委內瑞拉鐵路車站硬橫跨基礎選型及計算研究

徐 燃

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

委內瑞拉鐵路車站硬橫跨基礎選型及計算研究

徐 燃

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

委內瑞拉北部鐵路是中國中鐵EPC總承包的重要海外項目之一，設計運營速度為220 km/h。在車站范圍內接觸網支柱基礎采用旋挖鉆鉆孔灌注樁基礎，設計計算相應的基礎的埋深、基礎尺寸、錨栓埋深、基礎抗傾覆等均滿足規范要求。車站硬橫跨支柱基礎選用旋挖鉆鉆孔灌注樁進行設計和施工，能達到事半功倍的效果；在進行結構計算時，要考慮美國標準以及委內瑞拉當地規范(如荷載系數的取值、單位差異、風荷載)，以及使用的計算軟件、計算方法，還要考慮材料強度等級等。本文所論述的車站內接觸網硬橫跨基礎的選型及計算，可供參與海外電力及電氣化工程的同行們參考。

基礎選型； 樁基礎； 規范差異； 計算

委內瑞拉鐵路項目是目前中國中鐵海外的主要工程項目之一。整個工程受當地國情、技術規范、法律法規等多方面因素的制約，再加上設計理念和語言環境的不同，在設計上形成了很多問題。一些國內的通用的設計資料和文件，在委內瑞拉當地必須改變設計思路，重新對設計文件及圖紙進行全方位的優化，并且需要得到監理工程師的認可和批準后才能施工。

1 基礎選型

我國在車站范圍內采用硬橫跨支柱通常為圓形鋼管柱和角鋼格構式支柱，與支柱配套的接觸網硬橫跨基礎一般是根據地質專業提供的相關土壤參數和地基承載力，在滿足地基承載力的相關計算要求和GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》剛性角要求的情況下，根據支柱法蘭盤的尺寸選用預埋錨栓形式的擴大式剛性基礎。設計計算相應的剛性基礎(無筋擴展基礎)的埋深、基礎尺寸、錨栓埋深、基礎抗傾覆等要求時，很少采用鋼筋混凝土擴大基礎，僅僅是在特殊地質區段配置構造鋼筋或加入部分鋼筋籠以加強基礎的剛度。而且剛性基礎作為擴大基礎的一種形式，施工時是需要大開挖和深開挖的。擴大基礎的施工存在以下幾個缺點：(1)大部分基坑需要人工開挖，需要耗費大量的人力資源；(2)基礎容易產生滑移或傾斜；(3)基坑坑壁由于開挖較深，在重力或其他外力的作用下使土壤剪切力增加，以及地表水作用下土層濕滑承載力降低等原因會導致邊坡失穩并坍塌；(4)后期還需要對基坑進行原狀土回填并夯實；(5)高速鐵路路基為整體路基，大開挖容易對路基整體產生擾動。

委內瑞拉施工法規相對禁止施工基礎時采用大量人力資源進行基坑開挖和基礎澆筑的，因為一條鐵路的接觸網基礎非常之多，委內瑞拉當地降水比較頻繁，擴大基礎基坑開挖過后勢必會引起積水，加上基坑坑壁容易坍塌，很容易造成人員傷亡事故的發生。而且大量的人工費會導致一個基礎最終的費用很高，甚至超過樁基礎的材料費用。

旋挖鉆鉆孔灌注樁由于采用機械施工，相對于擴展基礎的施工具有以下幾個優點：(1)易操作性，工作效率高，鉆孔速度快，人工費相應節?。?2)孔壁穩定性好，成孔后清孔徹底；(3)在孔壁上會形成較明顯的螺旋線，有助于提高樁的摩阻力；(4)在地下水位比較低的區域，可以不考慮排水對基礎施工造成的影響，鉆孔成型后可直接安放鋼筋籠并在水下用鋼導管灌注混凝土。但灌注樁也存在以下缺點：(1)造價高，基礎深度更深，在施工完成后如基礎存在缺陷檢測很麻煩，很多時候需要廢棄重新澆筑；(2)需要二次清孔，安放鋼筋籠前容易造成沉渣，比較麻煩；(3)接觸網樁基礎的尺寸為1.8 m和2.0 m，因為需要和上部鋼結構硬橫跨支柱的地腳螺栓尺寸配套，所以比一般的樁徑都大，為非常規尺寸，在購買旋挖鉆鉆頭的時候需要特殊定制。在與監理工程師的數次討論及研究過后，為避免對路基產生擾動以及為克服上述擴大基礎的問題及缺點，同時在保證施工可靠性和安全性的基礎上，委內瑞拉北部鐵路車站硬橫跨支柱基礎選型最終定為用旋挖鉆鉆孔灌注樁進行設計和施工。

