樁板結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用研究

肖 宏,郭麗娜

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

1 樁板結(jié)構(gòu)的提出

路基作為一種柔性土工結(jié)構(gòu)物,由于其填料取材便利、工程造價低等經(jīng)濟因素,以及施工簡單、易于養(yǎng)護維修等技術(shù)因素被廣泛應(yīng)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(zhì)路基上采用有砟軌道結(jié)構(gòu)形式一般是必要的。隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展,列車速度和密度的增加,軌道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護維修變得越來越困難,對路基結(jié)構(gòu)的形式提出了新的要求,而無砟軌道結(jié)構(gòu)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(yīng)用。日本明確表示 350 km/h的高速鐵路應(yīng)采用無砟軌道。德國也建議高速鐵路應(yīng)采用無砟軌道,認為當(dāng)運營速度超過 300km/h時,有砟軌道會出現(xiàn)道砟粉化現(xiàn)象,需要經(jīng)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(diào)高量為 30mm的扣件,扣除施工誤差 -4～+6mm,僅有 20mm可以調(diào)整,再考慮列車運行時需要預(yù)留 5 mm的余量,實際留給運營期間路基沉降的允許調(diào)整量僅為 15mm[2]。如果采用傳統(tǒng)的路基結(jié)構(gòu)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(shè)規(guī)模大、線路長,區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜,整條線路都使用優(yōu)質(zhì)填料,無論從成本上還是優(yōu)質(zhì)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(shè)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(jié)構(gòu),采用“以橋代路”。相比而言,橋梁結(jié)構(gòu)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(shè)計考慮的主要因素。此外,我國在大力建設(shè)新線的同時,也同樣面臨著大量的舊線改造工程,而橋梁結(jié)構(gòu)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(dāng)、施工工藝簡單、環(huán)保型的新結(jié)構(gòu)新工法。

另外,鐵路的運營速度與軌道的臨界速度有著內(nèi)在的聯(lián)系,而軌道的臨界速度又與軌下基礎(chǔ)剛度直接相關(guān)[3]。根據(jù)相關(guān)文獻[4],要實現(xiàn)運營速度 300 km/h的目標,軌道臨界速度應(yīng)達到 450km/h以上。而對于一般的路基結(jié)構(gòu),甚至是經(jīng)復(fù)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(jié)構(gòu)形式,這種結(jié)構(gòu)應(yīng)整體性強、施工工藝簡單、工程造價合理、軌道臨界速度應(yīng)達到高速鐵路的運行要求。這種結(jié)構(gòu)即樁板結(jié)構(gòu)。

2 樁板結(jié)構(gòu)技術(shù)

2.1 概述

樁板結(jié)構(gòu)(piled slab structure)是隨著鐵路的建設(shè)而出現(xiàn)的一種新型軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式,最顯著的特征是該結(jié)構(gòu)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(nèi)受路基土體的側(cè)向約束作用,如圖1所示。其中,板是設(shè)計中最關(guān)鍵的構(gòu)件。根據(jù)目前國內(nèi)外的工程實踐應(yīng)用情況,樁板結(jié)構(gòu)主要有如下 3種形式:(1)結(jié)構(gòu)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(jié),軌道結(jié)構(gòu)直接作用在板上,如圖1(a)所示;(2)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)直接作用在板上;在板中位置處,樁板為固結(jié),在板端位置處,樁板為搭接,如圖1(b)所示;(3)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)施工,如圖1(c)所示。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)形式

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

樁板結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外均有一定的工程應(yīng)用,理論研究滯后于工程實踐。

(1)工程應(yīng)用方面

樁板結(jié)構(gòu)目前主要應(yīng)用于鐵路領(lǐng)域,較早應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu),上部采用的是有砟軌道結(jié)構(gòu)[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(yù)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(jié)構(gòu)

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(zhì)條件為海相沉積,土質(zhì)極軟。為建設(shè)高速鐵路,鋪設(shè)了一段500m的路基試驗段。測試結(jié)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(xiàn)運營速度 300 km/h的目標,軌道臨界速度應(yīng)達到 450 km/h以上,傳統(tǒng)的路基結(jié)構(gòu)無法滿足要求,最后采用了樁板結(jié)構(gòu),使軌道臨界速度達到 500 km/h。該工程軌道結(jié)構(gòu)采用了 Rheda 2000型無砟軌道結(jié)構(gòu)[6],如圖3所示。

