淺埋式樁板結(jié)構(gòu)在寶蘭客運專線濕陷性黃土短路基中的應(yīng)用研究

張 然

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

1 研究目的

1.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

寶雞至蘭州客運專線橫貫陜西和甘肅兩省，線路東起陜西省寶雞市，經(jīng)甘肅省天水市、秦安縣、通渭縣、定西市、榆中縣，穿越皋蘭山沿折向西至新建蘭州西客站，為西部地區(qū)快速客運系統(tǒng)主骨架之一。線路正線長度400.6 km，鐵路等級為客運專線，設(shè)計速度目標(biāo)值250 km/h，通過能力為列車最小追蹤間隔時間3 min，正線線間距4.6 m，正線及站內(nèi)相鄰到發(fā)線軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

1.2 技術(shù)難題

本線為山區(qū)高速鐵路，橋隧比重高達94%，橋隧間短路基眾多，并且沿線自重濕陷性黃土濕陷等級以Ⅲ、Ⅳ級為主，厚度深(局部可達40 m以上)、濕陷量大等特點。由于橋梁、隧道、涵洞及路基工程結(jié)構(gòu)物軌下基礎(chǔ)有很大的差異，這就決定了軌道的剛度和變形在線路縱向變化的不均勻。為了減少因線路不均勻變形引起對車輛運行平穩(wěn)性的影響，需要把路基沉降值控制在一定的范圍內(nèi)，并盡量減少路、橋、隧不同結(jié)構(gòu)物之間的沉降差異值。

2 研究方法

寶蘭客運專線地層狀況復(fù)雜，經(jīng)綜合分析比較，除了采用挖除換填、強夯、灰土擠密樁、柱錘沖擴樁、長短樁(CFG+擠密樁)常規(guī)措施外，針對頻繁過渡的短路基及深厚層濕陷性黃土地段采用淺埋式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)措施進行處理，淺埋式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)具有強度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好等特點，能有效地控制路基工后沉降并減少橋梁、隧道及路基結(jié)構(gòu)物的工后沉降差異值。對其結(jié)構(gòu)形式、計算分析、布置形式、施工工藝等進行研究。

2.1 淺埋式樁板結(jié)構(gòu)簡介(圖1)

淺埋式樁板結(jié)構(gòu)由下部鋼筋混凝土樁基、路基本體與上部鋼筋混凝土承載板組成。板頂位于基床表層(級配碎石)底面，鋼筋混凝土板由鋼筋混凝土樁支撐，路基填土及地基給樁提供側(cè)向抗力，樁、板與地基土共同組成一個承載結(jié)構(gòu)體系，來承受上部荷載，可以有效地控制路基的工后沉降。

圖1 淺埋式樁板結(jié)構(gòu)斷面

2.2 與其他結(jié)構(gòu)物的連接形式(圖2)

樁板結(jié)構(gòu)端部跨度過大，板的彎矩和跨中撓度增大，端部跨度過小，端部的樁頂彎矩增大，在列車經(jīng)過端部第二跨時，板端會向上翹起，故樁板結(jié)構(gòu)端部與相鄰結(jié)構(gòu)物應(yīng)搭接，端跨長度一般為3～6 m。通過調(diào)整跨度、懸臂段長度、改變涵洞基礎(chǔ)形式和設(shè)置牛腿等方式，使樁板結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)物進行平順連接、過渡。在滿足路基工后沉降的前提下，也可通過調(diào)整樁長和樁的平面布置減小路基與橋梁及隧道之間沉降差異值。

圖2 樁板結(jié)構(gòu)與橋涵連接效果圖

2.3 板寬及樁徑計算

樁板結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的力法，將板從各跨中部斷開，去掉多余約束，代以相應(yīng)的多余未知力，使之成為靜定基本體系。結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)計算簡圖

按照變形協(xié)調(diào)原理，即上述基本體系在荷載及多余未知力共同作用下，沿多余未知力方向的位移等于原超靜定結(jié)構(gòu)的位移，建立變形協(xié)調(diào)方程

式中 揉度系數(shù)δij——基本結(jié)構(gòu)由于Xj=1引起的Xi方向上的位移;

Δip——由于外部荷載引起 Xi方向上的位移;

Δi——原超靜定結(jié)構(gòu)沿 Xi方向上的給定的位移。

通過求解方程組，計算板厚度 0.7 m、寬度10.1 m、樁徑1 m能滿足頂板上部荷載要求，樁和板的裂縫寬度計算值小于0.25 mm。

2.4 樁位布置形式(圖4)