2 中外規范差異

由于委內瑞拉監理工程師要求設計時按照委內瑞拉當地規范或美國規范進行基礎設計。經認真對比和分析，下面對中外規范的一些差異進行闡述。

2.1 美國混凝土建筑規范ACI318和AASHTO材料規范的差異

(1)荷載系數的取值與我國GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》的取值方法不盡相同，AASHTO中對極限狀態分為強度極限狀態、極端事件極限狀態和使用極限狀態。其中強度極限狀態分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等5種情況，極端事件極限狀態分為Ⅰ、Ⅱ兩種情況，使用極限狀態分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4種情況，在結構計算時相應的荷載組合有很多種，還有其他荷載分項系數需要考慮并代入計算公式中(具體見AASHTO LRFD SI-2007.3 3.4節)。我國(GB 50009-2012)《建筑結構荷載規范》中3.1節規定“建筑結構設計應根據使用過程中在結構上可能同時出現的荷載，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載組合，并應取各自最不利的組合進行設計”。沒有美標材料規范中那么復雜，而且3.2.4中規定“基本組合的荷載分項系數，應按下列規定采用：永久荷載的分項系數應符合下列規定：當永久荷載效應對結構不利時，對由可變荷載效應控制的組合應取1.2 ，對由永久荷載效應控制的組合應取1.35;當永久荷載效應對結構有利時，不應大于1.0。可變荷載的分項系數應符合下列規定：對標準值大于4 kN/m2的工業房屋樓面結構的活荷載，應取1.3；其他情況應取1.4”。

(2)單位差異：如混凝土和土壤，國內更多的采用的是材料重度(kN/m3)，而美國材料規范中用的是材料密度(kg/m3)；我國采用的鋼筋尺寸單位為毫米(mm)，而美國規范采用的鋼筋尺寸單位是(英寸)。

(3)風荷載：接觸網硬橫跨計算時需計算風荷載，我國GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》和TB 10009-2005《鐵路電力牽引供電設計規范》中對風壓的計算、風壓高度變化系數及風壓體型系數均有要求，而AASHTO LRFD SI-2007《美國橋梁設計規范》中提出“規定的壓力應假定是由基本設計風速VB=160 km/h引起的”，其他風壓的計算都必須體現出VB這個值，對于接觸網硬橫跨這種鋼桁架結構，風壓的取值也不同。其次，AASHTO中還要求了風壓的攻擊角度，這與國內的做法也不盡相同。

2．2 計算軟件及計算方法

委內瑞拉結構監理接受SAP 2000計算軟件的計算結果。計算方法上面，美國規范ACI318中對基礎受力的計算公式基本沒有，而中國GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》以及歐洲巖土工程設計標準中對基礎的計算計算公式比較詳細，最終計算要求還是同時按照BS EN1997-1：2004( Eurocode 7：Geotechnical design-Part 1)和JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》，以及土彈簧SAP2000建模得來。

2．3 材料

按照我國GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》混凝土的強度按照混凝土的軸心抗壓強度分為C15～C80共14個等級，而美國混凝土規范中的混凝土等級fcc來取值(單位我國規范是Mpa，美國規范是psi)。鋼筋我國采用的一、三、四等級的鋼筋，在文件和圖紙中標明的是鋼筋代號(如HPB300，HRB400等)，一般用抗拉強度設計值fy來表示；而美國規范采用鋼筋的屈服強度fy，比中國的鋼筋強度要高出很多。所以，美國標準規定的混凝土抗壓強度與鋼筋屈服強度fy是配套使用的, 美國標準是用混凝土標準強度進行設計, 中國標準是用混凝土設計強度進行設計。

3 樁基設計研究

(1)主要按照JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》和BS EN1997-1：2004( Eurocode 7：Geotechnical design-Part 1)技術規范進行計算。

(2)土彈簧：由于巖土材料結構本身的復雜性，以及樁-土耦合結構接觸面上應力分布的復雜性，導致使用有限元軟件很難模擬出這種耦合結構的實際情況。土彈簧法是工程中的一種常用方法，只要選擇的土彈簧個數合適，使用土彈簧的彈力來代替土體抗力是一種切實可行且非常簡便的方法。委內瑞拉國監理工程師比較認可SAP2000的計算結果。為了較準確地計算橫向荷載作用下樁-土耦合作用下的土彈簧剛度，我們對Mindlin公式進行了研究，得到了力與變形量的關系。因接觸網支柱基礎的樁深較小，在計算中，我們簡化認為深度對土彈簧剛度的影響較小，只與土體參數如泊松比、壓縮模量等有關。

根據Mindlin公式，樁在水平荷載的作用下，樁土之間的相互作用力也是水平的，可視為半無限體中的點受橫向荷載的作用。在采用Mindlin的位移解時，考慮將土體視為各向同性的均值彈性半無限體，壓縮模量為Es，泊松比為υ。參考國內外一些文獻及規范，不考慮土的非線性特征，于是面積S在均布荷載p作用下產生的土抗力(面力)可以用彈簧彈力(集中力)來代替。于是大面積上部均勻分布的面力可離散為數個集中力，如此只需要確定彈簧剛度K和彈簧變形量δ，便可求出每個土彈簧的力。

