黃學(xué)杰

我國巖溶地區(qū)面積較大,主要分布在南方。這些地區(qū)人類工程活動強(qiáng)烈,巖溶災(zāi)害問題也非常突出,已引起工程界普遍關(guān)注[1-2]。特別是在鐵路建設(shè)領(lǐng)域,巖溶問題已成為南方巖溶地區(qū)突飛猛進(jìn)的高速鐵路建設(shè)面臨的主要地質(zhì)問題之一[3-4]。

在巖溶地區(qū)，鐵路路基地基通常采用巖溶注漿或樁板結(jié)構(gòu)來處理。目前注漿是巖溶地區(qū)鐵路路基最常見的地基處理方式，但是注漿已經(jīng)暴露出越來越多的缺點和局限性。在一些巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，巖溶空洞大、溶蝕面低，有些段落巖溶空洞深度達(dá)到20～30 m。采用注漿方案處理巖溶時，注漿后的注漿體收縮大且漿液的灌注不易控制,進(jìn)而難以保證路基的穩(wěn)定性和軌道的平順性[5]，因此在這些溶洞較大的地區(qū)，采用注漿處理巖溶地基有一定的缺陷。實踐證明水泥漿中含有的Cr6+會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，在環(huán)境保護(hù)要求較高的地區(qū)不能采取注漿方式。如某工程位于水源地附近，在注漿處理地基時Cr6+滲入水源中，導(dǎo)致水源受到嚴(yán)重污染，不得不中斷注漿。

在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段鐵路路基通常以樁板結(jié)構(gòu)的形式通過。樁板結(jié)構(gòu)用于巖溶地基處理時為防止在溶洞頂板堆土加速溶洞頂板破壞，一般將板設(shè)置在地面處，即由樁板結(jié)構(gòu)來承擔(dān)全部的路堤填土的重量。當(dāng)路堤填土較高時由于樁板結(jié)構(gòu)承受的荷載較大，需要較厚的板來防止樁板結(jié)構(gòu)的沖切破壞，材料浪費較大，地基處理造價較高[5]。為克服樁板結(jié)構(gòu)的這些缺點提出梁筏結(jié)構(gòu)。梁筏結(jié)構(gòu)是梁和結(jié)構(gòu)板現(xiàn)澆在一起，共同承擔(dān)上部荷載的結(jié)構(gòu)形式。由于梁筏結(jié)構(gòu)的梁和結(jié)構(gòu)板之間的抗沖切面積較大，板的抗沖切承載力較大，板厚可以減薄。這種結(jié)構(gòu)傳力途徑清晰，受力方式明確，理論可靠，可以用有限元分析，也可以用簡單的超靜定結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行分析。本文結(jié)合黔張常鐵路路基巖溶地基處理工程介紹梁筏結(jié)構(gòu)在高鐵路基巖溶地基處理中的應(yīng)用。

1 工程概況及工程方案

1.1 工程概況

黔張常鐵路路基工點DK46+840—DK47+247段，長度為407.00 m，路堤填高最高為9.0 m，位于一級水源地保護(hù)地區(qū)，山勢陡峭。工點處地層主要為第四系坡積粉質(zhì)黏土及寒武系中統(tǒng)高臺組灰?guī)r，不良地質(zhì)主要為巖溶，工點處鉆孔揭示溶洞強(qiáng)烈發(fā)育，溶洞高度0.2～24.0 m。溶洞埋深2～20 m，多為黏性土及碎石類土半填或無充填。

1.2 工程方案及結(jié)構(gòu)計算模型選取

該工點位于一級水源保護(hù)地，由于注漿會污染水源且注漿后漿液凝固收縮量大影響路基的穩(wěn)定性和軌道的平順性，為將來通車埋下安全隱患，故不宜采用巖溶注漿的方式，提出樁板結(jié)構(gòu)和梁筏結(jié)構(gòu)這2種比選方案。

為防止在溶洞頂板堆土加速溶洞頂板塌陷，路堤填土荷載全部由結(jié)構(gòu)板來承擔(dān)，故結(jié)構(gòu)板需要設(shè)置在地面處。該工點路堤高度為9 m，在路堤底面處列車的沖擊效應(yīng)已經(jīng)衰減完，可不考慮列車的沖擊作用。土重度γ取20 kN/m3，板頂處土壓力為180 kPa,列車及軌道荷載在結(jié)構(gòu)板頂處擴(kuò)散為20.2 kPa。為防止溶洞頂板在增加荷載后塌陷，地基土對板的支撐作用喪失造成結(jié)構(gòu)破壞，選取結(jié)構(gòu)計算模型時不考慮地基土對板的支撐作用，按照板底懸空計算。樁底嵌入微風(fēng)化巖層內(nèi)，變形較小，樁可以作為上部結(jié)構(gòu)的不動鉸支撐點。樁板結(jié)構(gòu)的計算模型采用等效框架梁模型進(jìn)行受力分析，梁筏結(jié)構(gòu)采用梁板結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行受力分析。

