武廣客專深厚軟土及巖溶路基樁板結構設計

肖朝乾

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 工點概況

DIK2028+100～DIK2028+300長200 m，位于韶關至英德區間，段內屬低山丘陵及河流堆積地貌，階地地勢平坦，多為農田，植被一般，交通較方便。覆蓋土層為第四系上更新統及中更新統沖積層粉質黏土、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巖關階孟公坳組灰巖及大塘階石蹬子段灰巖，巖溶發育，呈串珠狀分布，巖溶溶洞孔徑最大達10 m，地下水發育，地下水為孔隙水及基巖裂隙水，附近水質無侵蝕性，環境土對混凝土結構具弱pH值腐蝕性(弱酸性腐蝕)。

2 設計工程措施比選

設計階段，地基處理措施主要有攪拌樁、CFG樁、旋噴樁、樁網結構等，巖溶處理措施主要采用注漿充填加固。本工點地表土層較厚，攪拌樁加固深度僅10多米、無法加固到設計深度，且攪拌樁為柔性樁，不能滿足路基工后沉降要求，CFG樁無法穿透卵石土層，施工困難;旋噴樁和樁網結構，施工困難，不能保證工程質量，解決不了巖溶問題，且工程造價較高，不經濟。尋求一種加固深度較大、施工便捷、造價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，成為設計的難題。為此，設計單位立項開展了《武廣客運專線軟土、松軟土特性及工程措施研究》《厚覆蓋型巖溶塌陷、沉陷預測與防治技術研究》課題研究，進行了有限元分析計算、三維數值動力仿真分析及室內縮尺模型試驗。通過對樁板梁結構與高壓旋噴樁、樁網結構及橋跨方案的技術經濟比較，綜合考慮施工工藝及運營階段的可靠度等因素，最終確定采用鋼筋混凝土樁板結構形式，樁板結構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、沉降變形控制優良、結構安全可靠等優點，在經濟方面也具有一定優勢，近年來，在我國鐵路建設，特別在高速鐵路建設中廣泛運用。

3 樁板結構設計

本文以武廣客專DIK2028+100～DIK2028+300地基樁板結構為例，對樁板結構的荷載力系進行分析，對承臺板及樁體的受力及變形計算進行簡述，供樁板結構設計參考。

3.1 樁板結構路基形式

樁板結構路基由樁、承臺板、托梁、混凝土底座、道床板、軌道和扣件等組成，似橋跨結構，一般沿線路縱向設置幾跨為一聯，跨度可根據需要設置，一般設為5 m，7.5 m，10 m，樁設置成左右兩排，左右樁之間頂部設置橫向托梁連接，托梁上部縱向設置承臺板，承臺板上部設置軌道結構，樁板結構的橫縱斷面見圖1。

圖1 樁板結構示意圖

道床板及混凝土底座尺寸由軌道結構形式(雙塊式、板式或其他)確定;承臺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，樁長根據地層情況確定。

3.2 樁板結構計算

結構計算考慮了列車及軌道荷載、溫度應力、混凝土收縮、樁基不均勻沉降等因素，分別按承臺板、托梁、樁體結構進行受力檢算。

3.2.1 承臺板結構計算

1)承臺板荷載分析。

采用ZK—活載進行分析，活載形式見圖2。

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

圖2 ZK標準活載示意圖

圖3 承臺板縱向等效受力圖（單位：m）

2)恒載(主力)。

取混凝土底座下方2.8 m寬度范圍內承臺板，進行荷載分析，求得承臺板實際寬度范圍內沿樁板結構縱向均布荷載為:q1=板寬×(鋼軌+扣件+道床板+底座+承臺板)。

3)列車活載(主力)。

列車活載:剪力=動力系數×200/2.8;

彎矩=動力系數×64/2.8。

4)列車制動力(附加力)。

列車制動力:取列車靜活載的7%。

5)溫度荷載(附加力)。

溫度應力主要來自于承臺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，內部溫度隨之也發生變化;底面與地基接觸，溫度相當穩定，故因溫差影響造成承臺板表面與底面熱脹冷縮不同步，從而產生溫度應力。

