復合梁板式樁板結構鐵路路基的力學特性研究

鄭翠玲 龔哲 彭均陽

摘要：以黔張常快速鐵路咸豐段復合梁板地基工程為背景，對復合梁板式樁板結構進行內力和變形監測，對其內力特性進行研究，為復合梁板式樁板結構形成系統的設計理論、設計方法及其在工程中的應用提供指導和借鑒。結果表明樁身軸力隨深度的增加而減小，樁側摩阻力始終為正，對于樁徑較大的樁，其樁側摩阻力的作用更加明顯；承載板和縱橫梁的實測鋼筋應力比設計計算的應力小20%左右；梁有效地分擔了板的荷載，從而避免了板厚過大的問題。

關鍵詞：鐵路路基；樁板結構；力學變形特性

中圖分類號：TU4 文獻標識碼：A

樁板結構類似于筏板基礎，有較好的整體性，結構布置形式靈活多樣，在鐵路建設中得到廣泛應用，如在遂渝無砟軌道綜合試驗段線路上，由于該段土質松軟，為了較好控制工后沉降而使用了樁板結構[1]，鄭西高速鐵路需穿越深厚的濕陷性黃土區，為保證鐵路達到高鐵運行速度而采用了托梁式樁板結構[2]。在理論研究方面，不少學者在設計理論、數值模擬、模型試驗和現場試驗等方面取得了一定的成果，中鐵二院、西南交通大學等單位以遂渝鐵路建設為背景，對無砟軌道樁板結構路基進行了較系統的研究[3，4]，孔峰[5]結合鄭西客專對濕陷性黃土地區中樁板結構路基中的設計參數進行探討，姚洪錫[6]等利用數值分析軟件對鄭西客專樁板結構路基進行了不同方面的研究。

傳統的樁和承載板組合結構為防止沖切破壞需要配置厚度很大的板，導致造價高，材料浪費。復合梁板式樁板結構中的縱橫梁改變了結構的傳力路徑，增大了板的抗沖切面積，大大降低由于高路基荷載帶來的沖切作用，從而減小構件尺寸。對樁、板、縱橫梁應力、承載板地板地基反力等進行了監測，通過分析得到其受力特性及變形特征，以此評價其控制地基沉降及提高路基整體穩定性的有效性，為巖溶區復合梁板結構設計計算，控制地基沉降提供科學可靠的理論指導。

1 工程概況

黔張常鐵路是十二五綜合交通運輸體系規劃的雙線電氣化快速鐵路，位于武陵源山區，其中咸豐段DK49+526.22至DK49+913.22區間，屬巖溶強烈發育區，為跨越巖溶區采用了復合梁板式樁板結構路基。結構中承載板厚1m，縱橫梁高1.2m，二者整體澆筑，樁基為鉆孔灌注樁，樁徑1m，橫向間距7m，縱向間距5 m，復合梁板式樁板結構每五跨為一聯。其平面布置圖及橫剖面圖如圖1、圖2所示。

2 現場監測方案

2.1 內力監測

（1）樁內力

選取DK49+825.8斷面的三根樁進行內力監測，其中A樁和E樁為邊樁，C樁位于中間。每根樁每個測點對稱布置兩個鋼筋計，測點間距2.5m。

（2）縱橫梁內力

縱橫梁內力監測布置圖如圖4所示，支座處鋼筋計布于梁上部，跨中處布于梁下部，每個測點處布置兩個鋼筋計。

（3）板內力

測點布置如圖5所示，在每塊板中部分別布置2個縱向和2個橫向鋼筋應力測點。

2.2 地基反力

地基反力監測測點分別布置在縱橫梁及板中間底部，布置圖如圖6所示。

3 監測結果與分析

斷面于2016年10月12號開始樁基施工，2017年4月澆筑復合梁板，8月開始分層回填土，10月份完成路基的回填，靜置監測至2018年2月，監測周期為1年半。通過對監測數據的總結分析和轉化，選取了梁板開始澆筑、填土5m高和填土7.5m高三個時間節點的數據進行分析比較。

