武廣客專(zhuān)深厚軟土及巖溶路基樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肖朝乾

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 工點(diǎn)概況

DIK2028+100～DIK2028+300長(zhǎng)200 m，位于韶關(guān)至英德區(qū)間，段內(nèi)屬低山丘陵及河流堆積地貌，階地地勢(shì)平坦，多為農(nóng)田，植被一般，交通較方便。覆蓋土層為第四系上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)沖積層粉質(zhì)黏土、松軟土、卵石土，厚16 m～38 m，松軟土較厚，呈透鏡狀分布;下伏基巖為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳組灰?guī)r及大塘階石蹬子段灰?guī)r，巖溶發(fā)育，呈串珠狀分布，巖溶溶洞孔徑最大達(dá)10 m，地下水發(fā)育，地下水為孔隙水及基巖裂隙水，附近水質(zhì)無(wú)侵蝕性，環(huán)境土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱pH值腐蝕性(弱酸性腐蝕)。

2 設(shè)計(jì)工程措施比選

設(shè)計(jì)階段，地基處理措施主要有攪拌樁、CFG樁、旋噴樁、樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)等，巖溶處理措施主要采用注漿充填加固。本工點(diǎn)地表土層較厚，攪拌樁加固深度僅10多米、無(wú)法加固到設(shè)計(jì)深度，且攪拌樁為柔性樁，不能滿足路基工后沉降要求，CFG樁無(wú)法穿透卵石土層，施工困難;旋噴樁和樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，施工困難，不能保證工程質(zhì)量，解決不了巖溶問(wèn)題，且工程造價(jià)較高，不經(jīng)濟(jì)。尋求一種加固深度較大、施工便捷、造價(jià)合理且能有效控制工后沉降及巖溶塌陷的新型地基處理措施，成為設(shè)計(jì)的難題。為此，設(shè)計(jì)單位立項(xiàng)開(kāi)展了《武廣客運(yùn)專(zhuān)線軟土、松軟土特性及工程措施研究》《厚覆蓋型巖溶塌陷、沉陷預(yù)測(cè)與防治技術(shù)研究》課題研究，進(jìn)行了有限元分析計(jì)算、三維數(shù)值動(dòng)力仿真分析及室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)樁板梁結(jié)構(gòu)與高壓旋噴樁、樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)及橋跨方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，綜合考慮施工工藝及運(yùn)營(yíng)階段的可靠度等因素，最終確定采用鋼筋混凝土樁板結(jié)構(gòu)形式，樁板結(jié)構(gòu)是一種處理厚覆蓋層軟土地基或巖溶地基的有效措施，與其他地基處理手段相比，具有施工便捷、沉降變形控制優(yōu)良、結(jié)構(gòu)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)方面也具有一定優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，在我國(guó)鐵路建設(shè)，特別在高速鐵路建設(shè)中廣泛運(yùn)用。

3 樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以武廣客專(zhuān)DIK2028+100～DIK2028+300地基樁板結(jié)構(gòu)為例，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的荷載力系進(jìn)行分析，對(duì)承臺(tái)板及樁體的受力及變形計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)述，供樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

3.1 樁板結(jié)構(gòu)路基形式

樁板結(jié)構(gòu)路基由樁、承臺(tái)板、托梁、混凝土底座、道床板、軌道和扣件等組成，似橋跨結(jié)構(gòu)，一般沿線路縱向設(shè)置幾跨為一聯(lián)，跨度可根據(jù)需要設(shè)置，一般設(shè)為5 m，7.5 m，10 m，樁設(shè)置成左右兩排，左右樁之間頂部設(shè)置橫向托梁連接，托梁上部縱向設(shè)置承臺(tái)板，承臺(tái)板上部設(shè)置軌道結(jié)構(gòu)，樁板結(jié)構(gòu)的橫縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)示意圖

道床板及混凝土底座尺寸由軌道結(jié)構(gòu)形式(雙塊式、板式或其他)確定;承臺(tái)板尺寸主要由跨度及左右線間距確定:托梁尺寸主要由左右線間距確定。樁為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑采用1 m，1.25 m或1.5 m，樁長(zhǎng)根據(jù)地層情況確定。

3.2 樁板結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮了列車(chē)及軌道荷載、溫度應(yīng)力、混凝土收縮、樁基不均勻沉降等因素，分別按承臺(tái)板、托梁、樁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力檢算。

