肖 宏,郭麗娜

(北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

1 樁板結構的提出

路基作為一種柔性土工結構物,由于其填料取材便利、工程造價低等經濟因素,以及施工簡單、易于養(yǎng)護維修等技術因素被廣泛應用于鐵路工程。路基一般是由散粒體材料填筑而成,在使用過程中會發(fā)生一定量的沉降變形是其固有的特性。因此,對于以往土質路基上采用有砟軌道結構形式一般是必要的。隨著經濟和技術的發(fā)展,列車速度和密度的增加,軌道結構的養(yǎng)護維修變得越來越困難,對路基結構的形式提出了新的要求,而無砟軌道結構因其高平順性和少維修甚至免維修的優(yōu)點,在國外高速鐵路上獲得了廣泛應用。日本明確表示 350 km/h的高速鐵路應采用無砟軌道。德國也建議高速鐵路應采用無砟軌道,認為當運營速度超過 300km/h時,有砟軌道會出現道砟粉化現象,需要經常維修,致使其最終成本要比無砟軌道高。無砟軌道已成為客運專線的發(fā)展趨勢[1]。

無砟軌道對沉降變形,特別是不均勻沉降變形的要求很嚴格。對于調高量為 30mm的扣件,扣除施工誤差 -4～+6mm,僅有 20mm可以調整,再考慮列車運行時需要預留 5 mm的余量,實際留給運營期間路基沉降的允許調整量僅為 15mm[2]。如果采用傳統的路基結構及填料,則路基總沉降、工后沉降、差異沉降均較難滿足要求;目前我國高速鐵路正在實施跨越式發(fā)展,建設規(guī)模大、線路長,區(qū)域地質條件復雜,整條線路都使用優(yōu)質填料,無論從成本上還是優(yōu)質填料的來源上都存在著很大困難。因此,在我國高速鐵路工程設計中,通常遇到沉降難以控制的地段,就會將路基方案改為橋梁結構,采用“以橋代路”。相比而言,橋梁結構的橫向穩(wěn)定性方面較差,尤其在曲線段上,橫向穩(wěn)定性問題成為設計考慮的主要因素。此外,我國在大力建設新線的同時,也同樣面臨著大量的舊線改造工程,而橋梁結構造價很高,在財力有限的前提下,迫切需要尋求一種強度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好,并且建筑成本適當、施工工藝簡單、環(huán)保型的新結構新工法。

另外,鐵路的運營速度與軌道的臨界速度有著內在的聯系,而軌道的臨界速度又與軌下基礎剛度直接相關[3]。根據相關文獻[4],要實現運營速度 300 km/h的目標,軌道臨界速度應達到 450km/h以上。而對于一般的路基結構,甚至是經復合地基加固后的路基均達不到如此高的軌道臨界速度。因此,為滿足高速鐵路高速行車需要,尤其是≥300 km/h的高速度需要,我們同樣迫切需要尋求一種新的結構形式,這種結構應整體性強、施工工藝簡單、工程造價合理、軌道臨界速度應達到高速鐵路的運行要求。這種結構即樁板結構。

2 樁板結構技術

2.1 概述

樁板結構(piled slab structure)是隨著鐵路的建設而出現的一種新型軌下基礎結構形式,最顯著的特征是該結構擁有與路基土體相互作用的鋼筋混凝土板,并且該板受其下路基土體的支承作用,以及樁在全長范圍內受路基土體的側向約束作用,如圖1所示。其中,板是設計中最關鍵的構件。根據目前國內外的工程實踐應用情況,樁板結構主要有如下 3種形式:(1)結構由樁、鋼筋混凝土板,以及路基土體三部分組成,板位于路基表面并與樁固結,軌道結構直接作用在板上,如圖1(a)所示;(2)結構由樁、托梁、鋼筋混凝土板,以及路基土體四部分組成,具體為先通過托梁橫向連接樁基,其上再與板相連,軌道結構直接作用在板上;在板中位置處,樁板為固結,在板端位置處,樁板為搭接,如圖1(b)所示;(3)結構由樁、鋼筋混凝土板及路基土體三部分組成,具體為樁頂位于路基土體中,施工時先在樁頂鋪一定厚度的碎石墊層,再放置鋼筋混凝土板,然后再填筑剩余路堤填料,最后進行軌道結構施工,如圖1(c)所示。

