高速鐵路接觸網預制樁基礎探究

侯文君，劉 津，羅 健

?

高速鐵路接觸網預制樁基礎探究

侯文君，劉 津，羅 健

高速鐵路接觸網支柱基礎的穩定性對列車運行安全至關重要，接觸網支柱現澆混凝土樁基礎施工效率低、工期長、易污染環境、現場施工質量不易控制。本文提出一種工廠預制混凝土樁基礎，該基礎預制構件精度高、無污染、制品質量易控制。

高速鐵路；接觸網；基礎；預制

0 引言

接觸網支柱基礎的穩定性對列車安全運行至關重要，直接影響電氣化鐵路的運營安全。高速鐵路一般采用現澆混凝土樁基礎，成孔過程采用人工挖孔或機械鉆孔，需要等待混凝土達到一定強度等級才能立柱懸掛接觸網，施工周期較長。現場澆筑混凝土對線路周邊的環境影響較大，耗費人力，且使用范圍受限。本文提出一種工廠預制樁基礎，采用新型結構形式，并結合計算軟件對預制樁基礎進行承載力驗證和結構性能試驗。

1 現澆混凝土樁基礎

傳統現澆混凝土樁基礎一般采用C25或C30強度等級混凝土、HRB400縱向鋼筋及HPB300螺旋箍筋，樁徑為700 mm，結構為實心混凝土，整個樁基礎重約3.5 t，如圖1所示。

2 預制混凝土樁基礎技術特點

（1）強度高。采用C60強度等級以上高強度混凝土和優質預應力鋼絲制造，基礎的抗壓性能和抗彎性能大大提高，在保證垂直線路方向承載力的基礎上，提高了順線路方向的承載力，結構性能穩定，可承受多向荷載，使用安全可靠。

（2）重量輕。在現澆樁基礎直徑不變前提下，優化為空心結構，可節約混凝土的用方量，降低了原材料成本，減輕了整體重量，有利于運輸。

圖1 現澆混凝土樁基礎示意圖

（3）基礎設計合理。預制混凝土樁基礎設計依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008），對基礎的預應力筋和非預應力筋進行選配，并對其沉降、混凝土抗裂性等一系列性能進行計算，確保基礎設計的合理性、準確性和經濟性。

3 預制樁基礎結構分析

3.1 基本結構

預制樁基礎按容量分為YZQ80、YZQ100、YZQ120、YZQ140、YZQ160系列，其型號及檢驗彎矩見表1，基礎外形見圖2。不同容量的基礎長度不同，預制樁基礎的長度應包括混凝土基礎長度及基礎兩端的法蘭盤長度，不包括預埋地腳螺栓等附加配件的長度。

表1 基礎的標準設計彎矩 kN·m

圖2 預制混凝土樁結構示意圖

3.2 承載力驗算

為了驗算新型預制樁基礎配筋是否滿足設計要求，以YZQ120為例，進行抗彎抗裂承載力驗算。取外徑= 700 mm，內徑= 300 mm，壁厚= 200 mm，Ⅰ型，混凝土強度等級C60，預應力鋼筋f14D10.7，螺旋筋規格b6。

3.2.1 混凝土有效預壓應力pc驗算

預應力鋼筋面積及支護樁截面面積為

p= 90×14 = 1 260 mm2

放張時預應力混凝土鋼筋與混凝土的彈性比：

預應力放張后預應力鋼筋的拉應力：

放張后混凝土預壓應力：

混凝土的蠕變及收縮引起的預應力鋼筋拉應力強度損失：

式中，為預應力混凝土鋼筋與混凝土的彈性比；為混凝土的蠕變系數，取2.0；s為混凝土的干縮率，取0.000 15。

預應力鋼筋因松弛引起的拉應力強度損失：

Dr=0(pt-2Dpy)

=2.5%×(965.2-2×70.1) = 20.6 MPa

式中，0為預應力鋼筋松弛系數，取2.5%。

則預應力鋼筋的有效拉應力為

pe=pt-Dpy-Dr= 874.5 MPa

混凝土有效預壓應力為

3.2.2 抗裂彎矩cr驗算

截面慣性矩0：

換算截面彈性抵抗矩0：

抗裂彎矩cr：

cr= [(pc+tk)×0] / 106

=(3.52 + 2.0×2.14)×33.25 = 259.35 kN·m

式中，為混凝土離心工藝系數，C60混凝土取2.0；tk為混凝土抗裂強度設計值。

3.2.3 極限彎矩u驗算

依據GB 50010-2002《混凝土結構設計規范》進行計算，可得預制樁基礎的極限彎矩計算式。

t= 1-1.5（2）

將各數據代入式（3）得

u= 401 kN·m

3.2.4 設計彎矩驗算

u/ 1.4 = 401 / 1.4 = 286.4 kN·m

經過一系列計算，得到該預制樁的極限彎矩為401 kN·m，設計彎矩為286.4 kN·m，容量遠遠大于120 kN·m，滿足容量要求。

3.3 成品結構性能試驗

為了檢驗預制樁基礎能否滿足高速鐵路對結構撓度的要求，對成品進行一系列性能試驗。以表1中所列標準檢驗彎矩為依據，試驗方法如下：將預制樁基礎埋于經過地基處理的高速電氣化鐵路路基中，預開鉆孔可取樁徑的2/3，約為450 mm，根據施工具體要求埋設樁基礎，架立混凝土支柱，如圖3所示。