2種比選方案采用的設(shè)計樁徑均為1 m，樁間距均采用5.5 m×7.0 m。樁及上部結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度均為C40。為減小地基處理寬度，取得經(jīng)濟(jì)合理的效果，路基兩側(cè)均采用擋土墻收坡。結(jié)構(gòu)斷面形式如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)斷面形式示意

1.2.1 樁板結(jié)構(gòu)方案計算分析

1)抗沖切分析及板厚取值

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》按照以下公式進(jìn)行抗沖切計算[6]

Fl≤0.7βhftηumh0

(1)

式中：Fl為結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載；βh為板抗沖切系數(shù)，板厚h≤800 mm時取1.0，h≥2 000 mm 時取0.9；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度；η為η1與η2兩者的較小值；um為計算截面的周長；h0為板的計算高度，取h0=h-as,as為板面至鋼筋重心的距離。

η1,η2計算式為

式中：η1為局部荷載或集中反力作用面積形狀的影響系數(shù)；η2為計算截面周長與板截面有效高度之比的影響系數(shù)；βs為局部荷載或集中反力作用面積為矩形時的長邊與短邊尺寸的比值，取2；αs為樁位置影響系數(shù)，中樁取40。

根據(jù)式(1)進(jìn)行抗沖切承載力驗算。按照板厚1.3 m計算，βh=0.96，每個樁對板的沖切力為 9 342 kN,抗沖切承載力 9 525 kN,滿足規(guī)范要求，且稍有富余。證明板厚取1.3 m合適。

2) 受彎承載力分析及鋼筋布置

由于不考慮地面土的作用，板內(nèi)力計算模型擬采用由文獻(xiàn)[6-7]提出的等效框架梁法，把整個結(jié)構(gòu)分別沿縱、 橫2個方向的柱(樁)列劃分為具有“等效框架柱”和“等效框架梁”的縱向等效框架和橫向等效框架，按此計算得到的內(nèi)力作為無梁板和柱(樁)的內(nèi)力[8]。文獻(xiàn)[9]用等效框架梁法模擬分析了某建于巖溶地基上的15層建筑的基礎(chǔ)，實測結(jié)果與分析結(jié)果接近。理論及實踐證明該模型用于巖溶地區(qū)地基樁板結(jié)構(gòu)的地基處理是合適的。本工程中等效框架中縱梁的等效寬度取值為min(2Lx/3,Ly/2)=2.75 m，橫梁的等效寬度取值為min(2Ly/3,Lx/2)=3.5 m，PKPM計算的彎矩云圖見圖2。

圖2 樁板結(jié)構(gòu)彎矩云圖(單位:kNm)

由圖2可知，縱向及橫向跨中的正彎矩較小，最大彎矩均出現(xiàn)在等效框架梁上的樁頂部位，每延米板縱向最大彎矩設(shè)計值為-3 100 kNm,截面受壓區(qū)相對高度ξ=0.093≤0.515，受彎承載能力有較大富余。在板面及板底雙向布置直徑25 mm、間距200 mm的通長鋼筋,每個方向配筋率為0.25%，大于最小配筋率0.20%。在等效框架梁范圍內(nèi)上部增加直徑32 mm、間距200 mm的附加鋼筋，附加鋼筋長度為3 m，附加鋼筋與通長鋼筋間隔布置。

1.2.2 梁筏結(jié)構(gòu)方案

1)結(jié)構(gòu)板受力分析

圖3 梁筏結(jié)構(gòu)板彎矩云圖(單位：kNm)

