劉寶，蘇謙，趙文輝，張健，張禮財

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

京滬高鐵深埋式樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法分析

劉寶，蘇謙，趙文輝，張健，張禮財

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

深埋式樁板是高速鐵路無砟軌道路基的一種新型結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計方法及計算理論目前還不成熟。本文結(jié)合京滬高速鐵路深厚軟土地基低矮路堤深埋式樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，建立二維和三維的有限元模型，計算得出樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和變形特性等。對比分析二維和三維的有限元計算表明，二維與三維框架法計算結(jié)果接近，且均滿足無砟軌道的控制指標(biāo)要求。為了便于設(shè)計計算，建議按照二維框架法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

高速鐵路 低矮路堤 深埋式樁板結(jié)構(gòu) 設(shè)計計算

近年來隨著高速鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，由于其功能上的優(yōu)越性，在深厚軟土、松軟土地區(qū)樁板結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用［1-7］。樁板結(jié)構(gòu)根據(jù)埋設(shè)位置的不同，分為非埋式、淺埋式及深埋式三種，相應(yīng)的適用范圍也不一樣。京滬高速鐵路虹橋樞紐段地處長江三角洲濱海平原區(qū)，該段均為第四系地層覆蓋，由江河、湖泊、海相沉積形成，廣泛分布厚35～40 m的淤泥質(zhì)軟土。高速鐵路無砟軌道嚴(yán)格的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)對深厚軟土地基處理提出了更高的要求［8］，京滬高速鐵路上海虹橋站附近就首次采用了深埋式樁板式結(jié)構(gòu)。非埋式、淺埋式樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論均是將其簡化為平面模型進(jìn)行考慮［1，5，9］，深埋式樁板式結(jié)構(gòu)與它們在結(jié)構(gòu)形式上有較大的差異，以往的計算方法是否適用還有待檢驗。本文結(jié)合京滬高速鐵路深厚軟土地基低矮路堤樁板結(jié)構(gòu)工程實例，建立二維和三維的有限元模型，對相應(yīng)的內(nèi)力分布和變形特性進(jìn)行對比分析，提出深埋式樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法。

1 工程概況

京滬高速鐵路深厚軟土地基低矮路堤樁板結(jié)構(gòu)工點(diǎn)位于上海虹橋站附近，長216 m，正線地基設(shè)計方案采用鉆孔灌注樁+C40鋼筋混凝土板加固+聯(lián)合預(yù)壓土柱(土柱高2.0～3.0 m);其左右兩側(cè)采用攪拌樁加固，間距1.2 m，按正方形布置。基床表層0.4 m采用級配碎石填筑，基床底層及基床以下路堤填料為湖州碎石土，屬A，B組填料。板底鋪15 cm厚C15混凝土找平層，攪拌樁樁頂設(shè)置0.6 m砂墊層，并于其間鋪設(shè)一層雙向高強(qiáng)土工格柵。路堤邊坡高＜3.0 m，邊坡采用混凝土空心磚內(nèi)培土撒草籽、種植灌木防護(hù)，邊坡坡率為1∶1.5。

采用深埋式樁板結(jié)構(gòu)，板頂位于地面線以下，距基床表層頂面1.39～1.57 m。為結(jié)合實際研究樁板結(jié)構(gòu)的性能，根據(jù)構(gòu)造要求和受力特點(diǎn)確定截面尺寸為: C40鋼筋混凝土板，厚度80 cm;板梁沿線路方向長27 m，橫向?qū)挾?3 m。即縱向跨度方向，2.5+7+8+7+ 2.5=27 m，橫向跨度方向，1.3+4×2.6+1.3=13 m。為了減少邊跨跨中彎矩和樁的不平衡彎矩及減少圬工，縱橫向兩邊均設(shè)為懸臂端［7，10］。鉆孔灌注樁樁徑0.8 m，樁長45.5～46.0 m，每聯(lián)有4×5(縱×橫)=20根樁。加固區(qū)域的橫斷面見圖1。