圖3 樁基礎加載示意圖

（1）根據TB1009-2016《鐵路電力牽引供電設計規范》要求，將2種不同類型的混凝土支柱彎矩加載至導高處撓度檢驗彎矩時（表2），測量其導高處的撓度，對于高速鐵路的接觸線高度（導高）處撓度應不大于25 mm。

（2）將混凝土支柱彎矩加載至柱頂撓度檢驗彎矩時（表2），其柱頂撓度應不大于1.5/100（為柱高）。

（3）將混凝土支柱彎矩加載至標準檢驗彎矩，加載方法參考TB/T 2286.2-2015《電氣化鐵路接觸網預應力混凝土支柱第2部分：環形支柱》，記錄不同階段的基礎轉角與水平位移，并與表3的限值進行比較。

（4）將其加載至承載力檢驗彎矩（為標準檢驗彎矩的200%）時，不應出現下列任一種承載能力極限狀態：a.受拉區混凝土裂縫寬度達到1.5 mm；b.受拉鋼筋被拉斷；c.受壓區混凝土破壞。試驗結果均滿足上述要求，則可認為基礎滿足設計要求。

表2 支柱的檢驗彎矩

表3 基礎轉角與水平位移限值

試驗結果：以f350 120/11+3支柱為例，在標準檢驗荷載彎矩值100%時，基礎水平位移隨時間變化曲線見圖4，基礎轉角變化曲線見圖5。

圖4 標準檢驗荷載彎矩值100%時基礎水平位移變化曲線

圖5 標準檢驗荷載彎矩值100%時基礎轉角變化曲線

通過對不同型號支柱基礎進行結構性能試驗，得到3種不同型號的支柱基礎轉角與水平位移均滿足限值要求，導高處的撓度均滿足接觸線導高處撓度不大于25 mm的要求；在150%標準檢驗荷載彎矩作用下，樁四周土未出現側向擠出、傾覆現象，基礎穩定。由此可見，預制樁基礎完全符合設計要求，能夠替代現澆式樁基礎在電氣化鐵路中應用。

4 結語

工廠化、預制化是高速鐵路現代化進程的一種趨勢，預制混凝土樁基礎在傳統施工方式上做出了重大革新。需注意的是，預制混凝土樁基礎在現場鉆孔時，實際鉆孔直徑應比樁身直徑大50～100 mm，以便于現場施工，樁基礎安裝到位后，可用水泥砂漿或細石混凝土填充縫隙，達到基礎與孔側壁可靠密貼。

通過預制混凝土樁基礎設計，可大大縮短施工工期，解決了現澆混凝土樁基礎污染環境以及人工開挖困難等一系列問題；在保證原基礎承載力的基礎上，大幅提高了基礎的強度；基礎優化設計為空心，達到了節省混凝土用料、降低成本、減輕基礎重量的目的，具有推廣意義及良好的產業化前景。

[1] 劉峰濤. 接觸網支柱撓度設計標準的探討[J]. 電氣化鐵道，2005（3）：1-4.

[2] 鐵道部電氣化工程局勘測設計處. 電氣化鐵道設計手冊接觸網[M]. 北京：中國鐵道出版社，1983.

[3] 國家鐵路局. TB10009-2016 鐵路電力牽引供電設計規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2016.

[4] 周立波，王旭. 凍土地區電桿直埋式基礎變形規律研究[J]. 山西建筑，2007（2）：33.

[5] 龍馭球，包世華. 結構力學[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

The stability of the mast foundations of overhead contact line for high speed railway is crucial to the safety operation of the trains, the construction efficiency of concrete pile foundations of masts of overhead contact line is low, and the construction period is long, and is liable to pollute the environment; the construction quality is not easy to be controlled. The paper proposes a type of factory prefabricated concrete foundations, which are of high structural accuracy, non-pollution, with quality of the products being easily controlled.

High-speed railway; overhead contact line; foundation; pre-fabrication

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.016

U225.4+2

B

1007-936X(2018)06-0067-03

2018-07-17

侯文君.中鐵三局集團電務工程有限公司，高級工程師；

劉 津.中國鐵路設計集團有限公司，工程師；

羅 健.中國鐵路設計集團有限公司，高級工程師。