軟土地區(qū)非埋式樁板路基適用性分析

廖知勇，白　皓，蘇　謙，劉　亭

（1.四川高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司工程建設(shè)部，四川成都　610041；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都　610031）

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軟土地區(qū)非埋式樁板路基適用性分析

廖知勇1，白皓1，蘇謙2，劉亭2

（1.四川高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司工程建設(shè)部，四川成都610041；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031）

摘要選取滬杭客運(yùn)專線樁板結(jié)構(gòu)路基工程典型斷面，建立現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。根據(jù)樁板結(jié)構(gòu)的平面計(jì)算分析模型，對(duì)深厚軟土地區(qū)非埋式樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析。結(jié)果表明：承臺(tái)板及托梁主筋內(nèi)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差不大，實(shí)測(cè)彎矩與計(jì)算彎矩吻合，且實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)抵抗彎矩值；樁基的分散傳遞作用改善了深厚軟土地基受力特性，板土接觸應(yīng)力較小，最大值為0. 13 MPa；非埋式樁板結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)具有較好的適用性。

關(guān)鍵詞軟土地基；非埋式樁板路基；適用性

軟土廣泛分布于我國(guó)東南沿海及內(nèi)陸湖泊地區(qū)。軟土主要由淤泥、淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)砂層等軟弱土層構(gòu)成，由于其具有高含水率、高液限、高壓縮性、透水性差、孔隙比大、欠固結(jié)、力學(xué)強(qiáng)度低等特點(diǎn)［1-5］，故該區(qū)域內(nèi)建設(shè)高速鐵路面臨諸多新問(wèn)題。上海至杭州客運(yùn)專線（以下簡(jiǎn)稱滬杭客運(yùn)專線）是在深厚軟土地區(qū)建設(shè)的高標(biāo)準(zhǔn)客運(yùn)專線，地表以下軟土埋深超過(guò)60 m，厚度可達(dá)10～20 m。其中，滬杭客運(yùn)專線DK3 + 343. 4—DK3 + 522. 0段下穿滬青平高速公路立交橋［6］，鐵路路基坡腳侵入立交橋限界，無(wú)法進(jìn)行大面積開(kāi)挖施工，同時(shí)路基荷載會(huì)導(dǎo)致立交橋墩臺(tái)傾斜，危及立交橋的安全。

樁板結(jié)構(gòu)路基是一種新型路基結(jié)構(gòu)形式，能有效控制沉降，目前已經(jīng)成功運(yùn)用于鄭西、遂渝等客運(yùn)專線，成效顯著［7-10］。在深厚軟土地基以及大量鄰近既有結(jié)構(gòu)物區(qū)段采用樁板結(jié)構(gòu)尚屬首次，本文結(jié)合滬杭客運(yùn)專線對(duì)深厚軟土地區(qū)樁板結(jié)構(gòu)路基進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，并與其設(shè)計(jì)時(shí)采用的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探討樁板結(jié)構(gòu)在深厚軟基地區(qū)的適用性。

1　工程概況

滬杭客運(yùn)專線所經(jīng)區(qū)域?yàn)闉I海平原，地勢(shì)平坦開(kāi)闊。其中左線中線距公路橋梁墩臺(tái)邊緣為2. 60～ 3. 05 m，DK5 + 402. 8處距離最近，為2. 6 m，線位處公路橋梁底最低處標(biāo)高為11. 4 m。若采用傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)，由于受高度限制，需要進(jìn)行地基開(kāi)挖，但受到鄰近立交橋墩臺(tái)影響，施工困難，故不適用。場(chǎng)區(qū)地表水為溝渠水，水深約0. 5～1. 5 m；地下水為孔隙潛水，埋深約0. 5～2. 0 m，水量豐富。地表水無(wú)侵蝕性，地下水氯鹽環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)1。在下穿滬青平高速公路立交橋工點(diǎn)采用非埋式樁板結(jié)構(gòu)，其由鋼筋混凝土承臺(tái)板、鋼筋混凝土托梁和鉆孔灌注樁構(gòu)成。承臺(tái)板上鋪設(shè)混凝土支承層及Ⅱ型軌道板。

樁板結(jié)構(gòu)采用等跨布置的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)，每聯(lián)30 m，每跨10 m。承臺(tái)板采用分幅設(shè)計(jì)，單幅寬4. 4 m，板厚1 m，托梁長(zhǎng)9. 64 m，寬1. 5 m，高1. 6 m，樁基直徑1. 25 m，樁長(zhǎng)45 m，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)下部地基土主要為軟黏土、粉土等。地質(zhì)勘查資料顯示，地表以下60 m范圍內(nèi)，地基土承載力普遍較低，最大承載層基本承載力僅為160 kPa。立交橋測(cè)試工點(diǎn)處土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

