巖溶地基樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

王　亮

(中鐵二院貴陽勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550002)

巖溶在我國西南地區(qū)廣泛分布，工程設(shè)計中應(yīng)盡量繞避巖溶發(fā)育地區(qū)，當(dāng)繞避困難時，對影響地基穩(wěn)定性的巖溶，可根據(jù)其大小、埋深、圍巖穩(wěn)定性及水文地質(zhì)條件等綜合分析采取不同的處理措施。樁板結(jié)構(gòu)剛度大，承載力高，可有效控制路基的沉降及不均勻沉降，所以對于洞口較大的巖溶洞隙，可考慮使用樁板結(jié)構(gòu)進行處理。巖溶地區(qū)往往地層變化很大，造成樁周巖土體對各個樁基的側(cè)向抗力差別很大，這就容易產(chǎn)生樁板結(jié)構(gòu)的剛度分配不均勻，結(jié)構(gòu)變形不易協(xié)調(diào)，很容易在各種荷載特別是溫度荷載的作用下發(fā)生應(yīng)力集中和局部裂縫的問題，對樁板結(jié)構(gòu)的正常使用及耐久性等造成影響。本文結(jié)合一工程實例探討樁板結(jié)構(gòu)在巖溶地基處理中的一些問題。

1　工程實例概況

某新建鐵路設(shè)計速度目標(biāo)值120 km/h，按鋪設(shè)有碴軌道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，路基設(shè)計中有一長約20 m的路塹地段，上覆土層為軟塑狀黏土、紅黏土互層，其中軟塑狀黏土分布于局部地面表層(厚4～7 m)和基巖接觸面(厚1～4 m)，紅黏土普遍分布于地表，厚約10 m，局部具有弱膨脹性。下伏基巖為弱風(fēng)化白云巖、灰?guī)r夾頁巖，薄層至中層狀為主，巖質(zhì)較堅硬，節(jié)理較發(fā)育?；鶐r內(nèi)鉆孔揭示有串珠狀溶洞，溶洞高度11 m左右，周邊地表見巖溶泉水、洼地發(fā)育，巖溶發(fā)育強烈。經(jīng)過方案會審，該段路基采用埋入式樁板結(jié)構(gòu)跨越溶洞處理。設(shè)計中考慮到本段路基地質(zhì)條件較差，為改善樁板結(jié)構(gòu)的受力條件，提高樁板結(jié)構(gòu)的安全儲備，樁板結(jié)構(gòu)加固范圍內(nèi)的土層采用旋噴樁加固，加固深度至基巖強(弱)風(fēng)化層以下0.5 m。樁板結(jié)構(gòu)承載板采用C35混凝土，板長24 m，寬4.5 m，高0.6 m。樁基采用C30混凝土，與承臺板固結(jié)，樁嵌入承臺板內(nèi)不小于10 cm，共10根樁，樁徑1.2 m，橫向樁間距2.5 m，縱向樁間距5 m(圖1)。

圖1　樁板結(jié)構(gòu)加固示意(單位：m)

2　樁板結(jié)構(gòu)的受力分析

2.1　模型的建立和計算參數(shù)的選取

將樁板結(jié)構(gòu)簡化為二維框架結(jié)構(gòu)，承載板及樁基混凝土的相關(guān)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[1]進行取值。計算中假定樁頂與承載板及樁底與基巖的連接形式均為固結(jié)，巖層的地基系數(shù)為200 000 kN/m3，假設(shè)溶洞及溶蝕破碎帶不對樁產(chǎn)生抗力，樁頂處土層的地基系數(shù)取為30 000 kN/m3，地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)取為2 500 kN/m4[2]。

2.2　靜荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)的受力分析

樁板結(jié)構(gòu)受到諸多荷載的影響，由于該樁板結(jié)構(gòu)設(shè)置在普通鐵路上，且為埋入式，所以除溫度荷載外，樁板結(jié)構(gòu)主要受到列車荷載、軌道結(jié)構(gòu)及樁板結(jié)構(gòu)上部墊層靜荷載的影響。將上述荷載簡化為均布荷載作用在板面上，約為60 kN/m2。計算結(jié)果表明，產(chǎn)生的彎矩主要由承載板承擔(dān)，最大彎矩出現(xiàn)在1#樁與板連接處，為468.0 kN·m，其次為5#樁與板鏈接處產(chǎn)生的彎矩為440.0 kN·m，其余樁與板連接處產(chǎn)生的彎矩為303.9～391.8 kN·m，總體來說彎矩相差不大。產(chǎn)生彎矩大小不等的原因主要是由于各個樁基的剛度不均造成的。相比其他樁，1#樁和5#樁較短且樁周巖土體的抗力較大，特別是1#樁大部分處于基巖中，所以剛度明顯大于其余樁，因此在均布荷載作用下產(chǎn)生了較大的彎矩。

