下伏巖溶條件下樁板結(jié)構(gòu)的跨距優(yōu)化研究

杜一鳴，張鑫犇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

樁板結(jié)構(gòu)是一種較為新型的路基結(jié)構(gòu)型式[1]，目前已經(jīng)逐漸在高鐵、有軌電車等工程項(xiàng)目中所應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土樁、托梁、承載板組成。由于豎向荷載可以通過板-樁體系傳遞至持力層，樁板結(jié)構(gòu)在控制沉降方面有非常好的效果，主要用于軟土地基等不良地質(zhì)或有重要淺埋管線需要保護(hù)等情況。

實(shí)際上，列車、軌道等豎向荷載是由板土相互作用以及樁這兩部分共同承擔(dān)的。雖然工程中樁板結(jié)構(gòu)已有諸多應(yīng)用，但是目前仍然對(duì)樁-板-土相互作用的機(jī)制無法解釋清楚。肖宏[2]等對(duì)樁板結(jié)構(gòu)樁-板-土相互作用模型進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，考察了樁與土的相互作用特性、板下土體的支撐作用，但是其結(jié)論過于復(fù)雜，且并未考慮長期受荷載作用下土體產(chǎn)生固結(jié)等因素的影響，故其應(yīng)用于工程實(shí)踐還需要更深入的研究。

在工程實(shí)踐中，可以通過簡化的樁-板-土相互作用模型，并考慮土自身的特點(diǎn)，以確定最為經(jīng)濟(jì)合理的跨距。本文以某有軌電車項(xiàng)目為例，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)跨距比選過程進(jìn)行介紹。

1 工程概況

某現(xiàn)代有軌電車示范線項(xiàng)目位于廣東省，共設(shè)置10座車站，約有2.2 km長的線路沿既有道路路中綠化帶敷設(shè)，有4.4 km長線路沿現(xiàn)有河道邊坡敷設(shè)。正線段采用整體道床，路基結(jié)構(gòu)主要采用樁板結(jié)構(gòu)。其地質(zhì)下伏存在灰?guī)r，部分區(qū)段巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。為了考慮工期與造價(jià)，在對(duì)樁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模型分析比選的基礎(chǔ)上，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的跨距進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該區(qū)域典型地質(zhì)土層自上而下分布如下：

（1）1-1-1人工填土，主要為雜填土，局部夾素填土，厚 2～3 m；

（2）2-1B淤泥質(zhì)土，流塑，含大量有機(jī)質(zhì)，孔隙比約1.605，壓縮模量2.2 MPa，屬于高壓縮性土層，厚度 2～18.4 m；

（3）2-4粉質(zhì)黏土，飽和流塑，該段平均約3 m，壓縮模量6 MPa；

（4）3-1粉細(xì)砂、3-2中粗砂、3-3礫砂，線路南段靠近起點(diǎn)附近揭示，厚度約14 m；

（5）各風(fēng)化巖層。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本層存在巖溶發(fā)育不良地質(zhì)。

路基承載板板底埋深0.98 m，位于1-1-1人工填土內(nèi)，板底距離2-1B淤泥質(zhì)土土層頂部約1～2 m。

3 樁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

為了研究樁-板-土共同作用的規(guī)律，考察簡化模型假定條件的合理性，需要建立基于不同假定條件的模型，并對(duì)計(jì)算結(jié)果加以分析，以確定合理的計(jì)算模型。

3.1 模型一（不考慮土反力）

假定承載板不受土反力作用，承載板按連續(xù)梁考慮。所研究區(qū)段的樁基大部分以風(fēng)化巖層作為持力層，南側(cè)局部區(qū)段是以中粗砂、礫砂作為持力層。因此樁端承載力比例大，從而樁基沉降較小，故在計(jì)算模型中將樁基按照剛性支座來考慮。

計(jì)算模型如圖1所示，按標(biāo)準(zhǔn)4跨一聯(lián)承載板，活荷載為車輛移動(dòng)荷載，恒荷載為道床、軌道及覆土荷載。

圖1 模型一（不考慮板底土反力）

在該模型下，承載板撓度為Δ1，土反力f1=0。

3.2 模型二（考慮土反力，不考慮土的固結(jié)）

假定承載板受土反力作用，將樁基簡化為剛性支座，土簡化為彈簧，不考慮土的固結(jié)。計(jì)算模型如圖2所示，按標(biāo)準(zhǔn)4跨一聯(lián)承載板底部持力層為1-1-1人工填土，基床反力系數(shù)k取8 000 kN/m3，活荷載為車輛移動(dòng)荷載，恒荷載為道床、軌道及覆土荷載。

