深厚軟土地區現代有軌電車減沉疏樁一體化結構樁土承載計算方法

郭清超

上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125

某現代有軌電車工程位于長三角地區堆積平原，所處地層為第四紀沉積物，淺層分布較厚的③1層淤泥質粉質黏土及④層淤泥質黏土等飽和軟土，該土層具有含水量高、孔隙率大、壓縮性高的特點。因為現代有軌電車采用整體道床結構，對工后沉降要求嚴格[1]，所以在沿海深厚軟土地區需采用一定的地基處理方式才能滿足工后沉降的要求。該工程首次將減沉疏樁一體化結構應用于現代有軌電車工程，可有效減少工后沉降，并且在施工周期、管線影響、經濟性等方面具有優勢[2]。

深厚軟土地區減沉疏樁一體化結構每個結構單元長度約20m，兩單元之間采用變形縫連接。整體道床板與支撐板合二為一，采用鋼筋混凝土結構承擔電車輪載。樁徑為300～400mm，每股道橫向布置2根樁，樁間距沿線路縱向為5～7m。樁頂設置橫梁，中跨位置樁、橫梁與支撐板澆筑成整體固結，邊跨位置樁與橫梁固結，兩側承載板搭接于梁頂。

采用減沉疏樁設計理念，電車荷載及結構自重除由樁基礎承擔外，樁間土在結構受力中可發揮一定承載作用。該結構在現代有軌電車工程中應用較少，同時考慮到樁土共同作用受力狀態較復雜，因此有必要對深厚軟土地區該結構的受力狀態、樁土承載分擔情況進行研究。

1 規范復合疏樁基礎樁土承載分擔分析

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[3]，軟土地區復合疏樁基礎復合基樁承載力的計算式為

式中：Ra為樁頂承受荷載；n為樁數；Fk、Gk分別為附加荷載和自重；為承臺效應系數；為樁間土承載力特征值；為承臺凈面積。

有軌電車荷載軸重為125kN，輪軌沖擊系數取1.3，樁間土地基承載力特征值取60kPa。基樁承載力設計時按基樁承擔荷載最大情況考慮。對于有軌電車樁板結構，轉向架位中心于橫梁重合時基樁承擔荷載最多，樁間土承擔荷載最少。計算時承臺寬度取板寬2.6m，承臺長度取一跨長度5m。

經計算，F樁間土=224.8kN，F樁=116.6kN。樁間土約承擔總荷載的66%，基樁承擔總荷載的34%。

2 彈性地基梁法計算

考慮樁土共同承載作用時可采用彈性地基梁模型，基樁位置采用剛度較大的樁彈簧支承，樁彈簧之間采用剛度較小的土彈簧支承。減沉疏樁一體化結構簡化模型如圖1所示。其中，P為電車輪載，a為結構跨距。

圖1 彈性地基梁計算模型圖

地基土彈簧可根據勘察報告提供數或《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）[4]取值。樁彈簧為樁體本身彈簧與樁端土彈簧剛度串聯彈簧[5]。

式中：K為樁彈簧剛度；K1為樁身彈簧剛度；N、Nf為基樁承載力和樁側摩阻力，可根據勘察報告提供參數計算；Ap為基樁截面面積；Es為樁身混凝土彈性模量；l為樁長；K2為樁間土彈簧剛度；Es1為樁端土變形模量；dp為樁徑；v1為樁端土泊松比。

根據上述計算方法可得，樁間土地基彈簧剛度取4600kN/m3。計算結果顯示，樁頂承受的總荷載為480kN，樁間土承受的總荷載為188.7kN。樁間土約承擔總荷載的28%，基樁承擔總荷載的72%。

3 三維有限元模型分析

有限元模型中鋼軌采用梁單元，扣件采用彈簧單元，支撐板、橫梁、樁基及地基土均采用實體單元。樁與梁、中跨梁與板采用共節點連接，邊跨梁與板采用摩擦接觸單元連接，樁、梁、板與地基土之間采用摩擦接觸單元鏈接。電車荷載以4個集中荷載形式作用在鋼軌上。

接觸單元摩擦系數取0.3。鋼軌及鋼筋混凝土取材料相應模量。地基土模量一般可取為壓縮模量的2～5倍[6]。

計算模型荷載位置如圖2所示，計算有軌電車輪對作用于鋼軌頂面時，樁頂及樁間土荷載分擔情況。

圖2 荷載平面示意圖

計算模型在地應力平衡后施加有軌電車輪對荷載，計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 地基反力橫向分布圖

圖4 地基反力縱向分布圖

計算結果顯示，通過支撐板后地基應力明顯減小[7]，橫向地基反力最大值位于軌道中線位置。地基反力橫向分布均值為5.2kPa，縱向地基土反力最大值位于輪對作用區域，沿縱向呈梯形分布形式。樁頂承受總荷載為456kN，樁間土承受總荷載為232kN。樁間土約承擔總荷載的33%，基樁承擔總荷載的67%。

4 結論

（1）現代有軌電車減沉疏樁一體化結構一般采用摩擦樁設計，樁間距沿線路縱向為5～7m，設計計算中應考慮樁間土的支承作用。

（2）根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008），復合疏樁采用承臺效應系數考慮樁間土作用，樁間土承載力充分發揮，剩余荷載由基樁承擔，計算結果顯示樁間土荷載分擔比例偏大，約占總荷載的66%；彈性地基梁模型和三維有限元模型計算結果較為接近，樁間土分擔比例約占總荷載的30%。

（3）建議設計計算時減沉疏樁一體化結構考慮樁間土承載作用，采用彈性地基梁模型計算。如現場樁間土不滿足要求可進行碾壓或淺層換填處理，從而提高樁間土支承剛度。