高速鐵路接觸網(wǎng)預(yù)制樁基礎(chǔ)探究

侯文君，劉 津，羅 健

?

高速鐵路接觸網(wǎng)預(yù)制樁基礎(chǔ)探究

侯文君，劉 津，羅 健

高速鐵路接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的穩(wěn)定性對列車運(yùn)行安全至關(guān)重要，接觸網(wǎng)支柱現(xiàn)澆混凝土樁基礎(chǔ)施工效率低、工期長、易污染環(huán)境、現(xiàn)場施工質(zhì)量不易控制。本文提出一種工廠預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)預(yù)制構(gòu)件精度高、無污染、制品質(zhì)量易控制。

高速鐵路；接觸網(wǎng)；基礎(chǔ)；預(yù)制

0 引言

接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的穩(wěn)定性對列車安全運(yùn)行至關(guān)重要，直接影響電氣化鐵路的運(yùn)營安全。高速鐵路一般采用現(xiàn)澆混凝土樁基礎(chǔ)，成孔過程采用人工挖孔或機(jī)械鉆孔，需要等待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度等級才能立柱懸掛接觸網(wǎng)，施工周期較長?，F(xiàn)場澆筑混凝土對線路周邊的環(huán)境影響較大，耗費(fèi)人力，且使用范圍受限。本文提出一種工廠預(yù)制樁基礎(chǔ)，采用新型結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合計(jì)算軟件對預(yù)制樁基礎(chǔ)進(jìn)行承載力驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。

1 現(xiàn)澆混凝土樁基礎(chǔ)

傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土樁基礎(chǔ)一般采用C25或C30強(qiáng)度等級混凝土、HRB400縱向鋼筋及HPB300螺旋箍筋，樁徑為700 mm，結(jié)構(gòu)為實(shí)心混凝土，整個樁基礎(chǔ)重約3.5 t，如圖1所示。

2 預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)技術(shù)特點(diǎn)

（1）強(qiáng)度高。采用C60強(qiáng)度等級以上高強(qiáng)度混凝土和優(yōu)質(zhì)預(yù)應(yīng)力鋼絲制造，基礎(chǔ)的抗壓性能和抗彎性能大大提高，在保證垂直線路方向承載力的基礎(chǔ)上，提高了順線路方向的承載力，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，可承受多向荷載，使用安全可靠。

（2）重量輕。在現(xiàn)澆樁基礎(chǔ)直徑不變前提下，優(yōu)化為空心結(jié)構(gòu)，可節(jié)約混凝土的用方量，降低了原材料成本，減輕了整體重量，有利于運(yùn)輸。

圖1 現(xiàn)澆混凝土樁基礎(chǔ)示意圖

（3）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)合理。預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008），對基礎(chǔ)的預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行選配，并對其沉降、混凝土抗裂性等一系列性能進(jìn)行計(jì)算，確保基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。

3 預(yù)制樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析

3.1 基本結(jié)構(gòu)

預(yù)制樁基礎(chǔ)按容量分為YZQ80、YZQ100、YZQ120、YZQ140、YZQ160系列，其型號及檢驗(yàn)彎矩見表1，基礎(chǔ)外形見圖2。不同容量的基礎(chǔ)長度不同，預(yù)制樁基礎(chǔ)的長度應(yīng)包括混凝土基礎(chǔ)長度及基礎(chǔ)兩端的法蘭盤長度，不包括預(yù)埋地腳螺栓等附加配件的長度。

表1 基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)彎矩 kN·m

圖2 預(yù)制混凝土樁結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 承載力驗(yàn)算

為了驗(yàn)算新型預(yù)制樁基礎(chǔ)配筋是否滿足設(shè)計(jì)要求，以YZQ120為例，進(jìn)行抗彎抗裂承載力驗(yàn)算。取外徑= 700 mm，內(nèi)徑= 300 mm，壁厚= 200 mm，Ⅰ型，混凝土強(qiáng)度等級C60，預(yù)應(yīng)力鋼筋f14D10.7，螺旋筋規(guī)格b6。