3.1 樁內力

通過計算和轉化，畫出了三個時間節點的樁身軸力及樁側摩阻力沿深度的變化曲線，A、C、E三根樁的樁身軸力和樁側摩阻力沿深度變化趨勢相似，給出中間樁C樁的變化曲線，如圖7、8所示。

由圖可以看出，樁體主筋應力隨著填土高度的增加而增大，沿著深度方向，樁身軸力逐漸減小；樁身摩阻力隨著填土高度的增加而增大，沿深度方向先增大后減小，且都為正摩阻力，說明隨著上部荷載的增加，樁側摩阻力逐步得到發揮。

3.2 縱橫梁內力

1）縱梁內力

對1#、2#、3#縱梁的應力進行分析，應力隨時間的變化曲線如圖9所示。支座處及跨中處的應力均為正，縱梁跨中處下部受拉，支座處上部受拉，支座處的應力始終比跨中處大。

2）橫梁內力

DK49+825.8斷面處的橫梁應力變化曲線如圖10所示。可以看出，橫梁應力變化趨勢于縱梁一樣，隨著填土高度的增加而增加，支座處應力比跨中處大，位于線路中部位置的應力最大。

3.3 承載板內力

承載板縱向、橫向應力變化趨勢相似，縱向應力變化如圖11所示。地板澆筑到開始填土前，板應力變化不大，開始填土后，板應力隨填土高度的增加而增大，填土高度5m前增加幅度較大，超過5m后增加應力增加速率降低，這是因為地基反力及樁基逐漸發揮作用，承擔的荷載比逐漸增加。

3.4 地基反力

地基反力變化圖如圖12所示。墊層澆筑后混凝土達到強度需要一段時間，期間墊層自重完全由地基土承擔，當梁板澆筑完成后，地基反力有所增大，此后隨著填土高度的增加，地基反力不斷增大，但始終小于上部荷載。當填土高度達到7.5m時，荷載分擔比為25%，說明上部荷載不是完全由樁承擔，板和地基土接觸良好。

對比板和縱橫梁的數據可知，梁底地基反力總是比樁底地基反力小一些，這是因為樁與梁直接接觸，樁對梁有直接作用，且梁的剛度比板大，因此上部荷載傳遞到梁時梁更多傳遞給樁，地基反力相應會小一點。

4 結論

通過對復合樁板結構的樁、梁、板的應力及地基反力進行監測并分析監測數據得到以下結論：

（1）樁軸力隨深度的增加而減小，樁側摩阻力隨著上部荷載的增加而增加且始終為正摩阻力，沿深度方向先增大后減小，對于樁徑較大的端承樁其樁側摩阻力的作用不應忽視。

（2）板內應力隨填土高度的增加而增大，隨著地基土及樁的作用逐漸得到發揮，荷載逐漸傳遞到地基土和樁上，板內應力增加幅度逐漸減小。

（3）梁下地基反力總是比板下地基反力小，這是因為，梁的剛度較大，傳遞到梁的荷載更多的傳遞給了樁。此外，梁分擔了板的部分荷載，從而避免了板厚度過大的問題，有效地避免了材料浪費。

參考文獻

[1]詹永祥，蔣關魯，胡安華，等. 遂渝線無碴軌道樁板結構路基動力響應現場試驗研究[J]. 巖土力學. 2009， 30（3）： 832-835.

[2]王應銘. 鄭西高速鐵路埋入式連續樁板結構的研究與應用[J]. 路基工程. 2010（5）： 75-77.

[3]吳德志，白皓，劉其寬，等. 非埋式路基樁板結構溫度效應實用簡化計算方法[J]. 路基工程. 2013（1）： 51-55.

[4]詹永祥. 高速鐵路無碴軌道樁板結構路基設計理論及試驗研究[D]. 西南交通大學， 2007.

[5]孔鋒. 濕陷性黃土地區樁板結構路基設計參數的研究[D]. 蘭州交通大學， 2013.

[6]姚洪錫. 武廣客運專線軟土地基樁板結構設計與應用研究[D]. 西南交通大學， 2009.