西寶客運專線寶雞南站路基四線樁板結(jié)構(gòu)研究

張華瑩

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

西寶客運專線寶雞南站路基四線樁板結(jié)構(gòu)研究

張華瑩

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要：西寶客運專線寶雞南站正線及相鄰兩側(cè)到發(fā)線鋪設無砟軌道，路基最大填方高度約10 m，地表為第四系黏質(zhì)黃土，最大厚度約30 m，且車站內(nèi)橫向結(jié)構(gòu)物密集，過渡段頻繁設置，路基工后沉降難以控制。采用一種新型路基基礎結(jié)構(gòu)形式——四線連續(xù)埋入式樁板結(jié)構(gòu)，通過沉降觀測與評估、動態(tài)檢測及運營實踐證明，使用效果良好。該結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)復合地基相比，具有有效控制沉降、方便施工、縮短工期等優(yōu)勢。

關鍵詞：鐵路路基；樁板結(jié)構(gòu)；沉降；客運專線

樁板結(jié)構(gòu)[1]是路基一種新型基礎結(jié)構(gòu)形式，由下部鋼筋混凝土樁、路基與上部鋼筋混凝土板組成。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。車站內(nèi)埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)板頂位于基床表層底面以下1.4 m，結(jié)構(gòu)除在大跨度箱形橋處必須斷開外，其余每150 m均為連續(xù)結(jié)構(gòu)，這種新型的路基基礎形式，可以有效地控制路基工后沉降[2]。

車站內(nèi)路基采用四線埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)在國內(nèi)應用尚不多見，對于站內(nèi)填方高度過高，多股道鋪設無砟軌道，橫向結(jié)構(gòu)物密集，過渡段頻繁設置，不適于以橋代路地段，采用該種路基結(jié)構(gòu)形式，具有有效控制沉降、方便施工、優(yōu)化工期等優(yōu)勢。

1車站概況

寶雞南車站地處陜西省寶雞市馬營鎮(zhèn)永清堡與東星村之間，地貌屬渭河南岸一、二級階地，地形起伏變化較大，相對高差約38 m。線路多以填方形式通過，中心最大填方高度10 m，局部挖方，最大挖方高度15 m。西寶客運專線寶雞南車站為中間站，設到發(fā)線11條(含正線2條)，正線及相鄰兩側(cè)到發(fā)線(共4股道)鋪設無砟軌道。車站范圍內(nèi)有一座中橋、5座涵洞、4座箱形橋、2座地道。小里程端接清水河特大橋，大里程端接涼泉村特大橋。

地層為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂層、角礫土、圓礫土、卵石土。其中第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土及上更新統(tǒng)風積黏質(zhì)黃土，最大厚度約30 m，具非自重濕陷性～自重濕陷性，濕陷性等級Ⅰ級輕微～Ⅲ級嚴重，濕陷土層厚度9.8～15.3 m。

地表除了沙河溝、洙峪溝及幾條排污渠，無大的地表水流。地下水主要為第四系孔隙潛水，一級階地埋深10～28 m，二級階地埋深22～36 m。地下水質(zhì)較好，對混凝土無侵蝕性。

2地基處理方案研究

2.1車站路基特點

(1)寶雞南車站內(nèi)股道多、站場橫向?qū)挾却?、站?nèi)橫向結(jié)構(gòu)物密集，橋上設站困難較大，投資不菲；

(2)采用路基結(jié)構(gòu)，路基填土高度大，高填方段落長約1.2 km，地表為中厚層黃土，最大厚度約30 m，由于無砟軌道對路基工后沉降變形要求非常嚴格，加之各線沉降控制標準不同，復合地基處理較為復雜[3]；

(3)采用復合地基處理，需進行不少于6個月的堆載預壓，工期較長。

2.2方案研究

針對寶雞南站路基特點，設計前對地基處理方案進行了研究，經(jīng)沉降檢算，采用復合地基方案(包括柱錘沖擴樁、水泥土擠密樁+CFG樁)，路基工后沉降控制無法滿足無砟軌道要求，故設計采用樁板結(jié)構(gòu)方案。樁板結(jié)構(gòu)方案中對不同樁徑、不同跨度、板的不同位置進行了研究[4]。經(jīng)濟技術比較見表1。