圖1 深埋式樁板結(jié)構(gòu)橫斷面

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型

由于鋼筋混凝土板中間每個格區(qū)都是四邊支撐，其長邊與短邊之比＞2且＜3，文獻(xiàn)［11］指出應(yīng)以短邊為跨度按單向板計算，而文獻(xiàn)［12］指出應(yīng)按雙向板計算;當(dāng)按沿短邊方向受力的單向板計算時，應(yīng)沿長邊方向布置足夠數(shù)量的構(gòu)造鋼筋。利用Sap2000對樁板結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行三維和二維框架計算分析。三維計算將板梁按厚板或薄板單元離散，樁以桿件單元離散，樁上每單元節(jié)點(diǎn)上施加點(diǎn)彈簧，以考慮樁側(cè)土對樁的約束作用，其模型見圖2。二維計算把空間的樁板結(jié)構(gòu)分別按縱向、橫向轉(zhuǎn)化為平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其模型見圖3?？蚣芙Y(jié)構(gòu)各斷面按板梁、樁實際尺寸設(shè)定，將荷載分別作用在空間和平面桿件上，計算各部件的內(nèi)力與變形，建立的模型都考慮地基土剛度對樁板結(jié)構(gòu)的影響，即地基土與樁板結(jié)構(gòu)的相互作用。

圖2 三維框架計算模型

圖3 二維框架計算模型

2.2 計算工況

樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)自身受力特性，考慮以下各荷載工況，就其可能的最不利組合情況進(jìn)行設(shè)計。

1)恒載

包括鋼軌、扣件、軌道板、混凝土底座及路基本體和板梁自重。

2)列車活載

采用ZK—活載進(jìn)行分析，并按規(guī)范［8］計算動力系數(shù)，以考慮動荷載對樁板結(jié)構(gòu)的影響。

3)混凝土收縮徐變

根據(jù)規(guī)范，相當(dāng)于對板梁施加－15℃的軸向溫升。

4)支座不均勻沉降

計算設(shè)計時為了簡化計算，考慮多支座的不均勻沉降量為5 mm計算最不利荷載。且為了與二維模型進(jìn)行比較分析，只考慮樁基縱向不均勻沉降，橫向為均勻下沉。

5)樁側(cè)土的模擬

考慮樁側(cè)土的約束作用，利用等代彈簧剛度模擬樁側(cè)土的彈性抗力，樁側(cè)為水平彈性約束，樁底豎向固結(jié)，樁頭深入板內(nèi)10 cm，故樁與板固結(jié)。模型中，沿單樁樁體每米分割為一個節(jié)點(diǎn)，建立節(jié)點(diǎn)彈簧，彈簧剛度kz計算如下

式中:kz為彈簧剛度，kN/m;m為地基系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4;z為樁深，m;b0為樁的計算直徑，應(yīng)考慮受力條件、形狀和各樁之間相互影響系數(shù)來修正樁的直徑。

6)板梁底部土的模擬

文獻(xiàn)［13］指出，地基土的支撐使樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，考慮列車長期荷載作用下地基土可能發(fā)生脫離，設(shè)計中地基土對板的支撐可視為安全儲備即不考慮地基土對板的支撐作用。

3 計算結(jié)果分析

3.1 彎矩比較分析

取橫向13 m寬度內(nèi)積分點(diǎn)的單元寬度彎矩平均值乘以13 m換算得到的彎矩與二維框架的彎矩比較，見圖4。三維框架13 m寬的換算最大正負(fù)彎矩為6 548.49 kN·m和－9 404.31 kN·m;二維框架的最大正負(fù)彎矩為6 522.98 kN·m和－10 099.75 kN·m;三維和二維相比，計算結(jié)果接近。為了便于設(shè)計計算，建議按照二維框架的最大正負(fù)彎矩進(jìn)行配筋。

圖4 板梁三維與二維縱向彎矩包絡(luò)圖

3.2 軸力比較分析

由樁板結(jié)構(gòu)三維和二維框架計算可求得樁頂荷載，樁基處于三維受力狀態(tài)，樁長按承載力控制，并做沉降驗算，可按m法計算設(shè)計，樁基軸力見圖5、圖6。