3.2.1 承臺(tái)板結(jié)構(gòu)計(jì)算

1)承臺(tái)板荷載分析。

采用ZK—活載進(jìn)行分析，活載形式見(jiàn)圖2。

考慮橫向最大受力位置取1 m寬度進(jìn)行計(jì)算，承臺(tái)板縱向等效受力圖如圖3所示，其中，q2和q2'為列車(chē)活載;q1為作用在承臺(tái)板上的恒載。

圖2 ZK標(biāo)準(zhǔn)活載示意圖

圖3 承臺(tái)板縱向等效受力圖（單位：m）

2)恒載(主力)。

取混凝土底座下方2.8 m寬度范圍內(nèi)承臺(tái)板，進(jìn)行荷載分析，求得承臺(tái)板實(shí)際寬度范圍內(nèi)沿樁板結(jié)構(gòu)縱向均布荷載為:q1=板寬×(鋼軌+扣件+道床板+底座+承臺(tái)板)。

3)列車(chē)活載(主力)。

列車(chē)活載:剪力=動(dòng)力系數(shù)×200/2.8;

彎矩=動(dòng)力系數(shù)×64/2.8。

4)列車(chē)制動(dòng)力(附加力)。

列車(chē)制動(dòng)力:取列車(chē)靜活載的7%。

5)溫度荷載(附加力)。

溫度應(yīng)力主要來(lái)自于承臺(tái)板頂面與底面的溫差。由于頂面受日照輻射和氣溫變化等因素影響下溫度變化較快，內(nèi)部溫度隨之也發(fā)生變化;底面與地基接觸，溫度相當(dāng)穩(wěn)定，故因溫差影響造成承臺(tái)板表面與底面熱脹冷縮不同步，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

擬定承臺(tái)板的溫差荷載為如下形式:

其中，Ty為距頂面為y處的溫差;T0為板頂面與底面之間的溫度差;a為指數(shù)值;y為以板頂面為原點(diǎn)，向下為正，m。

6)各種組合工況下承臺(tái)板的內(nèi)力包絡(luò)圖。

在支座沉降、溫度荷載、恒載、列車(chē)移動(dòng)荷載、列車(chē)制動(dòng)力工況組合作用下，承臺(tái)板的內(nèi)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖4。

圖4 組合工況下承臺(tái)板的彎矩及剪力包絡(luò)圖

由圖4所示，組合工況下，承臺(tái)板的最大正彎矩為發(fā)生在邊跨處，距中間支座約1.86 m位置;最大負(fù)彎矩發(fā)生在中間支座處;最大正剪力、最大負(fù)剪力均發(fā)生在中間支座處。

3.2.2 托梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

1)托梁的荷載分析。

a.托梁上的荷載主要包括自重，以及承臺(tái)板及承臺(tái)板上乘結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的恒載與活載。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，又偏于安全把托梁上的荷載等價(jià)為作用在托梁上的均布荷載q，見(jiàn)圖5。

圖5 托梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

q的計(jì)算公式:

其中，F(xiàn)為單樁豎向受力;L為托梁長(zhǎng)。

b.圖5中f為2倍的排樁橫向水平力，即f=2F1。

c.托梁埋在土中，故不考慮溫度荷載的影響。

2)組合工況下托梁的內(nèi)力包絡(luò)圖。

在支座沉降、荷載q與f組合作用下，托梁的內(nèi)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖6。

圖6 組合工況下托梁的彎矩及剪力包絡(luò)圖

由圖6可知，組合工況下，托梁的最大正彎矩發(fā)生在中跨處，距跨中0.5 m位置，靠近支座發(fā)生沉降的一側(cè);最大負(fù)彎矩發(fā)生在支座處;最大正剪力、負(fù)剪力均發(fā)生在支座處。

3.2.3 樁體的計(jì)算

1)樁體的荷載分析。

a.單樁樁頂橫向受力分析。

單樁樁頂橫向等效受力包括橫向力(F)、離心力、橫向搖擺力以及收縮徐變影響產(chǎn)生的內(nèi)力等;M為樁承受的橫向彎矩。

離心力:

樁板結(jié)構(gòu)在曲線上時(shí)，考慮列車(chē)豎向靜活載產(chǎn)生的離心力，計(jì)算公式:

其中，R為曲線半徑;f為離心力折減系數(shù)。

橫向搖擺力:

根據(jù)規(guī)范，橫向搖擺力應(yīng)取100 kN，作為一個(gè)集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。多線橋梁只計(jì)算任一線上的橫向搖擺力。

搖擺力擺放位置見(jiàn)圖7。計(jì)算中僅考慮樁的水平抗力，只計(jì)橫向搖擺力而不計(jì)支座沉降、溫度及其他荷載的影響，分相鄰聯(lián)分擔(dān)搖擺力和不分擔(dān)搖擺力兩種情況。