圖1 樁板結構形式

2.2 國內外研究現狀

樁板結構在國內外均有一定的工程應用,理論研究滯后于工程實踐。

(1)工程應用方面

樁板結構目前主要應用于鐵路領域,較早應用的是芬蘭。20世紀90年代,在芬蘭 Humppila附近的 Ermanninsuo地區(qū),曾是沼澤地,設計的 Turku-Toijala鐵路線要從這里通過,建成后這將是一條運輸繁忙的干線。為了有效控制沉降,并滿足列車運行速度 170 km/h的要求,采用了大約 400m的樁板結構,上部采用的是有砟軌道結構[5]。不幸的是,這段鐵路在 2004年春天發(fā)生了塌陷,塌陷的部分長達 40m,最嚴重的地方軌道下沉了 40 cm,如圖2所示。塌陷的地段在2004年冬 ～2005年進行了重修,措施是用了更長的樁和更大的板,具體為用新的預制混凝土板和與軌道平行的支承梁,并用鋼筋混凝土樁進行支承。

圖2 芬蘭的樁板結構

荷蘭高速鐵路南段(HSL-S)是阿姆斯特丹到布魯塞爾和巴黎國際高速鐵路的荷蘭部分,地質條件為海相沉積,土質極軟。為建設高速鐵路,鋪設了一段500m的路基試驗段。測試結果表明[4],采用一般方法填筑的路基,軌道臨界速度只能達到 206 km/h,采用樁基和土工布加固路基以及硬石膏——水泥混合樁加固路基,軌道臨界速度可達到 360 km/h和 440 km/h。但要實現運營速度 300 km/h的目標,軌道臨界速度應達到 450 km/h以上,傳統的路基結構無法滿足要求,最后采用了樁板結構,使軌道臨界速度達到 500 km/h。該工程軌道結構采用了 Rheda 2000型無砟軌道結構[6],如圖3所示。

圖3 荷蘭段HSL-S段——樁板結構(單位:m)

德國 Nuremberg-Ingolstadt新建線的北段地基由第四紀上層和下面的中侏羅紀早期土層組成,層厚為 5～20m不等,土質為黏性土夾砂質土。這種土易下沉,還具有膨脹性。為了滿足設計最高速度 330 km/h、最高運營速度 300 km/h的要求,在地質條件較差、地下水位較高的地段采用了樁板結構,約有3543m。上部結構采用的是無砟軌道結構[7],如圖4所示。此外,英國的 CTRL線上也采用了樁板結構,如圖5所示。

圖4 德國高速的樁板結構

圖5 英國CTRL線上的樁板結構

我國第一次采用樁板結構是在遂渝線無砟軌道綜合試驗段上。遂渝線采用的樁板結構樁與板完全固結,板有單線跨度 6×5m、5×5m、(5+10+5)m 3種規(guī)格。其中,(5+10+5)m用在跨涵洞地段,其他兩種用在一般地段。樁板結構用樁為人工挖孔灌注樁,樁徑 1.2m;用的板寬 4.4m,板厚一般地段為 0.6m,跨涵地段為 0.8m。由于遂渝線是我國第一次在土質路基上鋪設無砟軌道結構,為了確保工程的成功,板下還澆筑了一層 0.1m厚的混凝土墊層[8]。新建鄭州至西安客運專線為時速 350 km的雙線無砟軌道鐵路,其路基工后沉降控制值為 1.5 cm。在深度超過 20m的深厚濕陷性黃土地段,普通復合地基措施難以滿足要求,采用了帶托梁的樁板結構,其中板為現澆鋼筋混凝土板,厚 0.6～0.8m,寬 10.5m;托梁為現澆鋼筋混凝土梁;樁采用鉆孔灌注樁;在板的中間位置,樁與板是固結的,在板端位置,樁與板是搭接的[9]。京津城際鐵路全長120 km,是2008年北京奧運會的配套基礎設施工程之一,于 2008年 8月 1日開通運營,是我國第一條時速 300 km以上的高速鐵路,最高運營時速達到350 km[10]。京津城際鐵路有三段因路基工后沉降或地基強度不能滿足鐵路建設技術要求,采用了樁板結構。其中 DK81+906.04～DK84+000段的樁板結構,樁采用的是 CFG樁,樁頂設 0.15m厚碎石墊層,碎石墊層上設 0.5m厚的鋼筋混凝土板;DK105+337.2～DK108+723.91段的樁板結構,樁采用了預制管樁及CFG樁,樁頂設 0.15m或 0.5m厚碎石墊層,碎石墊層上面設 0.5m厚的鋼筋混凝土板;DK108+365～DK108+449段樁板結構,樁采用鉆孔灌注樁,樁頂設0.5m厚碎石墊層,碎石墊層上設 0.5m厚的鋼筋混凝土板。這三段樁板結構,均在板上又填筑了一定厚度的路基填料,然后在其上采用了 CRTSⅡ型板式無砟軌道結構[11]。此外,我國在其他建設的部分客運專線上也使用了樁板結構,如在武廣鐵路客運專線設計工點里程 DK1 809+864.73～DK1 810+230,長 365.27m的高邊坡陡坡地段使用了樁板結構。