表1　樁板結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟比較

經(jīng)經(jīng)濟技術比較，采用樁徑1.0 m，樁縱向間距4.5 m，鋼筋混凝土板位于基床表層底面下1.4 m方案。

3樁板結(jié)構(gòu)設計

3.1受力計算

按平面簡化法將樁板結(jié)構(gòu)縱、橫向分別簡化為平面桁架結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)力學的柔度法(即力法)對超靜定結(jié)構(gòu)進行求解計算，即將樁板的各跨度中央切開，使之成為靜定基本體系，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，計算任意截面的彎矩、剪力以及每一根樁頂?shù)妮S向力、垂直樁軸方向的剪力和彎矩。計算圖式如圖1所示[5]。

圖1　樁板結(jié)構(gòu)計算圖式

由于在實際工程計算應用中對超靜定結(jié)構(gòu)進行求解比較復雜且繁瑣，樁板結(jié)構(gòu)檢算過程中采用了有限元軟件MIDAS，分別建立橫向和縱向的二維結(jié)構(gòu)模型，對超靜定結(jié)構(gòu)進行求解[6]。

3.1.1結(jié)構(gòu)橫向受力

計算圖式：樁數(shù)4根，樁橫向間距6.5 m-5.0 m-6.5 m，樁直徑1.00 m，板寬25.0 m。

結(jié)構(gòu)尺寸：板寬度25 m，厚度0.80 m，板縱向跨度4.5 m；樁橫向間距6.5 m-5.0 m-6.5 m，縱向間距4.5 m，樁直徑1.00 m。

物理參數(shù)：樁的混凝土彈性模量Ez=2.56×107kPa，樁的慣性矩Iz=0.049 m4；板的混凝土彈性模量Eb=2.72×107kPa，板的慣性矩Ib=0.192 m4[7]

荷載：軌道結(jié)構(gòu)荷載66×4.5×4/25=47.52 kN/m；級配碎石、水泥改良土重力22×(0.5+1.4)×4.5=188.1 kN/m；列車荷載200×1.4/3=93.3 kN/m；板容重26 kN/m3。

計算結(jié)果：板橫向最大彎矩為2 212 kN·m，樁最大豎向軸力為2 566 kN。

3.1.2板縱向受力

計算圖式：板縱向采用11跨，縱向長度11×4.5 m，板寬度7.0 m；樁縱向間距4.5 m，縱向樁數(shù)10根。

荷載：軌道結(jié)構(gòu)荷載66 kN/m；級配碎石、水泥改良土重力22×(0.5+1.4)×7=292.6 kN/m；列車荷載200×1.4=280 kN；板容重26 kN/m3。

總靜荷載：66+292.6=358.6 kN/m

計算結(jié)果：板縱向最大彎矩為1 724 kN·m，樁的最大豎向軸力為2 089 kN。

3.2樁長計算[8]

根據(jù)樁的最大豎向軸力，反算樁長。

3.2.1計算公式

(1)鉆孔灌注樁的容許承載力

式中[P]——樁的容許承載力；

U——樁身截面周長；

fi——各土層的極限摩阻力；

li——各土層的厚度；

A——樁底支承面積，按設計樁徑計算；

[σ] ——樁底地基的容許承載力；

m0——鉆孔灌注樁樁底支承力折減系數(shù)，取值為0.4；

Q——負摩擦力。

(2)單樁負摩擦力標準值

式中qin——第i層土樁側(cè)負摩阻力標準值，填料的負摩阻力標準值取10 kPa/m；

ri——第i層土層底以上樁周土的容重；

zi——自地面起算的第i層土中點深度；

p——地面均布荷載。

(3)負摩檫力計算深度

負摩檫計算深度：Lf=0.5L0

中性點深度L0根據(jù)填土產(chǎn)生的附加應力小于0.2倍的土層自重應力確定。

(4)設計樁長

習近平認為，“五個世界”是構(gòu)建人類命運共同體的總布局和總路徑。學術界從價值共同體、利益共同體、政黨共同體、生命共同體等角度出發(fā)，給出了關于實踐路徑的多重思考。

