張 然
(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)
寶雞至蘭州客運專線橫貫陜西和甘肅兩省,線路東起陜西省寶雞市,經(jīng)甘肅省天水市、秦安縣、通渭縣、定西市、榆中縣,穿越皋蘭山沿折向西至新建蘭州西客站,為西部地區(qū)快速客運系統(tǒng)主骨架之一。線路正線長度400.6 km,鐵路等級為客運專線,設(shè)計速度目標(biāo)值250 km/h,通過能力為列車最小追蹤間隔時間3 min,正線線間距4.6 m,正線及站內(nèi)相鄰到發(fā)線軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。
本線為山區(qū)高速鐵路,橋隧比重高達(dá)94%,橋隧間短路基眾多,并且沿線自重濕陷性黃土濕陷等級以Ⅲ、Ⅳ級為主,厚度深(局部可達(dá)40 m以上)、濕陷量大等特點。由于橋梁、隧道、涵洞及路基工程結(jié)構(gòu)物軌下基礎(chǔ)有很大的差異,這就決定了軌道的剛度和變形在線路縱向變化的不均勻。為了減少因線路不均勻變形引起對車輛運行平穩(wěn)性的影響,需要把路基沉降值控制在一定的范圍內(nèi),并盡量減少路、橋、隧不同結(jié)構(gòu)物之間的沉降差異值。
寶蘭客運專線地層狀況復(fù)雜,經(jīng)綜合分析比較,除了采用挖除換填、強夯、灰土擠密樁、柱錘沖擴樁、長短樁(CFG+擠密樁)常規(guī)措施外,針對頻繁過渡的短路基及深厚層濕陷性黃土地段采用淺埋式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行處理,淺埋式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)具有強度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好等特點,能有效地控制路基工后沉降并減少橋梁、隧道及路基結(jié)構(gòu)物的工后沉降差異值。對其結(jié)構(gòu)形式、計算分析、布置形式、施工工藝等進(jìn)行研究。
淺埋式樁板結(jié)構(gòu)由下部鋼筋混凝土樁基、路基本體與上部鋼筋混凝土承載板組成。板頂位于基床表層(級配碎石)底面,鋼筋混凝土板由鋼筋混凝土樁支撐,路基填土及地基給樁提供側(cè)向抗力,樁、板與地基土共同組成一個承載結(jié)構(gòu)體系,來承受上部荷載,可以有效地控制路基的工后沉降。
圖1 淺埋式樁板結(jié)構(gòu)斷面
樁板結(jié)構(gòu)端部跨度過大,板的彎矩和跨中撓度增大,端部跨度過小,端部的樁頂彎矩增大,在列車經(jīng)過端部第二跨時,板端會向上翹起,故樁板結(jié)構(gòu)端部與相鄰結(jié)構(gòu)物應(yīng)搭接,端跨長度一般為3~6 m。通過調(diào)整跨度、懸臂段長度、改變涵洞基礎(chǔ)形式和設(shè)置牛腿等方式,使樁板結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)物進(jìn)行平順連接、過渡。在滿足路基工后沉降的前提下,也可通過調(diào)整樁長和樁的平面布置減小路基與橋梁及隧道之間沉降差異值。
圖2 樁板結(jié)構(gòu)與橋涵連接效果圖
樁板結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu),采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的力法,將板從各跨中部斷開,去掉多余約束,代以相應(yīng)的多余未知力,使之成為靜定基本體系。結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖3所示。
圖3 結(jié)構(gòu)計算簡圖
按照變形協(xié)調(diào)原理,即上述基本體系在荷載及多余未知力共同作用下,沿多余未知力方向的位移等于原超靜定結(jié)構(gòu)的位移,建立變形協(xié)調(diào)方程
式中 揉度系數(shù)δij——基本結(jié)構(gòu)由于Xj=1引起的Xi方向上的位移;
