成基樁額外增加的變位及應力。有關特殊地盤的定義如下：基盤面(Baselayer)定義為其下之土層符合粘土層之標準貫入試驗N值均大於25，且其下之砂質土層之N值均大於50，或其下土層剪力波速均大於300公尺/秒之最高土層面。基盤面以上之地盤稱為表層地盤(Surfacelayer)，表層地盤區分為殊特地盤與普通地盤，符合下列條件之一者是為特殊地盤。(1)表層地盤之N值與層厚符合表2.1。(2)表層地盤之N值在粘性土小於8，在砂質土小於15，且表層地盤之設計固有周期Tg，大於或等於1.0秒時。其中Tg係定義為表層地盤依一維剪力柱計算求得之設計固有周期(秒)。而特殊地盤除外之地盤是為普通地盤。表2.1N值與層厚符合特殊地盤之條件粘性土砂質土N值層厚N值層厚N=02m以上N≦55m以上N≦25m以上N≦1010m以上N≦410m以上如上所述，若地盤分類為特殊地盤，必須考慮地盤震動放大效應。此時在第二類地震(中小地震)時，必須設計橋梁的變位使得能讓車輛在設計速率350公里/小時之運行時能安全煞車至完全停止。尚須符合結構變位之檢核要求。地震作用時，基礎除受到橋梁結構振動傳下來之慣性力所造成的變位外，還受到表層地盤變位與基礎互制後產生之變位，因此基礎頂部水平變位量要包括此二部份。此外在第一類地震(大地震)時，亦同時檢核基礎同時考量上部結構所傳下來的慣性力及土壤動態地盤震動放大效應兩者因素時基礎所承受之應力是否超過結構所能提供之容許之應力。目前在分析基礎同時考量上部結構所傳下來的慣性力及土壤動態地盤震動放大效應兩者因素的方法，大致上可分為直接法及間接法兩種。直接法係建構整體結構(含梁、柱及基礎)模式及土壤網格資料，利用有限元素法進行土壤及結構互制的動態分析。所需輸入資料包括橋梁(含基礎)各構件之斷面性質、斷面係數及土壤參數動態剪力模數G、單位重、土層分佈、土壤彈簧(p-y曲線、t-z曲線、q-w曲線)以及基盤的地震加速度歷時記錄等。由於係在考慮時間域的狀態下進行之動態分析。因此需要較龐大的電腦程式來執行運算工作，而目前在工址基盤的地震加速度歷時記錄取得不易，直接法分析工作顯得較為複雜與困難。另一種分析方法為間接法，係疊加上部結構慣性力所產生樁之應力與考量特殊地盤效應產生之額外應力。如前所述，上部結構慣性力所產生樁之應力，可由擬靜力狀態分析求得。而考量特殊地盤效應之額外應力基本上即為土壤與結構(樁)互制行為的分析。整個的分析檢核流程如圖2.1所示。其中因考慮土壤之非線性行為，土壤之動態剪力模數隨著應變的增大而降低，因此需執行SHAKE程式來求得不同應變狀態下之G/Gmax。由於表層地盤變位與橋梁結構因地震慣性力產生的變位有相位差存在，其最大值不會同時發生，因此在疊加兩種變位量或應力時，應將橋梁結構因地震慣性力所造成的變位量或應力乘以一修正係數ν，此修正係數ν為結構物基本振動周期與表層地盤基本振動周期之函數。其數值可參考高鐵設計規範之規定，在此不再贅述。圖2.1考量特殊地盤效應檢核基樁配筋流程圖三、群樁效應當間距較窄的群樁承受水平力時，各樁間的土壤因樁頂的水平作用力導致各樁間土壤的應力有重疊現象。當作用力沿樁排列方向時，即平行樁排列方向時，後排樁的側向土壤抵抗力較前排樁的側向土壤抵抗力低，此現象仍歸因於群樁間土壤應力的重疊效應，亦可稱為”陰影效應(Shadow-Effect)”。相同的，當作用力係垂直於樁排列方向時，於群樁間兩側之樁亦會產生土壤應力重疊效應，此時亦可稱為”邊緣效應(Edge-Effect)”。圖3.1為依塑性理論推估樁受水平作用力時之影響區域之示意圖，其為土壤內摩擦角的函數。圖3.1群樁承受側向荷重影響區域示意圖高鐵設計規範規定群樁基礎設計時須適當考量群樁效應。群樁於承受水平力時，其各樁之行為受樁間之互制作用影響極大。受群樁互制效應的影響，群樁周圍土壤的側向極限抵抗力較單樁周圍土壤的側向極限抵抗力為低。因此樁群的側向抵抗力低於其中各單樁的側向抵抗力之和，即群樁效基樁配筋檢核(上部結構慣性力產生之應力)*v+特殊地盤效應產生之額外應力輸入資料1.土層資料2.基盤面反應譜相對應之地震歷時紀錄執行SHAKE程式輸出土壤動態剪力模數(EQIEQII)執行SAP程式(動力分析)樁之應力含彎矩、剪力、軸力及變位(考量特殊地盤效應)輸入資料1.基樁資料2.土層資料3.PGA4.基盤面地震反應譜荷重方向側向荷重影響區域SBS依塑性理論推算之影響區域為土壤內摩擦角的函數pileTHE10THCONFERENCEONRESEARCHESINGEOTECHNICALENGINEERINGINTAIWANOCT.2-42003SANCHIH率(GroupEfficiency)小於1.0。在相同荷重情況下，樁－土壤－樁的互制效應使承受水平力之群樁較單樁有較大的樁頂側向變位及樁身最大彎矩，同時群樁之最大彎矩發生的位置亦較單樁為深(范嘉程，1998)。群樁側向抵抗力與地層種類、樁之施工方式、樁數、荷重方向、樁之間距排列方式等有關。其中樁之間距及荷重方向為影響群樁效應的主要因素。國內一般之工程在進行基樁設計時，大部份係參考日本道路協會(1996)道路橋示方書、同解說的規定。只要群樁的樁中心距大於2.5D(D為樁徑)，均可不考慮群樁效應，唯有在樁中心距小於2.5D時，才需考慮群樁效應，而對土壤勁度即水平地盤反力係數作折減。依日本道路協會道路橋示方書之解說，一般在樁的中心距小於5D時，其群樁效應才會顯現出來。而考慮群樁效應對於水平地盤反力係數之些微折減並不會嚴重影響樁的彎曲應力，且因設計時已考量安全係數應已足夠涵蓋此因素，除非樁的間距非常的窄。加拿大基礎工程手冊(1978)及AASHTO(1996)公路橋梁標準規範中