淺談樁板結(jié)構(gòu)樁基計(jì)算

文/陳渝江 鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 重慶 400023

樁板結(jié)構(gòu)路基（pile-plank embankment）作為近年來一種新興的高速鐵路無碴軌道的路基結(jié)構(gòu)形式。它的上部結(jié)構(gòu)主要是由鋼筋混凝土承載板構(gòu)成，下部結(jié)構(gòu)則包括路基和鋼筋混凝土樁基兩部分；且板與軌道結(jié)構(gòu)直接相連，由此，可將樁、板、土路基三者組成一個(gè)完整的承載結(jié)構(gòu)體系。此體系充分結(jié)合了無碴軌道結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，使二者能共同作用，以滿足無碴軌道所要求的強(qiáng)度與沉降變形。本文主要以鄭西線臨潼車站為例，考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁的影響，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)樁基計(jì)算進(jìn)行研究，以期達(dá)到能夠初步確定負(fù)摩阻力深度、得到計(jì)算樁基負(fù)摩擦的方法和樁基承載力檢算方法等目的。

1、結(jié)構(gòu)形式

樁板結(jié)構(gòu)(piled slab structure)是隨著鐵路的建設(shè)而出現(xiàn)的一種新型軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，最顯著的特征是該結(jié)構(gòu)擁有與路基土體相互作用的鋼筋混凝土板，并且該板受其下路基土體的支承作用，同時(shí)樁在全長范圍內(nèi)受路基土體的側(cè)向約束作用[1]。如圖1所示：其中，板是設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的構(gòu)件。

根據(jù)目前國內(nèi)外工程的實(shí)踐應(yīng)用情況，樁板結(jié)構(gòu)主要有如下2種形式： (1)結(jié)構(gòu)由樁、鋼筋混凝土板、路基土體三部分組成，板位于路基表面，并與樁固結(jié)，軌道結(jié)構(gòu)直接作用在板上，如圖1所示；(2)結(jié)構(gòu)由樁、托梁、鋼筋混凝土板、路基土體四部分組成，具體為：先通過托梁橫向連接樁基，其上再與板相連，軌道結(jié)構(gòu)直接作用在板上；在板中位置處，樁板為固結(jié)；在板端位置處，樁板為搭接；如圖2所示[3]；

2、國內(nèi)工程實(shí)例

我國第一次采用樁板結(jié)構(gòu)是在遂渝線無砟軌道綜合試驗(yàn)段上。遂渝線采用的樁板結(jié)構(gòu)樁與板完全固結(jié)，板有單線跨度6×5m、5×5m、(5+10+5)m3種規(guī)格。其中，(5+10+ 5)m用在跨涵洞地段，其他兩種用于一般地段。同時(shí)板厚分情況設(shè)計(jì)：一般地段為0.6m，跨涵地段為0.8m。由于遂渝線是我國首次在土質(zhì)路基上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu)，為了施工的成功，還特意在板下澆筑了厚約0.1m的混凝土層。

對(duì)于新建的鄭州至西安客運(yùn)鐵路段（350km/h），為典型的雙線無碴軌道。由于其位于深度濕陷性黃土地段，深度超過20m，故普通復(fù)合地基的措施難以滿足設(shè)計(jì)要求，所以最終采用了帶托梁的樁板結(jié)構(gòu)。其中托梁采用現(xiàn)澆混凝土梁；板采用厚為0.6～0.8m、寬為10.5m的鋼筋混凝土板；樁采用鉆孔灌注樁；需要注意的是：在板的中間位置，樁與板是固結(jié)的；而在板端位置，樁與板是搭接的。京津城際鐵路是我國第一條時(shí)速300km以上的高速鐵路，最高運(yùn)營時(shí)速達(dá)到350km。

