下伏巖溶條件下樁板結構的跨距優化研究

杜一鳴，張鑫犇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

樁板結構是一種較為新型的路基結構型式[1]，目前已經逐漸在高鐵、有軌電車等工程項目中所應用。該結構由鋼筋混凝土樁、托梁、承載板組成。由于豎向荷載可以通過板-樁體系傳遞至持力層，樁板結構在控制沉降方面有非常好的效果，主要用于軟土地基等不良地質或有重要淺埋管線需要保護等情況。

實際上，列車、軌道等豎向荷載是由板土相互作用以及樁這兩部分共同承擔的。雖然工程中樁板結構已有諸多應用，但是目前仍然對樁-板-土相互作用的機制無法解釋清楚。肖宏[2]等對樁板結構樁-板-土相互作用模型進行了研究，并進行了一系列試驗，考察了樁與土的相互作用特性、板下土體的支撐作用，但是其結論過于復雜，且并未考慮長期受荷載作用下土體產生固結等因素的影響，故其應用于工程實踐還需要更深入的研究。

在工程實踐中，可以通過簡化的樁-板-土相互作用模型，并考慮土自身的特點，以確定最為經濟合理的跨距。本文以某有軌電車項目為例，對樁板結構跨距比選過程進行介紹。

1 工程概況

某現代有軌電車示范線項目位于廣東省，共設置10座車站，約有2.2 km長的線路沿既有道路路中綠化帶敷設，有4.4 km長線路沿現有河道邊坡敷設。正線段采用整體道床，路基結構主要采用樁板結構。其地質下伏存在灰巖，部分區段巖溶發育強烈。為了考慮工期與造價，在對樁板結構計算模型分析比選的基礎上，對樁板結構的跨距進行優化研究。

2 工程地質

根據地質報告，該區域典型地質土層自上而下分布如下：

（1）1-1-1人工填土，主要為雜填土，局部夾素填土，厚 2～3 m；

（2）2-1B淤泥質土，流塑，含大量有機質，孔隙比約1.605，壓縮模量2.2 MPa，屬于高壓縮性土層，厚度 2～18.4 m；

（3）2-4粉質黏土，飽和流塑，該段平均約3 m，壓縮模量6 MPa；

（4）3-1粉細砂、3-2中粗砂、3-3礫砂，線路南段靠近起點附近揭示，厚度約14 m；

（5）各風化巖層。根據地質報告，本層存在巖溶發育不良地質。

路基承載板板底埋深0.98 m，位于1-1-1人工填土內，板底距離2-1B淤泥質土土層頂部約1～2 m。

3 樁板結構計算模型

為了研究樁-板-土共同作用的規律，考察簡化模型假定條件的合理性，需要建立基于不同假定條件的模型，并對計算結果加以分析，以確定合理的計算模型。

3.1 模型一（不考慮土反力）

假定承載板不受土反力作用，承載板按連續梁考慮。所研究區段的樁基大部分以風化巖層作為持力層，南側局部區段是以中粗砂、礫砂作為持力層。因此樁端承載力比例大，從而樁基沉降較小，故在計算模型中將樁基按照剛性支座來考慮。

計算模型如圖1所示，按標準4跨一聯承載板，活荷載為車輛移動荷載，恒荷載為道床、軌道及覆土荷載。

圖1 模型一（不考慮板底土反力）

在該模型下，承載板撓度為Δ1，土反力f1=0。

3.2 模型二（考慮土反力，不考慮土的固結）

假定承載板受土反力作用，將樁基簡化為剛性支座，土簡化為彈簧，不考慮土的固結。計算模型如圖2所示，按標準4跨一聯承載板底部持力層為1-1-1人工填土，基床反力系數k取8 000 kN/m3，活荷載為車輛移動荷載，恒荷載為道床、軌道及覆土荷載。

圖2 模型二（考慮土反力，不考慮土的固結）

在該模型下，承載板撓度為Δ2，相應位置土反力 f2=kΔ2。

3.3 模型三（考慮土反力和土的固結）

考慮土反力并考慮土的固結；將樁基視為剛性支座，將土視為彈簧。計算模型如圖3所示，按標準4跨一聯承載板底部持力層為1-1-1人工填土，基床反力系數k取8 000 kN/m3，活荷載為車輛移動荷載，恒荷載為道床、軌道及覆土荷載。

圖3 模型三（考慮土反力和土的固結）

由于土有固結的特性，其對板的支撐作用隨著時間的推移而逐漸減弱，且隨著時間的推移，靠近剛性支座（樁）位置土與板脫開，支撐作用到的范圍逐漸向板跨中收縮。該模型是最接近實際狀況的模型。

在該模型下，承載板撓度近似取Δ2，土固結變形為Δ3，相應位置土反力為f3=k（Δ2-Δ3）。

假設施工前土處于正常固結狀態，那么根據附加荷載作用下土反力p來計算土的固結變形Δ3：

式中：Δs為在附加荷載作用下土承受的荷載，附加荷載作用下土承受的荷載近似取初始值p=8 kPa；TV為時間因數（無量綱

系數，t為固結歷時。

3.4 計算結果與分析

3.4.1 計算結果

根據上節基于不同假定所建立的模型進行計算，相應的變形、內力等計算結果見表1。

表1 各模型計算結果

3.4.2 模型的確定

對于尺寸為2 800 mm×450 mm的四跨一聯承載板，在標準跨距為7.5 m時，在不考慮土的固結作用的前提下，考慮土的支撐作用（模型二）比不考慮土的支撐作用（模型一）跨中彎矩減小20%，支座彎矩減小13%。