根據前面的樁板結構類型分類,可以看出,國外及我國遂渝、武廣等客運專線采用的樁板結構屬于第一種形式,我國鄭西客運專線采用的樁板結構屬于第二種形式,我國京津城際鐵路采用的樁板結構屬于第三種形式。

對比上述的三種樁板結構形式,可以看出,第一種結構形式由于構造簡單,整體性強,能直接與上部軌道結構相連接,在保持軌道結構穩(wěn)定性方面,尤其是無砟軌道結構穩(wěn)定性方面具有非常好的性能,因此也是國內外較多采用的一種形式。

(2)理論研究方面

對于樁板結構的理論研究方面,國內外的相關研究均較少,且不系統。德國最初在設計樁板結構時,由于沒有可參照的經驗,為了驗證工程設計的正確性,在德國慕尼黑工業(yè)大學做了一個能進行長期循環(huán)加載的大比例尺模型試驗。結果表明,其設計的樁板結構的承載力和變形符合工程項目的規(guī)定;并且在大約5 000萬次循環(huán)加載后,模型板沒有出現嚴重的裂紋。

我國最早對樁板結構進行理論研究的是西南交通大學。結合鐵道部科技開發(fā)項目《遂渝線無砟軌道線下工程關鍵技術試驗研究》(2005K004-C(G)),西南交通大學同鐵二院合作對遂渝線在土質路基無砟軌道地段采用樁板結構進行了系統的研究論證[12～14],并申請了專利[15]。遂渝線是我國第一次在土質路基上修建無砟軌道并首次采用樁板結構,由于沒有對應的設計規(guī)范,設計時主要參考了《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》(TB10002.3—2005)以及《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2002)等,并在設計時沒有考慮板下路基土體對板的支承作用,即認為板下是托空的,也沒有考慮路基土體對樁的側向約束作用。同時,為了確保工程成功及驗證設計正確,對設計的樁板結構方案進行了大比例尺模型載荷試驗,離心機模型試驗及現場實車動態(tài)測試試驗與長期觀測試驗。在此研究基礎上,詹永祥利用 ANSYS大型有限元分析軟件,對高邊坡陡坡地段及地震情況下的樁板結構動態(tài)響應進行了分析[16～17]。羅照新對樁板結構的設計方法進行了分析研究,認為如果采用容許應力法會使得結構設計偏于安全,較為保守;而如果采用概率極限狀態(tài)法則還不夠成熟[18]。秦立新在分析樁板結構特點和使用要求的基礎上,對樁板結構的荷載組合進行了研究[19]。馬斌應用有限元對列車荷載作用下的樁板結構應力分布及變形特性進行了分析計算[20]。李紹文[21]、梁忠周[22]對樁板結構的施工技術進行了總結。蘇謙結合鄭西線具體工程概況,對樁板結構進行了結構設計分析[9],并進行了模型試驗驗證[23]。

2.3 存在的問題

由上述的研究現狀可以看出,樁板結構是一種新型的結構形式,在國內外的工程應用方面尚屬早期,理論研究滯后于工程實踐,結構形式多樣,應用領域單一,沒有對應的設計規(guī)范,還處于工程應用探索階段。在僅有的理論研究中,大多是做一些有限的試驗和少量的數值分析,主要目的是驗證該工程設計的正確性。

盡管如此,從上述的國內外研究現狀還是可以看出,對于樁板結構,板的合理設計是其關鍵所在。當前在具體工程設計時是不考慮路基土體對板的支承作用以及對樁的側向約束作用的,如我國的遂渝、武廣等客運專線都是這樣設計的,這可能會導致兩個結果:(1)計算的結果偏于保守,工程造價較高;(2)偏于保守的設計結果導致結構的剛性增強,使得溫度應力影響變得敏感,甚至成為結構安全可靠的隱患。