京津城際鐵路有三段路段因路基工后沉降或地基強(qiáng)度不能滿足鐵路建設(shè)技術(shù)要求，而采用了樁板結(jié)構(gòu)。其中DK81+906～DK84+000段的樁板結(jié)構(gòu)，樁采用的是CFG樁，樁頂設(shè)0.15m厚碎石墊層，碎石墊層上設(shè)0.5m厚的鋼筋混凝 土 板；DK105+337.2～DK108+723.91段的樁板結(jié)構(gòu)，樁采用了預(yù)制管樁及CFG樁，樁頂設(shè)0.15m或0.5m厚碎石墊層，碎石墊層上面設(shè)0.5m厚的鋼筋混凝土板；DK108+365～DK108 + 449段樁板結(jié)構(gòu)，樁采用鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)0.5m厚碎石墊層，碎石墊層上設(shè)0.5m厚的鋼筋混凝土板。這三段樁板結(jié)構(gòu)，均在板上又填筑了一定厚度的路基填料，然后在其上采用了CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

3、樁板結(jié)構(gòu)樁基計(jì)算

本文主要以鄭西線臨潼車站為例，闡述以上述結(jié)構(gòu)類型2為模型的樁基設(shè)計(jì)。就高壓縮性土層而言，我們考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁的影響，具體為阻力計(jì)算深度增大導(dǎo)致樁長度太大，從而使施工難度系數(shù)增加[3-4]。

下述內(nèi)容將對(duì)鉆孔灌注樁考慮負(fù)摩阻力情況下樁基的計(jì)算方式、承載力檢算方式、沉降檢算方式進(jìn)行簡單的闡述。

3.1 負(fù)摩阻力深度確定

樁負(fù)摩阻力，即樁在穿越軟弱土層的過程中，由于某種原因的發(fā)生，軟土層可能出現(xiàn)地面沉降、或黃土因濕陷而下沉等現(xiàn)象。此時(shí)，樁周圍的土體相對(duì)于樁身產(chǎn)生向下的位移，使樁身承受向下作用的摩擦力，這部分摩擦力即為負(fù)摩阻力[5]。

中性點(diǎn)，在地面發(fā)生沉降的地基中,長樁的上部為負(fù)摩擦力而下部往往仍為正摩擦力.正負(fù)摩擦力分界的地方稱為中性點(diǎn).。

為確定樁基的負(fù)摩擦計(jì)算深度，根據(jù)附加應(yīng)力小于0.2倍自重應(yīng)力的條件，荷載影響的附加應(yīng)力等于土體自重的附加應(yīng)力的0.2倍時(shí)，即為本工程的計(jì)算深度。路基填土容重為19KN/m3,地基地層的容重為17KN/m3，僅考慮樁板結(jié)構(gòu)寬度范圍板下部填土影響時(shí)，我們分別對(duì)填土高度為3m～8m的各種情況進(jìn)行了計(jì)算。具體情況如下：

據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)范相關(guān)規(guī)定，中性點(diǎn)深度ln，在黏性土層中折減系數(shù)一般取為0.5～0.6倍，當(dāng)樁周土層計(jì)算沉降量小于20mm時(shí)，可以進(jìn)一步折減0.4～0.8倍。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合臨潼車站已

樁板結(jié)構(gòu)施工前已經(jīng)采用復(fù)合地基加固，從而已經(jīng)進(jìn)一步縮小了沉降的實(shí)際情況。在施工工序上樁板結(jié)構(gòu)的施工在路基填土完成后1個(gè)月以上的時(shí)間才開始施工下部樁基，使得樁板結(jié)構(gòu)下部地基的剩余沉降較小，負(fù)摩擦深度可以進(jìn)行折減。我們最終確定此工程折減系數(shù)為0.5倍，并按照5～10m的深度考慮負(fù)摩擦力的影響。