圖7 橫向搖擺力加載7號(hào)排樁單樁橫向力分布

橫向彎矩:

橫向彎矩在托梁計(jì)算中求得。綜合以上分析，單樁樁頂橫向受力如圖8所示。

b.單樁樁頂縱向受力分析。

單樁的縱向等效受力圖如圖8所示，其中縱向力(F)包括長(zhǎng)鋼軌縱向水平溫度力、撓曲力、牽引力或制動(dòng)力以及收縮徐變影響等;M為樁縱向承受的彎矩。所有傳遞至軌道結(jié)構(gòu)的縱向力均靠扣件縱向阻力來(lái)提供平衡，為了方便計(jì)算，縱向受力進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

扣件阻力:

每組扣件設(shè)計(jì)阻力按6.5 kN計(jì)。

收縮徐變的影響:

根據(jù)規(guī)范，考慮混凝土收縮徐變的影響時(shí)，只需在計(jì)算溫度荷載時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)施加－15℃的溫度荷載。

縱向彎矩:

綜合以上分析，單樁樁頂縱向受力如圖8所示。

2)單樁計(jì)算與設(shè)計(jì)。

路基本體和地基對(duì)樁體的側(cè)向約束作用采用地基系數(shù)法中的“m法”進(jìn)行計(jì)算。樁底按鉸支考慮，樁頂按自由端考慮，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖9，圖中原點(diǎn)為樁頂。

圖8 單樁樁頂橫向（縱向）等效受力圖

圖9 樁體計(jì)算簡(jiǎn)圖

a.樁的內(nèi)力計(jì)算。

計(jì)算樁任一截面的內(nèi)力過(guò)程如下:

樁任一截面(坐標(biāo)值為y)的剪力，按下面公式計(jì)算:

其中，AQy=Ax0A4y+Aφ0B4y+D4y;BQy=Bx0A4y+Bφ0B4y+C4y;Ax0，A4y，Aφ0，B4y，D4y，Bx0，Bφ0，C4y均為無(wú)量綱常數(shù)，可根據(jù)樁的換算深度 λy=αh查表(見(jiàn)《抗滑樁計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》書(shū)65頁(yè)表3-3)求得。

樁任一截面(坐標(biāo)值為y)的彎矩，按下面公式計(jì)算:

其中，AMy=Ax0A3y+Aφ0B3y+D3y;BMy=Bx0A3y+Bφ0B3y+C3y;Ax0，A3y，Aφ0，B3y，D3y，Bx0，Bφ0，C3y均為無(wú)量綱常數(shù)，可根據(jù)樁的換算深度λy=αh查表求得。

b.樁的變形計(jì)算。

最大撓度:

其中，Ax0和Bx0均為無(wú)量綱系數(shù)，可查表求得。

最大轉(zhuǎn)角:

計(jì)算公式:

其中，Aφ0和 Bφ0均為無(wú)量綱系數(shù)，可查表求得。

4 樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖及施工情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及橋涵結(jié)構(gòu)物情況，進(jìn)行孔跨布置，本工點(diǎn)共7聯(lián)，其中1聯(lián)為(1-7.5+1-10+1-7.5)m，其余6聯(lián)為3×7.5 m，孔跨確定后，根據(jù)樁位的地質(zhì)情況確定每根樁長(zhǎng)度，樁長(zhǎng)38 m～76 m，具體詳見(jiàn)圖10。

圖10 斷面設(shè)計(jì)圖

施工時(shí)，先確定樁孔位置，鉆孔施工樁體，樁體灌注達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，施工橫向托梁，然后再施工鋼筋混凝土承臺(tái)板。

5 結(jié)語(yǔ)

試運(yùn)營(yíng)階段對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果揭示，承臺(tái)板及托梁內(nèi)力分布規(guī)律與理論值相符，且較理論值平均小31.32%，鋪軌前后承臺(tái)板平均沉降差為1.31 mm，驗(yàn)證了理論計(jì)算的合理性和設(shè)計(jì)的安全性。運(yùn)營(yíng)四年多來(lái)，樁板結(jié)構(gòu)情況良好，基本為零維修，滿足了高速鐵路嚴(yán)格的工后沉降要求。樁板結(jié)構(gòu)作為一種新型地基處理措施，特別適合巖溶軟土地基處理，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著，成果工程意義重大，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

［1］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.武廣客運(yùn)專(zhuān)線軟土松軟土特性及路基工程措施研究［R］.2010.

［2］TB 10106-2010，鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程［S］.