然而，模型三更接近于真實狀況。由于土自身的固結，隨著時間的推移，土對于板的支撐作用逐漸減弱，支撐范圍逐漸減小。對于正常固結土，模型三比模型一彎矩僅僅減少3.5%（支座）和6%（跨中）。如果當土原先就是處于欠固結狀態時，這一差值還要減小，甚至趨于0，那么實際固結變形會大于該方法所得到的變形值，附加荷載將全部轉移至承載板上。

基于以上分析，在此地質情況下，采用模型一進行分析，土的支撐作用僅作為安全儲備。

4 跨距的比選

該項目設計過程中，為了節約投資，對7.5 m跨以及11.25 m跨兩種方案進行了比選。根據上節的結論，采用基于模型一假定條件的簡化計算模型。

該工程樁板結構工程量主要由以下兩部分組成：（1）鋼筋混凝土結構；（2）巖溶處理費用。分別統計如下。

4.1 鋼筋混凝土結構工程量

（1）結構尺寸和配筋

承載板的厚度、配筋受承載力要求以及裂縫限值控制，樁長受承載力要求控制。根據計算的結果，兩種跨距下的結構尺寸和配筋情況見表2。

表2 結構尺寸與配筋

（2）造價比較

在不考慮巖溶的情況下，以每22.5 m樁板結構各項價格，比較承載板和樁的混凝土、鋼筋用量（見表 3、表 4）。

表3 方案一鋼筋混凝土工程費用

表4 方案二鋼筋混凝土工程費用

在不考慮巖溶相關費用的情況下，方案一比方案二單線每延米低約224元。

4.2 巖溶處理費用比較

4.2.1 巖溶處理方法

根據該工程的特點以及地質情況，確定以下原則：當溶洞范圍不大，洞高較小（小于3 m），溶洞內有填充物或部分填充物，溶洞不連通時，采用片石、黏土拋填法。當溶洞很高（高度3 m以上），溶洞可能與周圍的溶洞連成溶洞群時，為防止施工過程出現塌孔、埋錘或偏孔，采用片石、黏土拋填法[3]的同時加振鋼護筒[4]。

4.2.2 樁長與遇溶洞概率的關系

在巖溶發育較為強烈區段，經過統計分析，不同方案樁長與遇溶洞概率的情況如下：

（1）由于部分樁樁端持力層范圍巖溶頂板穩定性不夠，需要增加樁長。7.5 m跨距平均樁長從20 m增加至22 m，增加了2 m；11.25 m跨距平均樁長從25 m增加至28 m，增加了3 m。

（2）隨著跨度的增加導致了遇到巖溶的概率的增加。7.5 m跨需要處理的巖溶為 12/18=66.6%，11.25 m跨方案需要處理的巖溶為94.4%。

4.2.3 巖溶處理措施費用

該項目巖溶發育區典型縱剖面如圖4所示。

該段溶洞高約3.5 m，按照平均填充率40%，采取率15%，采用鋼護筒及拋填黏土片石作為措施，每個溶洞處理費用平均估計見表5。

在巖溶發育區，單個巖溶處理費用經估算為2 897元。根據上節的統計結果，7.5 m跨距方案需要處理66.6%的溶洞，11.25 m跨方案需要處理94.4%地勘所揭示的溶洞，則：7.5m跨方案單線每米巖溶處理費用約2 897×2×0.666/7.5=514元；11.25 m跨方案單線每米巖溶處理費用約2 897×2×0.944/11.25=486元。

圖4 典型地質縱剖面(單位:

表5 單個巖溶處理費用

巖溶處理費用方案一比方案二高出約28元/每延米。

4.2.4 遇巖溶增加樁長費用

由于遇到巖溶后，樁長需要增加，故還要考慮這部分增加的費用。在巖溶發育區段，方案一（跨距7.5 m）的平均樁長由20 m增加至22 m；方案二（跨距11.25 m）平均樁長由25 m增加至28 m。巖溶導致的樁長增加的費用比較明細見表6。

表6 巖溶導致樁長增加的費用

這部分費用兩個方案持平。

4.3 綜合比較

綜合考慮鋼筋混凝土結構及巖溶處理措施這兩部分費用后，方案一（跨距7.5 m）與方案二（跨距11.25 m）比較如下：

（1）在不考慮巖溶的情況下，方案一比方案二每延米造價低224元。

（2）在考慮巖溶存在的情況下，方案一比方案二每延米造價低196元。雖然方案一樁的數量是方案二的1.5倍，但是樁長減小了遇溶巖概率也顯著地減小，所以巖溶處理費用沒有增加。

根據以上分析，7.5 m跨距方案總投資更為經濟，確定采用7.5 m跨距的方案。

5 結論與建議

（1）在考慮計算模型中，采用不考慮土反力作用下，是比較合理的，也是目前大多數工程采用的方式；

（2）考慮溶洞所需處理的概率，經過對板厚、樁長及樁數的綜合分析，案例的結論是采用7.5 m樁跨方案更有利于控制成本。

（3）應考慮樁板結構所處的地質條件、樁的承載條件、板下土體的反力及固結等情況，綜合確定樁板結構的計算模型；

（4）對于樁板結構的跨度，受地質影響，宜綜合樁長、樁底承載力、溶洞的下伏層及填充情況，綜合確定其跨度，在安全的前提下，確定跨距。

[1]王峰.高速鐵路無砟軌道樁板結構路基理論與實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]肖宏，馮雁，龔小平.樁板結構樁-板-土相互作用模型試驗研究[J].巖土力學,2013,34（2）:81-87.

[3]李榮鋒，沖孔灌注樁施工遇到溶洞的處理方法及其施工質量控制措施[J].江西建材，2017（5）:106.

[4]翟向東，黃永泉，黃發源，等，復雜地質條件下溶洞處理的樁基施工技術[J].常州工學院學報，2015，28（3）:1-5.