3 樁板結構需要研究的內容

由上述可以看出,對樁板結構開展深入系統的研究具有很強的工程現實意義。并且應重點關注如下問題:

(1)樁板結構的合理形式問題

樁板結構目前結構形式多樣,并且每種結構形式都有其不同的特點及適用條件。因此,考慮其使用功能、工程地質情況、軌道結構形式、運行速度、施工因素、軌道臨界速度等進行樁板結構形式研究顯得迫切而必要。

(2)路基土體對板的支承作用問題

一般情況下,線路開始運營時板與其下的路基土體是緊密聯系在一起的,其中路基土體對板有支承作用。但隨著運營的進行,上部列車的不斷往復作用,路基土體會產生一定的壓密下沉,這時路基土體對板的支承力可能會減小,甚至會出現托空現象,從而改變起初的受力體系,使樁承擔更多的荷載,這對樁板結構的承載力確定造成不確定因素。

(3)路基土體對樁的約束作用問題

列車高速運行時的左右晃動,以及制動、啟動時產生的附加力都會對軌道施加橫向、縱向作用,從而使這些軌道有發(fā)生縱橫向位移的趨勢,對高速鐵路的高平順性、舒適性產生影響。與其他結構相比,樁板結構的路基土體對樁有側向約束作用,會顯著提高線路的橫向穩(wěn)定性。而這種約束作用的大小,又與上部軌道結構的平順性,線路是直線還是曲線地段,樁本身的大小及成孔方式,以及路基填筑高度、填料壓實度等因素有關。這些都會對分析樁板結構的穩(wěn)定性造成影響。

(4)溫度應力對樁板結構樁 板 路基土體相互作用的影響問題

對于第一種樁板結構形式,樁與板是固結的,在溫度變化等影響下,可能會在樁、板連接處出現較大的應力集中,影響樁板結構的正常使用,甚至影響結構的安全。此外,列車的高速運行,加劇了樁、板之間的動力相互作用,這更加使樁、板的連接處受力復雜化。因此,考慮不同的列車軸重、速度、軌道結構形式等因素,研究溫度應力對樁板結構樁 板 路基土體相互作用影響問題對工程設計具有重要的指導作用。

(5)樁板結構設計方法的問題

樁板結構目前國內外均沒有具體的設計規(guī)范。因此,需要對樁板結構進行設計荷載組合、結構跨度、動力系數取值,以及設計檢算內容、計算方法、限值標準等方面的具體研究。

(6)目前保守設計方法的技術經濟性問題

目前的樁板結構保守設計方法是不考慮路基土體對板的支承作用以及對樁的側向約束作用的。這種設計方法可能會導致工程造價較高,結構的剛度較大,從而使得溫度敏感性增強,甚至給結構的安全留下隱患。因此,在對樁板結構作用機理的研究基礎上,對保守設計方法的技術經濟性進行評價研究具有很強的現實意義。

4 結語

根據已有的工程實踐經驗,樁板結構主要適用范圍為:新建高速鐵路(尤其是 300 km/h以上的無砟軌道),已建路基的補強加固、舊線提速改造工程,工程地質條件復雜的斜坡、軟土地段,既有線有砟軌道改無砟軌道工程,以及兩橋(隧)之間短路基、道岔區(qū)路基等。

目前,我國正處于鐵路建設高峰期。根據 2005年審議通過的《中長期鐵路網規(guī)劃》(以下簡稱 《規(guī)劃》),到 2020年我國鐵路營業(yè)里程將達到 10萬 km,其中客運專線 1.2萬 km。2008年 10月 31日又對《規(guī)劃》進行了調整,并通過國家批準。新調整的方案,將2020年全國鐵路營業(yè)里程規(guī)劃目標由 10萬 km調整為 12萬 km以上,其中客運專線由 1.2萬 km調整為1.6萬 km。

由此可見,我國正在進行大規(guī)模的鐵路新線修建,尤其是高速鐵路、客運專線新線修建,這給樁板結構的應用提供了廣闊的空間。而采用樁板結構是解決高速鐵路土質路基沉降難以控制,滿足軌道結構臨界速度要求,“以橋代路”工程造價又較高的一種有效途徑。此外,樁板結構是一種新的軌下基礎結構形式,它將補充完善我國鐵路軌下基礎結構形式技術系列,必會在我國鐵路實施跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的建設中發(fā)揮巨大作用。

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