梁筏結(jié)構(gòu)是以結(jié)構(gòu)板為主要的受力構(gòu)件來承受上部路堤及軌道列車荷載，縱、橫梁作為結(jié)構(gòu)板支撐的一種結(jié)構(gòu)形式。和樁板結(jié)構(gòu)相比，梁筏結(jié)構(gòu)板的支撐點由原來的樁變?yōu)榭v、橫梁，由原來的點支撐轉(zhuǎn)變?yōu)榫€支撐。支撐數(shù)量大幅度增加可以使結(jié)構(gòu)板的最大彎矩及剪力均大幅度降低、結(jié)構(gòu)板的板厚及鋼筋數(shù)量大大減小。本工程中采用的結(jié)構(gòu)板厚為0.8 m，PKPM計算的彎矩云圖見圖3?？芍?，每延米結(jié)構(gòu)板面的最大彎矩值為 1 050 kNm,為無縱、橫梁支撐時彎矩的1/3。根據(jù)計算結(jié)果板面及板底雙向配置直徑22 mm、間距200 mm 的HRB400鋼筋即可滿足要求。最小配筋率為0.24%,大于0.20%。計算最大裂縫寬度0.05 mm,滿足規(guī)范要求。根據(jù)計算每塊板受到的沖切力為 7 370 kN,抗沖切承載力為 22 024.8 kN,抗沖切滿足規(guī)范要求且有較大的安全富余度。

2)梁抗彎及抗剪分析

本工程中取梁截面為1.4 m×1.0 m,結(jié)構(gòu)板厚0.8 m,每個板塊長為7 m,寬為5.5 m，長寬比小于2，結(jié)構(gòu)板為雙向板。按照雙向板塑性鉸線理論，板上的荷載被塑性鉸線分為4塊，每塊小板的荷載就近傳遞至支撐梁上，傳力途徑如圖4所示。

圖4 板荷載傳遞示意

圖5 梁的彎矩及剪力包絡(luò)圖

圖6 梁彎矩包絡(luò)圖(單位：kNm)

根縱梁承受的土壓力及混凝土自重線荷載為589.8 kN/m,承受的列車及軌道壓力荷載為48.6 kN/m。橫梁承受的土壓力及混凝土自重線荷載為445.6 kN/m，承受的列車及軌道壓力線荷載為42.9 kN/m。采用《靜力計算手冊》算法分析得出的縱梁彎矩及剪力見圖5。采用PKPM進(jìn)行有限元分析得出的縱梁彎矩見圖6。對比圖5、圖6可知，4跨框架梁的超靜定結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和PKPM有限元分析結(jié)果相近，最大彎矩均為支座負(fù)彎矩。最大彎矩 4 460 kNm 出現(xiàn)在縱向第1跨中間支座處,按此彎矩確定的梁上部配筋 10 223 mm2，采用20根直徑28 mm HRB400鋼筋可滿足要求。裂縫寬度為0.12 mm，滿足GB 50010—2010三a類環(huán)境下裂縫寬度不大于0.2 mm的要求。抗剪箍筋采用間距200 mm，四肢箍,直徑10 mm的HRB400鋼筋。

1.2.3 方案對比

2 現(xiàn)場試驗

梁筏結(jié)構(gòu)施工前，選取3個試驗斷面布置構(gòu)件，監(jiān)測筏板底部土壓力、關(guān)鍵部位鋼筋應(yīng)力及結(jié)構(gòu)整體沉降。

2.1 筏板底部土壓力

筏板底部的土壓力分別為32.5，42.1，35.2 kPa，附加應(yīng)力為12.5,22.1,15.2 kPa。附加應(yīng)力增加較小，可有效防止溶洞頂板因地面附加應(yīng)力過大造成溶洞頂板脫落的問題。

2.2 鋼筋應(yīng)力

由于結(jié)構(gòu)計算時沒有考慮土對筏板的支撐作用，因此鋼筋應(yīng)力實測值比計算值低。工程建成后3個試驗斷面縱梁支座處鋼筋應(yīng)力最大，分別為78,105,92 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于360 MPa，證明本結(jié)構(gòu)有較高的安全儲備。

2.3 地基沉降

路堤填土的大部分荷載都是由樁來直接傳遞到微風(fēng)化巖石上，因此路堤沉降主要為樁及巖石的變形。由于樁及巖石均為剛體，在加載后梁筏結(jié)構(gòu)的路基沉降會很快穩(wěn)定下來，工后沉降可以得到有效控制。

圖7 沉降時間關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)梁筏結(jié)構(gòu)荷載傳遞途徑明確，計算模型簡單，可以采用簡單的超靜定結(jié)構(gòu)模型計算，也可采用有限元計算分析，理論可靠。

2)按照文中方法計算的梁筏結(jié)構(gòu)，具有很高的安全富余度。

3)與樁板結(jié)構(gòu)相比，梁筏結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可有效

減少混凝土用量，經(jīng)濟(jì)效益較好。

4)由于梁筏結(jié)構(gòu)及基巖剛度較大、變形小，可有效減小溶洞頂板的附加荷載，保護(hù)溶洞頂板，且路基沉降可以很快穩(wěn)定下來，有效控制路基工后沉降。