設計樁長計算公式

L=Ht+Lf+Lz

式中L——設計樁長；

Ht——板下部填土高度；

Lf——負摩檫計算深度；

Lz——正摩檫力深度范圍內(nèi)的樁長。

3.2.2計算結(jié)果

根據(jù)最大單樁承載力2 566kN，依據(jù)以上公式計算得出樁長為25～45m。

3.3沉降計算3.3.1單樁沉降計算

計算公式

式中l(wèi)0——地面以上樁身的長度；

h——樁的入土長度；

N——樁承受的總荷載；

A——樁底支承面積，按設計樁徑計算；

E——樁身材料受壓彈性模量，取3×107kPa；

C0——樁底處巖層豎向抗力地基系數(shù)，取值為3×105kPa；

3.3.2群樁的沉降計算

群樁的沉降量Δ為各單樁按上面所述各獨立單樁計算的沉降計算的沉降量Δi之平均值與群樁底平面以下一定深度內(nèi)地基的壓縮變形ΔH所組成，即

式中Δi——群樁中第i根樁按獨立單樁計算的沉降量；

N——群樁中的樁數(shù)。

樁基底平面以下地基產(chǎn)生的總沉降ΔH近似地按下式求算

式中ΔH——群樁底平面的壓縮沉降；

n——群樁底平面以下受壓層范圍z內(nèi)分成薄層的層數(shù)；

Pi——群樁底面?zhèn)鬟f給第i層土層厚度Δz中心處的附加壓應力；

Ei——各薄層土在其側(cè)面可膨脹情況下變形模量。

3.3.3計算結(jié)果

樁底沉降計算深度按ΔSn≤0.025 mm 控制，其中：ΔSn為深度Zn處向上取厚度為Δz的土層的沉降值。樁底沉降量填土期按完成20%考慮，固結(jié)度為80%，經(jīng)計算樁的總沉降為11.6～14.1 mm，均小于15 mm，滿足無砟軌道路基工后沉降要求[9]。

3.4結(jié)構(gòu)形式

車站內(nèi)5、Ⅵ、Ⅶ、8股道下采用四線樁板結(jié)構(gòu)，樁板頂面位于基床表層下1.4 m，板寬25 m，板厚0.8 m。板下基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑1.0 m，樁長25～45 m,,樁橫向間距為5.0 m及6.5 m，每排4根。樁縱向間距不大于4.5 m，結(jié)構(gòu)橋涵或地道相接處斷開，板端置于臺背或端墻牛腿上[10]。如圖2、圖3所示。

圖2　四線樁板結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：m)

圖3　四線樁板結(jié)構(gòu)縱斷面(單位：m)

為減少濕陷性黃土對樁產(chǎn)生的負摩阻力，樁板結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)地基采用土擠密樁處理，樁徑0.4 m，間距1.0 m，樁長8.0 m，采用正三角形布置，土擠密樁頂部設素土墊層[11]。

樁板范圍內(nèi)基床表層采用級配碎石摻5%水泥填筑，基床底層采用6%水泥改良土填筑，板底以下采用素土填筑。

4樁板結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制[12]

樁板結(jié)構(gòu)的施工順序：土擠密樁施工→填筑路基至板頂高程→開挖至板底高程→進行鉆孔灌注樁的施工→去樁頭→找平層及板的施工→板兩側(cè)夯填6%水泥改良土。在樁板施工過程中，為確保處理效果和結(jié)構(gòu)的使用功能，對以下幾個主要施工環(huán)節(jié)必須嚴格控制。

4.1路基填筑

地表處理后完成路基填筑。土體須達到如下壓實指標：K30≥110 MPa/m，壓實系數(shù)K≥0.95，基本承載力不小于200 kPa。

4.2鉆孔樁施工

鋼筋混凝土鉆孔樁嚴禁采用水鉆，采用沖擊鉆或旋挖鉆施工。施工前，先作試樁(每段試樁不少于2根)，復核地質(zhì)資料以及檢驗設備配置、施工工藝是否適宜，確定鉆孔樁施工工藝參數(shù)。鉆孔時，起落鉆頭速度要均勻，不得過猛或驟然變速，以免碰撞孔壁。樁身混凝土應連續(xù)灌注，不得中途停頓。

樁成孔鋼筋籠就位后，混凝土澆筑應加強對樁孔孔壁的變形觀測。樁頭施工高程應高出設計50 cm，板施工時應將多余部分鑿除，并清除干凈。

4.3鋼筋混凝土板施工

(1)鋼筋混凝土板應分兩步施工，按先澆段，合龍段兩批完成。先澆段長27 m，合龍段長1 m。如圖4所示。

注：①為先澆段，②為后澆段。圖4　鋼筋混凝土連續(xù)板施工工序(單位：cm)