Δip——由于外部荷載引起 Xi方向上的位移;
Δi——原超靜定結(jié)構(gòu)沿 Xi方向上的給定的位移。
通過求解方程組,計算板厚度 0.7 m、寬度10.1 m、樁徑1 m能滿足頂板上部荷載要求,樁和板的裂縫寬度計算值小于0.25 mm。
樁板結(jié)構(gòu)鉆孔樁橫向間距4.6 m,縱向間距為3~7 m,樁板結(jié)構(gòu)在溫差荷載較小時結(jié)構(gòu)受力分為伸縮區(qū)和固定區(qū),溫差荷載較大時,樁板結(jié)構(gòu)受力全部為伸縮區(qū),當(dāng)溫差荷載增加到一定程度,端樁樁頂位移超過了規(guī)定限值,此時端樁樁頂位移成為控制條件。溫差荷載對結(jié)構(gòu)端部的3~4排樁影響相對較大,應(yīng)對端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。在計算樁板結(jié)構(gòu)兩端跨度時,應(yīng)盡量使兩端的樁頂彎矩減小。
圖4 樁位布置(單位:cm)
路基本體填筑至樁板結(jié)構(gòu)板底高程時,進(jìn)行樁板結(jié)構(gòu)施工,由于鉆孔樁施工對路基面破壞較大,故將路基面高程高出設(shè)計10 cm,施工板結(jié)構(gòu)時將多余部分清除,施工墊層,確保板下填土密實。樁板結(jié)構(gòu)施工主要分3階段進(jìn)行,鉆孔樁施工階段、板施工階段及板合龍施工階段。施工工藝流程見圖5。
樁身穿越深厚層自重濕陷性黃土層時應(yīng)考慮負(fù)摩擦對樁的影響,為減小因濕陷和上部填土荷載的共同作用,將會大大增加負(fù)摩擦的深度,使樁長長度太大,導(dǎo)致施工的困難及工程造價的增加,故采用6~8 m素土擠密樁將上部淺層黃土濕陷性消除,既減小負(fù)摩擦影響深度,減少樁長、節(jié)約投資,又提高了地基承載力,減小板與路堤本體的脫開距離。
圖5 施工工藝流程
通過沉降計算分析表明,地基采用淺埋式樁板結(jié)構(gòu)處理,路基工后最大沉降值小于8 mm,控制沉降效果顯著,滿足規(guī)范要求;與相連橋臺的沉降差異值最大為3.9 mm,小于5 mm,能有效地減少結(jié)構(gòu)物之間的工后沉降差異值。沉降計算值見表1。
表1 沉降計算值
樁板結(jié)構(gòu)工后沉降隨著樁間距跨度增加基本呈線性變化,通過對端部樁間距適當(dāng)加密,既能減小溫差荷載對結(jié)構(gòu)的影響,又能更嚴(yán)格地控制與橋梁、隧道結(jié)構(gòu)物的沉降差異值??缍扰c沉降關(guān)系曲線見圖6。
圖6 跨度與沉降關(guān)系
淺埋式樁板結(jié)構(gòu)既能保證路基具有足夠的強度和剛度,又能達(dá)到滿足承載力要求和路基沉降變形控制的目的,解決了深厚層濕陷性黃土地基路基沉降控制困難、道岔區(qū)不宜設(shè)橋的技術(shù)難題。
同等工程條件下,填方高度小于6 m地段對設(shè)置橋梁及路基(區(qū)間正線)進(jìn)行經(jīng)濟比較,通過優(yōu)化路堤填料,在工程費用上樁板結(jié)構(gòu)路基要比橋梁低20%。路基樁板結(jié)構(gòu)與橋梁相比有一定優(yōu)勢,尤其是在車站多線范圍內(nèi),效果更為顯著。
隨著高速鐵路的快速發(fā)展,對路基工后沉降要求非常嚴(yán)格,尤其是路基、橋梁、涵洞及隧道過渡段存在有兩方面的問題,一是受到列車荷載影響較大的范圍內(nèi)基床以上部分線路結(jié)構(gòu)抵抗變形能力差異,即軌道綜合模量剛度平順過渡的問題,二是人工結(jié)構(gòu)的剛性橋臺與土工結(jié)構(gòu)的柔性路基間工后沉降差引起軌面彎折的限值問題。淺埋式樁板結(jié)構(gòu)施工簡單,是加固深厚層軟土、濕陷性黃土、頻繁過渡段路基的有效方法,不僅能滿足路基工程工后沉降控制要求,而且能更好地控制相鄰結(jié)構(gòu)物軌下基礎(chǔ)沉降差異值,使軌道的剛度逐漸變化,提高列車平順性及旅客舒適度。
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