圖2 模型二（考慮土反力，不考慮土的固結(jié)）

在該模型下，承載板撓度為Δ2，相應(yīng)位置土反力 f2=kΔ2。

3.3 模型三（考慮土反力和土的固結(jié)）

考慮土反力并考慮土的固結(jié)；將樁基視為剛性支座，將土視為彈簧。計(jì)算模型如圖3所示，按標(biāo)準(zhǔn)4跨一聯(lián)承載板底部持力層為1-1-1人工填土，基床反力系數(shù)k取8 000 kN/m3，活荷載為車輛移動(dòng)荷載，恒荷載為道床、軌道及覆土荷載。

圖3 模型三（考慮土反力和土的固結(jié)）

由于土有固結(jié)的特性，其對(duì)板的支撐作用隨著時(shí)間的推移而逐漸減弱，且隨著時(shí)間的推移，靠近剛性支座（樁）位置土與板脫開，支撐作用到的范圍逐漸向板跨中收縮。該模型是最接近實(shí)際狀況的模型。

在該模型下，承載板撓度近似取Δ2，土固結(jié)變形為Δ3，相應(yīng)位置土反力為f3=k（Δ2-Δ3）。

假設(shè)施工前土處于正常固結(jié)狀態(tài)，那么根據(jù)附加荷載作用下土反力p來計(jì)算土的固結(jié)變形Δ3：

式中：Δs為在附加荷載作用下土承受的荷載，附加荷載作用下土承受的荷載近似取初始值p=8 kPa；TV為時(shí)間因數(shù)（無量綱

系數(shù)，t為固結(jié)歷時(shí)。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

3.4.1 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上節(jié)基于不同假定所建立的模型進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的變形、內(nèi)力等計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各模型計(jì)算結(jié)果

3.4.2 模型的確定

對(duì)于尺寸為2 800 mm×450 mm的四跨一聯(lián)承載板，在標(biāo)準(zhǔn)跨距為7.5 m時(shí)，在不考慮土的固結(jié)作用的前提下，考慮土的支撐作用（模型二）比不考慮土的支撐作用（模型一）跨中彎矩減小20%，支座彎矩減小13%。

然而，模型三更接近于真實(shí)狀況。由于土自身的固結(jié)，隨著時(shí)間的推移，土對(duì)于板的支撐作用逐漸減弱，支撐范圍逐漸減小。對(duì)于正常固結(jié)土，模型三比模型一彎矩僅僅減少3.5%（支座）和6%（跨中）。如果當(dāng)土原先就是處于欠固結(jié)狀態(tài)時(shí)，這一差值還要減小，甚至趨于0，那么實(shí)際固結(jié)變形會(huì)大于該方法所得到的變形值，附加荷載將全部轉(zhuǎn)移至承載板上。

基于以上分析，在此地質(zhì)情況下，采用模型一進(jìn)行分析，土的支撐作用僅作為安全儲(chǔ)備。

4 跨距的比選

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，為了節(jié)約投資，對(duì)7.5 m跨以及11.25 m跨兩種方案進(jìn)行了比選。根據(jù)上節(jié)的結(jié)論，采用基于模型一假定條件的簡化計(jì)算模型。

該工程樁板結(jié)構(gòu)工程量主要由以下兩部分組成：（1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；（2）巖溶處理費(fèi)用。分別統(tǒng)計(jì)如下。

4.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程量

（1）結(jié)構(gòu)尺寸和配筋

承載板的厚度、配筋受承載力要求以及裂縫限值控制，樁長受承載力要求控制。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，兩種跨距下的結(jié)構(gòu)尺寸和配筋情況見表2。

表2 結(jié)構(gòu)尺寸與配筋

（2）造價(jià)比較

在不考慮巖溶的情況下，以每22.5 m樁板結(jié)構(gòu)各項(xiàng)價(jià)格，比較承載板和樁的混凝土、鋼筋用量（見表 3、表 4）。

表3 方案一鋼筋混凝土工程費(fèi)用

表4 方案二鋼筋混凝土工程費(fèi)用

在不考慮巖溶相關(guān)費(fèi)用的情況下，方案一比方案二單線每延米低約224元。

4.2 巖溶處理費(fèi)用比較

4.2.1 巖溶處理方法

根據(jù)該工程的特點(diǎn)以及地質(zhì)情況，確定以下原則：當(dāng)溶洞范圍不大，洞高較?。ㄐ∮? m），溶洞內(nèi)有填充物或部分填充物，溶洞不連通時(shí)，采用片石、黏土拋填法。當(dāng)溶洞很高（高度3 m以上），溶洞可能與周圍的溶洞連成溶洞群時(shí)，為防止施工過程出現(xiàn)塌孔、埋錘或偏孔，采用片石、黏土拋填法[3]的同時(shí)加振鋼護(hù)筒[4]。