(2)先澆段的施工完成后，進行養(yǎng)護1～2個月后，再澆筑合龍段②合龍。合龍時板體的溫度應控制在15 ℃左右。先澆段兩端必須設置加強鋼筋，嚴禁先澆段兩端的所有縱向受力鋼筋在同一截面處斷開或接長。

(3)在施工先澆段時兩端設端模板，并預留鋼筋穿過的槽口。在混凝土達到拆模條件后，拆除兩端模板。

(4)在施工合龍段時，應加強施工縫處混凝土的振搗，合龍段施工完成后，在連續(xù)板的頂面及側(cè)面涂瀝青，并及時進行兩側(cè)及頂板填土的施工。

(5)連續(xù)板的施工縫位置設置縱向加強鋼筋，加強鋼筋數(shù)量為縱向鋼筋數(shù)量的50%，鋼筋直徑同縱向鋼筋，加強鋼筋插入兩側(cè)混凝土深度不小于1 m。

(6)混凝土板施工完成后，應及時進行覆蓋，保濕、保溫養(yǎng)護1～2個月。養(yǎng)護期結(jié)束后，為避免其長時間暴露，受溫度變化影響，板面覆蓋不小于5 cm厚的草袋進行保護。

(7)為減少混凝土的收縮，應合理調(diào)整混凝土的配合比，盡量采用水化熱低收縮性小的早期高強水泥，降低水泥用量，降低水灰比，控制混凝土的坍落度，同時加強保濕養(yǎng)生。

5樁板結(jié)構(gòu)處理效果

根據(jù)觀測資料，對該段路基進行了沉降評估和預測[13]，樁板結(jié)構(gòu)地段板總沉降量4.7～7.7 mm，預測工后沉降量0.9～1.9 mm(不大于15 mm)，均滿足鋪設無砟軌道技術條件。

經(jīng)中國鐵道科學研究院高速鐵路系統(tǒng)試驗國家工程實驗室動態(tài)檢測，結(jié)論：輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和橫向穩(wěn)定性均符合要求；車體橫向平穩(wěn)性、車體垂向平穩(wěn)性等級均為優(yōu)。

西寶客運專線于2013年12月28日開通試運營，運營速度250 km/h，開通運營以來，本段線路狀況良好，軌道線路平順。

6結(jié)論及建議

(1)實踐證明，在濕陷性黃土地區(qū)車站內(nèi)高填地段采用路基樁板結(jié)構(gòu)形式是合理的選擇。高填地段鋼筋混凝土板設置在基床表層底面以下1.4 m處，既能減少了溫度應力對板伸縮的影響、避免與站內(nèi)附屬設施干擾，又較板頂置于地面處經(jīng)濟。

(2)寶雞南站四線樁板結(jié)構(gòu)在沉降控制、方便施工、優(yōu)化工期等方面具有很大優(yōu)勢，值得在其他建設項目中推廣應用。

(3)樁的縱向間距(板的跨度)L=4.5d～7d(d為樁徑)，板厚h=L/6～L/9。

(4)一般情況下連續(xù)板的長度控制在200 m以內(nèi)，當長度大于200 m時，采取約束措施需經(jīng)過檢算確定。

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Research on Pile-sheet Structure for Four Lines Subgrade of Baoji South Station on Passenger Dedicated Railway Line from Baoji to Xi’an

ZHANG Hua-ying

(China Railway First Survey & Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Ballastless track is laid on the main line and receiving-departure lines adjacent to Baoji south station on the passenger dedicated line from Baoji to Xi’an. In view of the embankment of 10m height， the ground surface coved with quaternary clayey loess of maximum thickness 30m， the intensive transverse structures in the station， the frequent transition sections and the uncontrollable settlement of subgrade after acceptance， a new kind of structure form of subgrade base with continuous embedded pile-sheet structure for four lines is designed. The observation and evaluation of settlement， the dynamic detection and the operation have shown that the structure works well and effective. Compared with traditional composite ground treatment， the structure is advantageous in settlement control， construction efficiency and reduction of erection time.

Key words：Railway subgrade; Pile-sheet structure; Settlement; Passenger dedicated line

中圖分類號：U238； U213.1+5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.005

文章編號：1004-2954(2015)06-0018-05

作者簡介：張華瑩(1971—)，女，高級工程師，工學學士，E-mail：

收稿日期：2014-09-22； 修回日期：2014-10-09

XAZHHY@163.com。