圖5 邊樁單樁軸力

圖6 中樁單樁軸力

由圖可見，橫向5根樁的樁頂軸力略有差異但量值不大。邊樁三維和二維計算出來的樁頂最大軸力分別為1 613.71 kN和1 583.78 kN;中樁三維和二維計算出來的樁頂最大軸力分別為2 112.27 kN和2 135.27 kN。三維可計算出單樁的軸力;而二維只能得出各排樁基的軸力，再除以樁根數(shù)從而得出單樁軸力。將三維與二維計算結(jié)果比較可知，對于邊排樁，三維和二維樁基軸力分別為7 688.9 kN和7 918.9 kN;對于中排樁，三維和二維樁基軸力分別為10 201.17 kN和10 676.35 kN。根據(jù)地質(zhì)資料，得出單樁容許承載力為2 312.833 kN，大于單樁所承受的最大荷載2 135.27 kN，承載力滿足要求。

3.3 樁基水平位移分析

三維計算邊樁及中樁單樁最大水平荷載分別為13.75 kN及8.92 kN，樁頂水平位移分別為2.2 mm及1.5 mm;二維邊樁及中樁單樁最大水平荷載分別為15.05 kN及8.75 kN，樁頂水平位移分別為2.5 mm及1.5 mm。滿足規(guī)范［14］要求。

4 結(jié)論

通過對京滬高速鐵路深厚軟土地基低矮路堤樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法的探討及實例分析，主要得出以下結(jié)論:

1)按等代墩基法計算深埋式樁板結(jié)構(gòu)的總沉降量滿足無砟軌道的設(shè)計要求。

2)經(jīng)過三維框架有限元計算可知，板梁當(dāng)作單向板進(jìn)行計算配筋時，沿線路橫向布置鋼筋，在樁與板的接觸處局部荷載較大，可布置足夠數(shù)量的抗沖切箍筋或彎起鋼筋。

3)通過三維與二維結(jié)果的比較分析，對于板梁縱向內(nèi)力，二維框架法算出的結(jié)果與三維結(jié)果接近。為了便于設(shè)計計算，建議按照二維框架的最大正負(fù)彎矩進(jìn)行配筋。

4)對于樁基承載力及其變形，二維框架法算出的結(jié)果與三維結(jié)果接近，均滿足無砟軌道的控制指標(biāo)要求。

［1］蘇謙．鄭西客運(yùn)專線深厚濕陷性黃土地基樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計分析［J］．鐵道建筑技術(shù)，2007(2):1-4．

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［5］黃健平．鄭西客運(yùn)專線路基樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算［J］．科技交流，2007，36(4):126-130．

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［7］薛照鈞．鐵路客運(yùn)專線軟弱地基低矮路堤采用無梁板樁柱結(jié)構(gòu)技術(shù)研究［J］．鐵道工程學(xué)報，2007(5):12-15．

［8］中華人民共和國鐵道部．鐵建設(shè)［2007］4號新建時速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2007．

［9］詹永祥．高速鐵路無碴軌道樁板結(jié)構(gòu)路基設(shè)計理論及試驗研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2007．

［10］彭偉，黃云德．房屋建筑工程——設(shè)計與施工［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2005．

［11］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［12］中華人民共和國建設(shè)部．GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［13］姚洪錫．武廣客運(yùn)專線軟土地基樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2009．

［14］中華人民共和國建設(shè)部．JGJ 94—94建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1995．

Analysis of design method of deep buried sheet-pile structure on Beijing-Shanghai high speed railway

LIU Bao，SU Qian，ZHAO Wenhui，ZHANG Jian，ZHANG Licai
(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

As a newly-developed structure for the ballast track of high speed railway，deeply-buried piling board structure still falls behind in terms of designing approach and calculation theory．the paper takes reference from the designing parameters of the deeply-buried piling board structure embedded to the low embankment on deep-soft soil subgrade along Beijing-Shanghai railway．It applies both 2D and 3D finite-element models to the calculation of the internal force distribution and deformation characteristics of the piling board structure．A comparison of data from the 2D and 3D models indicates that the two approaches lead to fairly consistent results，both of which conform to relevant regulation index．T he paper suggests the 2D model for future study，as it streamlines the calculation process and delivers accurate results．

High speed railway;Low embankment;Deeply-buried piling board structure;Design and calculation

U213．1+5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．30

1003-1995(2015)04-0113-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-05-19;

2015-01-06

國家自然科學(xué)基金項目(51378441)

劉寶(1988—)，男，山東單縣人，博士研究生。