擬定承臺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為指數值;y為以板頂面為原點，向下為正，m。

6)各種組合工況下承臺板的內力包絡圖。

在支座沉降、溫度荷載、恒載、列車移動荷載、列車制動力工況組合作用下，承臺板的內力包絡圖見圖4。

圖4 組合工況下承臺板的彎矩及剪力包絡圖

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

3.2.2 托梁結構計算

1)托梁的荷載分析。

a.托梁上的荷載主要包括自重，以及承臺板及承臺板上乘結構傳遞下來的恒載與活載。為了簡化計算，又偏于安全把托梁上的荷載等價為作用在托梁上的均布荷載q，見圖5。

圖5 托梁計算簡圖

q的計算公式:

其中，F為單樁豎向受力;L為托梁長。

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力包絡圖。

在支座沉降、荷載q與f組合作用下，托梁的內力包絡圖見圖6。

圖6 組合工況下托梁的彎矩及剪力包絡圖

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

3.2.3 樁體的計算

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生的內力等;M為樁承受的橫向彎矩。

離心力:

樁板結構在曲線上時，考慮列車豎向靜活載產生的離心力，計算公式:

其中，R為曲線半徑;f為離心力折減系數。

橫向搖擺力:

根據規范，橫向搖擺力應取100 kN，作為一個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。多線橋梁只計算任一線上的橫向搖擺力。

搖擺力擺放位置見圖7。計算中僅考慮樁的水平抗力，只計橫向搖擺力而不計支座沉降、溫度及其他荷載的影響，分相鄰聯分擔搖擺力和不分擔搖擺力兩種情況。

圖7 橫向搖擺力加載7號排樁單樁橫向力分布

橫向彎矩:

橫向彎矩在托梁計算中求得。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)包括長鋼軌縱向水平溫度力、撓曲力、牽引力或制動力以及收縮徐變影響等;M為樁縱向承受的彎矩。所有傳遞至軌道結構的縱向力均靠扣件縱向阻力來提供平衡，為了方便計算，縱向受力進行簡化計算。

扣件阻力:

每組扣件設計阻力按6.5 kN計。

收縮徐變的影響:

根據規范，考慮混凝土收縮徐變的影響時，只需在計算溫度荷載時，對結構施加－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)單樁計算與設計。

路基本體和地基對樁體的側向約束作用采用地基系數法中的“m法”進行計算。樁底按鉸支考慮，樁頂按自由端考慮，計算簡圖見圖9，圖中原點為樁頂。

圖8 單樁樁頂橫向（縱向）等效受力圖

圖9 樁體計算簡圖

a.樁的內力計算。

計算樁任一截面的內力過程如下:

樁任一截面(坐標值為y)的剪力，按下面公式計算:

其中，AQy=Ax0A4y+Aφ0B4y+D4y;BQy=Bx0A4y+Bφ0B4y+C4y;Ax0，A4y，Aφ0，B4y，D4y，Bx0，Bφ0，C4y均為無量綱常數，可根據樁的換算深度 λy=αh查表(見《抗滑樁計算及結構設計》書65頁表3-3)求得。

樁任一截面(坐標值為y)的彎矩，按下面公式計算:

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

b.樁的變形計算。

最大撓度:

其中，Ax0和Bx0均為無量綱系數，可查表求得。

最大轉角:

計算公式:

其中，Aφ0和 Bφ0均為無量綱系數，可查表求得。

4 樁板結構設計圖及施工情況

根據現場地質情況及橋涵結構物情況，進行孔跨布置，本工點共7聯，其中1聯為(1-7.5+1-10+1-7.5)m，其余6聯為3×7.5 m，孔跨確定后，根據樁位的地質情況確定每根樁長度，樁長38 m～76 m，具體詳見圖10。

圖10 斷面設計圖

施工時，先確定樁孔位置，鉆孔施工樁體，樁體灌注達到設計強度后，施工橫向托梁，然后再施工鋼筋混凝土承臺板。

5 結語

試運營階段對樁板結構的測試結果揭示，承臺板及托梁內力分布規律與理論值相符，且較理論值平均小31.32%，鋪軌前后承臺板平均沉降差為1.31 mm，驗證了理論計算的合理性和設計的安全性。運營四年多來，樁板結構情況良好，基本為零維修，滿足了高速鐵路嚴格的工后沉降要求。樁板結構作為一種新型地基處理措施，特別適合巖溶軟土地基處理，經濟效益及社會效益顯著，成果工程意義重大，具有廣泛的推廣應用前景。

［1］中鐵二院工程集團有限責任公司.武廣客運專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規程［S］.