樁板結(jié)構(gòu)鉆孔樁橫向間距4.6 m，縱向間距為3～7 m，樁板結(jié)構(gòu)在溫差荷載較小時結(jié)構(gòu)受力分為伸縮區(qū)和固定區(qū)，溫差荷載較大時，樁板結(jié)構(gòu)受力全部為伸縮區(qū)，當(dāng)溫差荷載增加到一定程度，端樁樁頂位移超過了規(guī)定限值，此時端樁樁頂位移成為控制條件。溫差荷載對結(jié)構(gòu)端部的3～4排樁影響相對較大，應(yīng)對端部結(jié)構(gòu)進行加強。在計算樁板結(jié)構(gòu)兩端跨度時，應(yīng)盡量使兩端的樁頂彎矩減小。

圖4 樁位布置(單位:cm)

2.5 施工工藝

路基本體填筑至樁板結(jié)構(gòu)板底高程時，進行樁板結(jié)構(gòu)施工，由于鉆孔樁施工對路基面破壞較大，故將路基面高程高出設(shè)計10 cm，施工板結(jié)構(gòu)時將多余部分清除，施工墊層，確保板下填土密實。樁板結(jié)構(gòu)施工主要分3階段進行，鉆孔樁施工階段、板施工階段及板合龍施工階段。施工工藝流程見圖5。

3 研究結(jié)果

3.1 消除淺層黃土濕陷性的必要性

樁身穿越深厚層自重濕陷性黃土層時應(yīng)考慮負摩擦對樁的影響，為減小因濕陷和上部填土荷載的共同作用，將會大大增加負摩擦的深度，使樁長長度太大，導(dǎo)致施工的困難及工程造價的增加，故采用6～8 m素土擠密樁將上部淺層黃土濕陷性消除，既減小負摩擦影響深度，減少樁長、節(jié)約投資，又提高了地基承載力，減小板與路堤本體的脫開距離。

圖5 施工工藝流程

3.2 沉降控制效果

通過沉降計算分析表明，地基采用淺埋式樁板結(jié)構(gòu)處理，路基工后最大沉降值小于8 mm，控制沉降效果顯著，滿足規(guī)范要求;與相連橋臺的沉降差異值最大為3.9 mm，小于5 mm，能有效地減少結(jié)構(gòu)物之間的工后沉降差異值。沉降計算值見表1。

表1 沉降計算值

樁板結(jié)構(gòu)工后沉降隨著樁間距跨度增加基本呈線性變化，通過對端部樁間距適當(dāng)加密，既能減小溫差荷載對結(jié)構(gòu)的影響，又能更嚴(yán)格地控制與橋梁、隧道結(jié)構(gòu)物的沉降差異值。跨度與沉降關(guān)系曲線見圖6。

圖6 跨度與沉降關(guān)系

3.3 技術(shù)優(yōu)勢

淺埋式樁板結(jié)構(gòu)既能保證路基具有足夠的強度和剛度，又能達到滿足承載力要求和路基沉降變形控制的目的，解決了深厚層濕陷性黃土地基路基沉降控制困難、道岔區(qū)不宜設(shè)橋的技術(shù)難題。

同等工程條件下，填方高度小于6 m地段對設(shè)置橋梁及路基(區(qū)間正線)進行經(jīng)濟比較，通過優(yōu)化路堤填料，在工程費用上樁板結(jié)構(gòu)路基要比橋梁低20%。路基樁板結(jié)構(gòu)與橋梁相比有一定優(yōu)勢，尤其是在車站多線范圍內(nèi)，效果更為顯著。

4 結(jié)語

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對路基工后沉降要求非常嚴(yán)格，尤其是路基、橋梁、涵洞及隧道過渡段存在有兩方面的問題，一是受到列車荷載影響較大的范圍內(nèi)基床以上部分線路結(jié)構(gòu)抵抗變形能力差異，即軌道綜合模量剛度平順過渡的問題，二是人工結(jié)構(gòu)的剛性橋臺與土工結(jié)構(gòu)的柔性路基間工后沉降差引起軌面彎折的限值問題。淺埋式樁板結(jié)構(gòu)施工簡單，是加固深厚層軟土、濕陷性黃土、頻繁過渡段路基的有效方法，不僅能滿足路基工程工后沉降控制要求，而且能更好地控制相鄰結(jié)構(gòu)物軌下基礎(chǔ)沉降差異值，使軌道的剛度逐漸變化，提高列車平順性及旅客舒適度。

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