圖3 荷蘭段HSL-S段——樁板結(jié)構(gòu)(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(zhì)為黏性土夾砂質(zhì)土。這種土易下沉,還具有膨脹性。為了滿足設(shè)計最高速度 330 km/h、最高運營速度 300 km/h的要求,在地質(zhì)條件較差、地下水位較高的地段采用了樁板結(jié)構(gòu),約有3543m。上部結(jié)構(gòu)采用的是無砟軌道結(jié)構(gòu)[7],如圖4所示。此外,英國的 CTRL線上也采用了樁板結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖4 德國高速的樁板結(jié)構(gòu)

圖5 英國CTRL線上的樁板結(jié)構(gòu)

我國第一次采用樁板結(jié)構(gòu)是在遂渝線無砟軌道綜合試驗段上。遂渝線采用的樁板結(jié)構(gòu)樁與板完全固結(jié),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(jié)構(gòu)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(zhì)路基上鋪設(shè)無砟軌道結(jié)構(gòu),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(fù)合地基措施難以滿足要求,采用了帶托梁的樁板結(jié)構(gòu),其中板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板,厚 0.6～0.8m,寬 10.5m;托梁為現(xiàn)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(jié)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(chǔ)設(shè)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(shè)技術(shù)要求,采用了樁板結(jié)構(gòu)。其中 DK81+906.04～DK84+000段的樁板結(jié)構(gòu),樁采用的是 CFG樁,樁頂設(shè) 0.15m厚碎石墊層,碎石墊層上設(shè) 0.5m厚的鋼筋混凝土板;DK105+337.2～DK108+723.91段的樁板結(jié)構(gòu),樁采用了預(yù)制管樁及CFG樁,樁頂設(shè) 0.15m或 0.5m厚碎石墊層,碎石墊層上面設(shè) 0.5m厚的鋼筋混凝土板;DK108+365～DK108+449段樁板結(jié)構(gòu),樁采用鉆孔灌注樁,樁頂設(shè)0.5m厚碎石墊層,碎石墊層上設(shè) 0.5m厚的鋼筋混凝土板。這三段樁板結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)[11]。此外,我國在其他建設(shè)的部分客運專線上也使用了樁板結(jié)構(gòu),如在武廣鐵路客運專線設(shè)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(jié)構(gòu)。

根據(jù)前面的樁板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)屬于第一種形式,我國鄭西客運專線采用的樁板結(jié)構(gòu)屬于第二種形式,我國京津城際鐵路采用的樁板結(jié)構(gòu)屬于第三種形式。

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

(2)理論研究方面

對于樁板結(jié)構(gòu)的理論研究方面,國內(nèi)外的相關(guān)研究均較少,且不系統(tǒng)。德國最初在設(shè)計樁板結(jié)構(gòu)時,由于沒有可參照的經(jīng)驗,為了驗證工程設(shè)計的正確性,在德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)做了一個能進行長期循環(huán)加載的大比例尺模型試驗。結(jié)果表明,其設(shè)計的樁板結(jié)構(gòu)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(xiàn)嚴重的裂紋。

我國最早對樁板結(jié)構(gòu)進行理論研究的是西南交通大學(xué)。結(jié)合鐵道部科技開發(fā)項目《遂渝線無砟軌道線下工程關(guān)鍵技術(shù)試驗研究》(2005K004-C(G)),西南交通大學(xué)同鐵二院合作對遂渝線在土質(zhì)路基無砟軌道地段采用樁板結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)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(zhì)路基上修建無砟軌道并首次采用樁板結(jié)構(gòu),由于沒有對應(yīng)的設(shè)計規(guī)范,設(shè)計時主要參考了《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)以及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2002)等,并在設(shè)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(cè)向約束作用。同時,為了確保工程成功及驗證設(shè)計正確,對設(shè)計的樁板結(jié)構(gòu)方案進行了大比例尺模型載荷試驗,離心機模型試驗及現(xiàn)場實車動態(tài)測試試驗與長期觀測試驗。在此研究基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)進行了分析[16～17]。羅照新對樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進行了分析研究,認為如果采用容許應(yīng)力法會使得結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)特點和使用要求的基礎(chǔ)上,對樁板結(jié)構(gòu)的荷載組合進行了研究[19]。馬斌應(yīng)用有限元對列車荷載作用下的樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)的施工技術(shù)進行了總結(jié)。蘇謙結(jié)合鄭西線具體工程概況,對樁板結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)狀可以看出,樁板結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式,在國內(nèi)外的工程應(yīng)用方面尚屬早期,理論研究滯后于工程實踐,結(jié)構(gòu)形式多樣,應(yīng)用領(lǐng)域單一,沒有對應(yīng)的設(shè)計規(guī)范,還處于工程應(yīng)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(shù)值分析,主要目的是驗證該工程設(shè)計的正確性。