3.2 計(jì)算樁基負(fù)摩擦的方法

具體分為以下兩種情況：

（1）對(duì)于中性點(diǎn)以上的情況，計(jì)算公式為

式中：

qin--第i層土的樁側(cè)負(fù)摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

ξni--樁周第i層土的負(fù)摩擦阻力系數(shù)。

σi--樁周第i層土的平均豎向有效應(yīng)力。

（2）對(duì)于考慮群樁效應(yīng)的情況，計(jì)算公式為：

式中：

Qgn--群樁中樁基負(fù)摩阻力

n--中性點(diǎn)以上的層數(shù)。

li--中性點(diǎn)以上第i層的厚度。

ηn--負(fù)摩擦阻力群樁效應(yīng)系數(shù)。

sax、say--分別為縱橫向樁的中心距。

qin--第i層土的樁側(cè)負(fù)摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

rm---樁周土層厚度的加權(quán)平均重度。

μ--負(fù)摩擦阻力系數(shù)

d—樁直徑

3.3 樁基承載力檢算

在此計(jì)算實(shí)例中，由于臨潼東站地基下部均為厚層黏性土，可按摩擦樁進(jìn)行承載力檢算[7]。

具體計(jì)算公式如下：

Ra=qpaAp+up∑qsiali

式中：

Ra--單樁豎向承載力特征值。

qpa、qsia--為樁端、樁側(cè)阻力的特征值。

Ap--為樁底端橫截面面積。

up-樁身周邊長度。

3.4 樁基沉降計(jì)算

沉降檢算分別按照單樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

對(duì)于樁底壓縮層沉降計(jì)算深度按照附加應(yīng)力小于0.2倍的地層的自重應(yīng)力進(jìn)行控制，根據(jù)檢算結(jié)果樁端土層的平均附加應(yīng)力均小于0.2倍的土層的自重應(yīng)力，樁端沉降可以忽略，樁基沉降僅需考慮樁本身的壓縮變形部分。

對(duì)樁基深度范圍單樁壓縮變形按照以下公式計(jì)算:

式中Se-樁身壓縮量

ξe—樁身壓縮系數(shù)，摩擦樁l/d≤30時(shí)取值為2/3, l/d ≥50時(shí)取值為1/2,介于兩者之間可線性插值。

Qj—樁頂?shù)母郊雍奢d

Lj—樁長

EC—樁身混凝土的彈性模量

Aps—樁身截面面積

結(jié)語：

目前樁板結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用與高速鐵路地基處理中，特別是在時(shí)速300km/h在無砟軌道鐵路路基地基處理中。對(duì)于解決軟土地基，巖堆及橋隧間短路基有顯著效果。能有效改善傳統(tǒng)土工建筑與結(jié)構(gòu)建筑之間的過渡條件。

鄭西客專經(jīng)過7年的運(yùn)行，證明樁板結(jié)構(gòu)效果良好，安全可行。

在設(shè)計(jì)過程中，負(fù)摩擦阻力跟土體的壓縮性，濕陷性密切相關(guān)，目前埋入式樁板結(jié)構(gòu)地基處理時(shí)，負(fù)摩擦阻力影響范圍內(nèi)，樁側(cè)提供正摩擦力在設(shè)計(jì)中不予以考慮。在樁板結(jié)構(gòu)施工前會(huì)采取以消除從而進(jìn)一步減小負(fù)磨擦阻力折減系數(shù)，提高樁的有效長度，可以提高樁板結(jié)構(gòu)在將來的應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

但樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中仍然存在以下問題：

1.樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目前尚沒有具體的規(guī)范，高壓縮土層負(fù)摩擦阻力折減系數(shù)只能靠經(jīng)驗(yàn)來確定，相對(duì)保守。

2.對(duì)于板的支承能力，目前沒有考慮土體對(duì)板的支承和約束。僅僅考慮了樁的作用，計(jì)算中明顯偏于保守，加強(qiáng)對(duì)土-樁-板之間的作用關(guān)系的研究能大大提高樁板結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

3.對(duì)于樁與板連接處、連續(xù)板的兩端、板上下產(chǎn)生的溫差所帶來的溫度應(yīng)力勢必會(huì)造成結(jié)構(gòu)中部分地方的應(yīng)力集中，對(duì)于樁板結(jié)構(gòu)的安全影響也不可低估。所以對(duì)溫度應(yīng)力對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的影響的研究，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)有著重要的指導(dǎo)意義。

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