3.1 彈簧變形量的確定

根據微分原理，我們將樁面S分為無限小的ds。當面積ds上作用均布荷載p時，面ds上的各點的位移是不均勻的(如圖1(a)所示)。在矩形上，4個角點的位移是最小的，矩形中心處的位移為最大，我們用角點位移的平均值ux來做彈簧變形量δ，顯然會導致δ值偏小，最終得到的彈簧剛度值偏大。由圖1(a)中我們可以看出，當矩形面積受到沿x方向水平均布荷載p的作用時，變形如圖1(a)中右側粗曲線所示，面ds在受到均布荷載的同時，另一側仍會受到彈性力的抗力。此外，由于面s的受荷載側并未與彈性體發生脫離，彈性體對它仍具有約束作用，故受荷載面上還受彈性體對它的拉力。但實際上樁土的接觸面上并不能承受上述的拉力，一旦拉力大于0，樁就會和土發生脫離(見圖1(b))，產生位移的不連續性，不會有拉力來約束ds面的位移。經過和委內瑞拉監理工程師的討論，δ的值我們近似取ΔA(由于樁是圓形，ΔA=Δd×dh，h為基礎埋深，dh為均分長度)。

圖1 Mindlin解所用的模型及變形與樁土實際變形模型

樁的長度一般比寬度大很多，通常將樁沿長度方向(基礎埋深)分成若干等份，每份樁對應的土體用一根彈簧代替，由Boussinesq公式和對IEEE樁基規范的研究，近似認為一個土彈簧在集中力F的作用下，分布于面積ΔA=d×dh上的均布壓力：

(1)

由Boussinesq解得在集中力F作用下的位移：

(2)

式中ω為一個與d、b有關的形狀系數，可以得出

(3)

(4)

4 計算實例

(1)荷載工況(見表1)

表1 GY1基礎上部荷載

(2)樁頂以下巖土力學性能(見表2)

表2 樁頂以下巖土力學性能

說明：樁長5 m，外露0.2 m，基礎埋深4.8 m.

(3)基礎設計主要參數

首先由梅州市林業科學研究所專家組(共13位，其中正高1人，副高7人，中級職稱5人)，各自評選出鐘花櫻6項指標的重要性序列值ei(表2)，然后對每位專家給出的重要性序列值ei進行兩兩對比設計：

本工程采用φ1800、φ2000(單位：mm)兩種機械挖孔樁，樁頂標高+0.2 m，樁端一般在碎巖或頁巖中，樁身混凝土等級C25，混凝土軸心抗壓強度設計值fc=11.9 N/mm2，混凝土彈性模量Ec=2.8×104N/mm2；混凝土軸心抗拉強度設計值ft=1.27 N/mm2，樁長5 m，埋深4.8 m；鋼筋采用W60鋼筋，鋼筋抗拉強度設計值fy=420 N/mm2，鋼筋彈性模量Es=2.0×104N/mm2。鋼筋參數如表3所示。

表3 鋼筋表

(4)土彈簧計算

按照式(4)解導出彈簧剛度：

=2.44 N/cm3

=4.74 N/cm3

于是KR1=KB1×ΔA=2 200 kN/m；

KR2=KB2×ΔA=4 267 kN/m；

將上述參數代入SAP2000建模，分別在X向和Y向設置模擬土彈簧，在基礎底部設置土彈簧(如圖2所示)，將基礎上部受力代入計算后得到的變形值、軸力圖、彎矩圖和剪力圖,如圖3～圖8所示。

圖2 基本模型及受力

5 結束語

目前隨著對海外高速鐵路工程項目的逐步深入了解，接觸網支柱基礎的選型尤為關鍵，樁基在安全性、經濟性和可靠性的優勢決定了我們的研究方向。大直徑樁在上部荷載作用下的工作性狀還需要深入研究。雖然土彈簧能很好的模擬樁基的部分工作性狀和原理，但是在基礎選型完成之后，我們還需要通過大量不同地區、不同條件下的現場或室內試驗對上述結論進行修正，形成一個更為嚴格的技術體系，便于該理論更好的應用和發展。同時我們還需要不斷摸索總結各方面的得失，不論設計還是施工，都還需要開拓適用于海外項目的全新理念和需求，并不斷積累寶貴經驗，加快海外項目建設的步伐。

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Research on Selection and Calculation of OCS Portal Structure in Venezuela Railway Station

XU Ran

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

Venezuela Northern Railway, with design speed of 220 km/h, is one of the key overseas EPC projects of China Railway Engineering Corporation. The rotary drilling bored pile foundation is designed and constructed for OCS post foundation structure in station. The burial depth and size of foundation, the anchor bolt burial depth and foundation antidumping meet the code requirements; and this design and construction method can get twofold results with half the effort. During the calculating of the structure, it is necessary to consider the foreign codes and standards of US, Venezuela local regulations (such as load coefficient values, the difference in units, and wind load), and the calculation software used, calculation methods, and also the materials strength grade. The demonstration of the selection and calculation for OCS portal structure in the paper provides reference for electric engineers both at home and abroad.

foundation selection; pile foundation; codes differences; calculation

2016-01-19

徐燃(1984-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0020—05

TU47

A