為了研究樁板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特征、荷載傳遞規(guī)律、靜荷載工況下的工作狀態(tài)，在樁板結(jié)構(gòu)下穿滬青平高速公路立交橋處建立現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)。主要測(cè)試承臺(tái)板內(nèi)力、托梁內(nèi)力、板土接觸應(yīng)力等。測(cè)試元器件的布置見(jiàn)圖2。其中：P1～P14為承臺(tái)板鋼筋計(jì)測(cè)試點(diǎn)；B1～B4為托梁鋼筋計(jì)測(cè)試點(diǎn)；S1～S4為沉降觀測(cè)點(diǎn)；T1～T2為土壓力盒測(cè)試點(diǎn)。

圖1　非埋式樁板路基

表1　土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖2　測(cè)試元器件布置

3　設(shè)計(jì)計(jì)算方法

3. 1設(shè)計(jì)思路

目前，樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要有容許應(yīng)力法和概率極限狀態(tài)法兩種。前者取統(tǒng)一的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)偏保守；而后者采用不同的分項(xiàng)系數(shù)，更符合變量的客觀實(shí)際。理論上，概率極限狀態(tài)法優(yōu)于容許應(yīng)力法，但由于鐵路列車荷載的特殊性，目前對(duì)其動(dòng)力特性認(rèn)知不足，概率極限狀態(tài)法的可靠度尚不高，故本次設(shè)計(jì)仍采用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)。

樁板結(jié)構(gòu)是空間超靜定結(jié)構(gòu)，須簡(jiǎn)化后才能用解析法分析。由于樁板結(jié)構(gòu)的荷載屬于帶狀荷載，承臺(tái)板采用分幅設(shè)計(jì)，兩端支承于板下托梁，滿足單向板構(gòu)造要求，故可簡(jiǎn)化為縱向及橫向模型進(jìn)行分析。

3. 2計(jì)算方法

將三維空間的樁板結(jié)構(gòu)依據(jù)等剛度原則，簡(jiǎn)化為縱向及橫向平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)把結(jié)構(gòu)荷載按相應(yīng)荷載標(biāo)準(zhǔn)施加到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)上，詳細(xì)推算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

3. 3荷載情況

樁板結(jié)構(gòu)路基的設(shè)計(jì)必須考慮施工及使用期限內(nèi)永久荷載、變化荷載和偶然荷載的作用，根據(jù)臨界狀態(tài)和驗(yàn)算事項(xiàng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮奢d組合。樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載在時(shí)間上可分為永久荷載（恒載）和可變荷載（列車活載、溫度荷載等），在空間上可分為豎向荷載（結(jié)構(gòu)自重、列車活載）和水平荷載（離心力、搖擺力、扣件阻力等）。

由于本次測(cè)試屬于靜態(tài)測(cè)試研究，測(cè)試期間不考慮列車活載作用，故設(shè)計(jì)計(jì)算荷載為結(jié)構(gòu)恒載及結(jié)構(gòu)上部軌道結(jié)構(gòu)恒載。

4　測(cè)試與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

4. 1承臺(tái)板主筋內(nèi)力

樁板結(jié)構(gòu)承臺(tái)板承受軌道結(jié)構(gòu)傳來(lái)的恒載和列車活載，然后將荷載傳遞給托梁及板下土體，托梁再將荷載傳遞到樁基，進(jìn)而傳遞給下部持力土層。承臺(tái)板與托梁鉸接或剛性連接，托梁與樁基剛性連接，由于托梁的橫向作用，且承臺(tái)板長(zhǎng)邊與短邊之比＞2，故承臺(tái)板可按單向板計(jì)算。承臺(tái)板主筋內(nèi)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，圖中內(nèi)力值以受拉為正，受壓為負(fù)。

圖3　承臺(tái)板主筋內(nèi)力時(shí)程曲線

由圖3可知：承臺(tái)板處于雙筋梁工作狀態(tài)，其支座處主筋最大拉應(yīng)力為27. 6 MPa，最大壓應(yīng)力為24. 0 MPa；跨中處主筋最大拉應(yīng)力為17. 9 MPa，最大壓應(yīng)力為30. 8 MPa，數(shù)值均小于鋼筋抗拉或抗壓強(qiáng)度。路基及軌道工程施工結(jié)束后，主筋內(nèi)力先趨于穩(wěn)定，后稍許降低并再次趨于平緩。這是由于樁板結(jié)構(gòu)沉降，地基土體發(fā)揮支承作用所致。

根據(jù)各測(cè)試斷面鋼筋計(jì)受力均值，按雙筋梁容許應(yīng)力法換算為承臺(tái)板的實(shí)測(cè)彎矩，按第3. 2節(jié)的計(jì)算方法和第3. 3節(jié)的荷載情況得出承臺(tái)板的計(jì)算彎矩（即理論彎矩），兩種結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)圖4。

圖4　承臺(tái)板彎矩實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖4可知，承臺(tái)板彎矩的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較接近。本文第3. 2節(jié)所述計(jì)算方法將邊跨支座按鉸接進(jìn)行考慮，實(shí)際上由于托梁存在一定寬度，換算得出邊跨支座處有一定負(fù)彎矩，因此需要對(duì)承臺(tái)板端部進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。實(shí)測(cè)彎矩與計(jì)算彎矩吻合良好，且數(shù)值遠(yuǎn)小于抵抗彎矩，說(shuō)明設(shè)計(jì)承載力是安全可靠的。