2.3　溫度荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)的受力分析

混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑完成后會產(chǎn)生收縮，混凝土收縮的影響，可按降低溫度的方法來計算，對于整體澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)，可取降低溫度20 ℃。外界環(huán)境溫度的變化也會使該樁板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，外界溫度變化主要指季節(jié)性整體溫度升降和日照溫差。由于樁基埋置較深，上述兩種溫差變化都不大，所以在計算中忽略樁基溫度變化的影響。在計算中對承載板施加的溫度荷載為：(1)板均勻溫度變化30 ℃；(2)板頂面與底面溫差6 ℃。以上溫差的取值是根據(jù)工程所在地區(qū)的氣候特點及樁板結(jié)構(gòu)的埋深大致估算的，其中對板施加的30 ℃的均勻溫度荷載包括季節(jié)溫差和混凝土收縮等效溫差之和，實際上收縮等效溫差是由小到大單調(diào)變化的，而季節(jié)溫差是周期變化的，兩者不能簡單疊加，計算中對此做了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

當(dāng)對承載板整體施加-30 ℃的溫度荷載時，算得板的軸力分布大致呈中部大而逐漸向兩端減小的趨勢，樁頂位移呈由內(nèi)到外逐漸增大的趨勢，1#樁的水平位移為1.7 mm，5#的水平位移為3.8 mm，位移沒有對稱分布顯然是剛度差異造成的。樁板結(jié)構(gòu)的彎矩示意圖見圖2。

圖2　對承載板施加-30℃的溫度荷載時樁板結(jié)構(gòu)彎矩示意

由圖2可知樁板結(jié)構(gòu)的彎矩分布極不均勻，可見整體溫度升降時樁板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力大小受各剛度差異的影響是很大的， 1#樁、4#樁和5#樁上及這三根樁與承載板連接處產(chǎn)生的較大的彎矩，其中最大彎矩產(chǎn)生在4#樁與承載板的連接處為1 280 kN·m。

當(dāng)板頂面與底面溫差6 ℃時，其主要影響是使承載板產(chǎn)生彎矩，跨中如圖3所示。最大彎矩為330 kN·m。

圖2　當(dāng)板頂面與底面溫差6℃時樁板結(jié)構(gòu)彎矩示意

從以上的計算不難看出，按理論計算得到的連續(xù)式樁板結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力是很大的，甚至數(shù)倍于普通荷載，而在工程實際中，由于混凝土的徐變松弛特性使得溫度應(yīng)力大大小于理論值，根據(jù)文獻[3],可將有限元彈性計算的溫度應(yīng)力乘以系數(shù)0.3作為實際作用于結(jié)構(gòu)上的溫度應(yīng)力。乘以該系數(shù)后的溫度應(yīng)力也是相當(dāng)大的，尤其是結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力分布的不均勻造成了配筋設(shè)計的困難。如果將1#樁和5#樁與承載板的連接形式由固結(jié)改為簡支的話可顯著改善樁板結(jié)構(gòu)的受力狀況，特別是可以大大降低溫度應(yīng)力的影響。

各種荷載作用下往往會使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生徐變及微裂縫，是構(gòu)件不斷滿足變形的要求，從而使應(yīng)力得到很大的松弛，對結(jié)構(gòu)受力是有利的，所以一般在混凝土工程中容許出現(xiàn)較小的無害裂縫而需要控制過大的有害裂縫。在諸如連續(xù)式樁板這種受溫度荷載影響較大的超靜定結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工中更要注意裂縫的控制，在混凝土選材方面主要從降低收縮、降低水化熱及提高抗拉性能方面確定混凝土的配合比、摻合料及外加劑，在施工方面要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，提高混凝土結(jié)構(gòu)的均勻程度，降低混凝土裂縫的離散型和隨機性，達到顯著提高結(jié)構(gòu)抵抗溫度荷載能力的目的。

3　結(jié)論與建議

在巖溶地區(qū)的樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計中要注意結(jié)構(gòu)各部分剛度分配是否合理的問題，必要時改變部分樁與板的連接形式，達到結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)、減少應(yīng)力集中，提高承載力目的。溫度荷載對連續(xù)式樁板結(jié)構(gòu)的影響很大的，除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量減少溫度應(yīng)力外，還要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，以提高結(jié)構(gòu)抵抗溫度荷載的能力。