4.2.2 樁長與遇溶洞概率的關(guān)系

在巖溶發(fā)育較為強(qiáng)烈區(qū)段，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，不同方案樁長與遇溶洞概率的情況如下：

（1）由于部分樁樁端持力層范圍巖溶頂板穩(wěn)定性不夠，需要增加樁長。7.5 m跨距平均樁長從20 m增加至22 m，增加了2 m；11.25 m跨距平均樁長從25 m增加至28 m，增加了3 m。

（2）隨著跨度的增加導(dǎo)致了遇到巖溶的概率的增加。7.5 m跨需要處理的巖溶為 12/18=66.6%，11.25 m跨方案需要處理的巖溶為94.4%。

4.2.3 巖溶處理措施費(fèi)用

該項(xiàng)目巖溶發(fā)育區(qū)典型縱剖面如圖4所示。

該段溶洞高約3.5 m，按照平均填充率40%，采取率15%，采用鋼護(hù)筒及拋填黏土片石作為措施，每個(gè)溶洞處理費(fèi)用平均估計(jì)見表5。

在巖溶發(fā)育區(qū)，單個(gè)巖溶處理費(fèi)用經(jīng)估算為2 897元。根據(jù)上節(jié)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，7.5 m跨距方案需要處理66.6%的溶洞，11.25 m跨方案需要處理94.4%地勘所揭示的溶洞，則：7.5m跨方案單線每米巖溶處理費(fèi)用約2 897×2×0.666/7.5=514元；11.25 m跨方案單線每米巖溶處理費(fèi)用約2 897×2×0.944/11.25=486元。

圖4 典型地質(zhì)縱剖面(單位:

表5 單個(gè)巖溶處理費(fèi)用

巖溶處理費(fèi)用方案一比方案二高出約28元/每延米。

4.2.4 遇巖溶增加樁長費(fèi)用

由于遇到巖溶后，樁長需要增加，故還要考慮這部分增加的費(fèi)用。在巖溶發(fā)育區(qū)段，方案一（跨距7.5 m）的平均樁長由20 m增加至22 m；方案二（跨距11.25 m）平均樁長由25 m增加至28 m。巖溶導(dǎo)致的樁長增加的費(fèi)用比較明細(xì)見表6。

表6 巖溶導(dǎo)致樁長增加的費(fèi)用

這部分費(fèi)用兩個(gè)方案持平。

4.3 綜合比較

綜合考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及巖溶處理措施這兩部分費(fèi)用后，方案一（跨距7.5 m）與方案二（跨距11.25 m）比較如下：

（1）在不考慮巖溶的情況下，方案一比方案二每延米造價(jià)低224元。

（2）在考慮巖溶存在的情況下，方案一比方案二每延米造價(jià)低196元。雖然方案一樁的數(shù)量是方案二的1.5倍，但是樁長減小了遇溶巖概率也顯著地減小，所以巖溶處理費(fèi)用沒有增加。

根據(jù)以上分析，7.5 m跨距方案總投資更為經(jīng)濟(jì)，確定采用7.5 m跨距的方案。

5 結(jié)論與建議

（1）在考慮計(jì)算模型中，采用不考慮土反力作用下，是比較合理的，也是目前大多數(shù)工程采用的方式；

（2）考慮溶洞所需處理的概率，經(jīng)過對(duì)板厚、樁長及樁數(shù)的綜合分析，案例的結(jié)論是采用7.5 m樁跨方案更有利于控制成本。

（3）應(yīng)考慮樁板結(jié)構(gòu)所處的地質(zhì)條件、樁的承載條件、板下土體的反力及固結(jié)等情況，綜合確定樁板結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型；

（4）對(duì)于樁板結(jié)構(gòu)的跨度，受地質(zhì)影響，宜綜合樁長、樁底承載力、溶洞的下伏層及填充情況，綜合確定其跨度，在安全的前提下，確定跨距。

[1]王峰.高速鐵路無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)路基理論與實(shí)踐[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

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