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

3 樁板結(jié)構(gòu)需要研究的內(nèi)容

由上述可以看出,對樁板結(jié)構(gòu)開展深入系統(tǒng)的研究具有很強的工程現(xiàn)實意義。并且應(yīng)重點關(guān)注如下問題:

(1)樁板結(jié)構(gòu)的合理形式問題

樁板結(jié)構(gòu)目前結(jié)構(gòu)形式多樣,并且每種結(jié)構(gòu)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(zhì)情況、軌道結(jié)構(gòu)形式、運行速度、施工因素、軌道臨界速度等進行樁板結(jié)構(gòu)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(lián)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(fù)作用,路基土體會產(chǎn)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?xí)霈F(xiàn)托空現(xiàn)象,從而改變起初的受力體系,使樁承擔(dān)更多的荷載,這對樁板結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生影響。與其他結(jié)構(gòu)相比,樁板結(jié)構(gòu)的路基土體對樁有側(cè)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(jié)構(gòu)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(guān)。這些都會對分析樁板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響。

(4)溫度應(yīng)力對樁板結(jié)構(gòu)樁 板 路基土體相互作用的影響問題

對于第一種樁板結(jié)構(gòu)形式,樁與板是固結(jié)的,在溫度變化等影響下,可能會在樁、板連接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,影響樁板結(jié)構(gòu)的正常使用,甚至影響結(jié)構(gòu)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(fù)雜化。因此,考慮不同的列車軸重、速度、軌道結(jié)構(gòu)形式等因素,研究溫度應(yīng)力對樁板結(jié)構(gòu)樁 板 路基土體相互作用影響問題對工程設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用。

(5)樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的問題

樁板結(jié)構(gòu)目前國內(nèi)外均沒有具體的設(shè)計規(guī)范。因此,需要對樁板結(jié)構(gòu)進行設(shè)計荷載組合、結(jié)構(gòu)跨度、動力系數(shù)取值,以及設(shè)計檢算內(nèi)容、計算方法、限值標準等方面的具體研究。

(6)目前保守設(shè)計方法的技術(shù)經(jīng)濟性問題

目前的樁板結(jié)構(gòu)保守設(shè)計方法是不考慮路基土體對板的支承作用以及對樁的側(cè)向約束作用的。這種設(shè)計方法可能會導(dǎo)致工程造價較高,結(jié)構(gòu)的剛度較大,從而使得溫度敏感性增強,甚至給結(jié)構(gòu)的安全留下隱患。因此,在對樁板結(jié)構(gòu)作用機理的研究基礎(chǔ)上,對保守設(shè)計方法的技術(shù)經(jīng)濟性進行評價研究具有很強的現(xiàn)實意義。

4 結(jié)語

根據(jù)已有的工程實踐經(jīng)驗,樁板結(jié)構(gòu)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(zhì)條件復(fù)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(shè)高峰期。根據(jù) 2005年審議通過的《中長期鐵路網(wǎng)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(diào)整,并通過國家批準。新調(diào)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(diào)整為 12萬 km以上,其中客運專線由 1.2萬 km調(diào)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了廣闊的空間。而采用樁板結(jié)構(gòu)是解決高速鐵路土質(zhì)路基沉降難以控制,滿足軌道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是一種新的軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式,它將補充完善我國鐵路軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式技術(shù)系列,必會在我國鐵路實施跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。

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