4. 2托梁主筋內(nèi)力

托梁主筋內(nèi)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。圖中內(nèi)力值以受拉為正，受壓為負(fù)。

圖5　托梁主筋內(nèi)力時(shí)程曲線

根據(jù)各測(cè)試斷面鋼筋計(jì)受力均值，按雙筋梁容許應(yīng)力法換算為托梁的實(shí)測(cè)彎矩，按第3. 2節(jié)的計(jì)算方法和第3. 3節(jié)的荷載情況得出托梁的計(jì)算彎矩（即理論彎矩）。托梁實(shí)際受荷情況與計(jì)算值的受彎方向一致，且數(shù)值遠(yuǎn)小于抵抗彎矩，說(shuō)明設(shè)計(jì)承載力是安全可靠的。

4. 3板土接觸應(yīng)力

隨著地基土對(duì)承臺(tái)板的支承作用越強(qiáng)，即地基系數(shù)K越大，板的沉降越小。由于理論計(jì)算時(shí)不考慮地基土對(duì)板的支承作用，故為了得到地基土對(duì)承臺(tái)板的支承作用，可根據(jù)承臺(tái)板與地基土的接觸應(yīng)力測(cè)試值反算地基系數(shù)K。因此，在樁板結(jié)構(gòu)邊跨及中跨跨中處，承臺(tái)板與土體之間埋設(shè)土壓力盒，且每個(gè)斷面均在左線左軌（代號(hào)zz）下側(cè)及左線中心（代號(hào)zx）下側(cè)沿橫向布置2個(gè)土壓力盒。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知：混凝土澆筑完成初期，混凝土水化熱對(duì)土壓力盒的測(cè)試數(shù)值有一定影響，隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。板土接觸應(yīng)力總體不大，最大值為0. 13 MPa。由于樁土剛度差異較大，隨著樁板結(jié)構(gòu)與地基土體耦合作用的增強(qiáng)，板下土體支承作用逐漸弱化，上部荷載逐漸轉(zhuǎn)移到樁頂，故設(shè)計(jì)中不考慮板下土體支承作用是安全的。

圖6　板土接觸應(yīng)力時(shí)程曲線

5　結(jié)論

1）樁板結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用在深厚軟土地區(qū)，其受力明確，傳力路徑清晰，具有良好的力學(xué)特性，能有效改善路基軟弱土體受力狀態(tài)，具有較好的適用性。

2）承臺(tái)板實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相符，且數(shù)值遠(yuǎn)小于抵抗彎矩，設(shè)計(jì)承載力安全可靠。

3）路基及軌道工程施工結(jié)束后，承臺(tái)板主筋內(nèi)力先趨于穩(wěn)定，后稍許降低并再次趨于平緩。

例3：本研究采用質(zhì)性個(gè)案研究方法，以兩名大學(xué)英語(yǔ)教師為研究對(duì)象，從活動(dòng)理論視角探究了教師實(shí)施教材任務(wù)的具體策略、動(dòng)機(jī)以及動(dòng)機(jī)形成的原因。

4）外荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)沉降，地基土體發(fā)揮部分支承作用，然后地基土發(fā)生沉降，上部荷載部分轉(zhuǎn)移到樁頂，從而減弱板下土體受力，此即兩者間的耦合作用。

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（責(zé)任審編葛全紅）

Applicability Analysis of Non-embedded Pile-Board Subgrade in Soft Soil Area

LIAO Zhiyong1，BAI Hao1，SU Qian2，LIU Ting2
（1. Engineering Construction Department，Sichuan Expressway Construction and Development Corporation，Chengdu Sichuan 610041，China；2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

AbstractT he paper put in place a long-term in-situ monitoring system for the chosen typical cross section of pileboard subgrade underpinning Shanghai-Hangzhou passenger dedicated line. W ith the help of plane calculation analysis model，it analysed the internal forces of the non-embedded pile-board structure in deep-thick soft soil areas. T he results show that no visible difference is noticed between the measured data and the calculated value for the internal forces of the bearing platform and the main reinforcement bearing. At the same time，the bending moment measured and that calculated stand consistent，and the measured data falls far below the bending resistance of the structure. T he pile subgrade changes the mode of force transfer，as the contact stress between plate and soil caps at 0. 13 M Pa，enhancing the force bearing performance of the deep-soft soil subgrade.

Key wordsSoft soil subgrade；Non-embedded pile-board subgrade；Applicability

中圖分類號(hào)U213. 14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 30

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0135-04

收稿日期：2015-08-27；修回日期：2016-02-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51378441）；教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-12-0941）

作者簡(jiǎn)介：廖知勇（1970—），男，高級(jí)工程師，碩士。