3.2.1 混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力pc驗(yàn)算

預(yù)應(yīng)力鋼筋面積及支護(hù)樁截面面積為

p= 90×14 = 1 260 mm2

放張時預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋與混凝土的彈性比：

預(yù)應(yīng)力放張后預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力：

放張后混凝土預(yù)壓應(yīng)力：

混凝土的蠕變及收縮引起的預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力強(qiáng)度損失：

式中，為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋與混凝土的彈性比；為混凝土的蠕變系數(shù)，取2.0；s為混凝土的干縮率，取0.000 15。

預(yù)應(yīng)力鋼筋因松弛引起的拉應(yīng)力強(qiáng)度損失：

Dr=0(pt-2Dpy)

=2.5%×(965.2-2×70.1) = 20.6 MPa

式中，0為預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛系數(shù)，取2.5%。

則預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效拉應(yīng)力為

pe=pt-Dpy-Dr= 874.5 MPa

混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力為

3.2.2 抗裂彎矩cr驗(yàn)算

截面慣性矩0：

換算截面彈性抵抗矩0：

抗裂彎矩cr：

cr= [(pc+tk)×0] / 106

=(3.52 + 2.0×2.14)×33.25 = 259.35 kN·m

式中，為混凝土離心工藝系數(shù)，C60混凝土取2.0；tk為混凝土抗裂強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.2.3 極限彎矩u驗(yàn)算

依據(jù)GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，可得預(yù)制樁基礎(chǔ)的極限彎矩計(jì)算式。

t= 1-1.5（2）

將各數(shù)據(jù)代入式（3）得

u= 401 kN·m

3.2.4 設(shè)計(jì)彎矩驗(yàn)算

u/ 1.4 = 401 / 1.4 = 286.4 kN·m

經(jīng)過一系列計(jì)算，得到該預(yù)制樁的極限彎矩為401 kN·m，設(shè)計(jì)彎矩為286.4 kN·m，容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于120 kN·m，滿足容量要求。

3.3 成品結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)預(yù)制樁基礎(chǔ)能否滿足高速鐵路對結(jié)構(gòu)撓度的要求，對成品進(jìn)行一系列性能試驗(yàn)。以表1中所列標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩為依據(jù)，試驗(yàn)方法如下：將預(yù)制樁基礎(chǔ)埋于經(jīng)過地基處理的高速電氣化鐵路路基中，預(yù)開鉆孔可取樁徑的2/3，約為450 mm，根據(jù)施工具體要求埋設(shè)樁基礎(chǔ)，架立混凝土支柱，如圖3所示。

圖3 樁基礎(chǔ)加載示意圖

（1）根據(jù)TB1009-2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，將2種不同類型的混凝土支柱彎矩加載至導(dǎo)高處撓度檢驗(yàn)彎矩時（表2），測量其導(dǎo)高處的撓度，對于高速鐵路的接觸線高度（導(dǎo)高）處撓度應(yīng)不大于25 mm。

（2）將混凝土支柱彎矩加載至柱頂撓度檢驗(yàn)彎矩時（表2），其柱頂撓度應(yīng)不大于1.5/100（為柱高）。

（3）將混凝土支柱彎矩加載至標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩，加載方法參考TB/T 2286.2-2015《電氣化鐵路接觸網(wǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土支柱第2部分：環(huán)形支柱》，記錄不同階段的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角與水平位移，并與表3的限值進(jìn)行比較。

（4）將其加載至承載力檢驗(yàn)彎矩（為標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩的200%）時，不應(yīng)出現(xiàn)下列任一種承載能力極限狀態(tài)：a.受拉區(qū)混凝土裂縫寬度達(dá)到1.5 mm；b.受拉鋼筋被拉斷；c.受壓區(qū)混凝土破壞。試驗(yàn)結(jié)果均滿足上述要求，則可認(rèn)為基礎(chǔ)滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 支柱的檢驗(yàn)彎矩

表3 基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角與水平位移限值

試驗(yàn)結(jié)果：以f350 120/11+3支柱為例，在標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)荷載彎矩值100%時，基礎(chǔ)水平位移隨時間變化曲線見圖4，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角變化曲線見圖5。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)荷載彎矩值100%時基礎(chǔ)水平位移變化曲線

圖5 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)荷載彎矩值100%時基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角變化曲線

通過對不同型號支柱基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，得到3種不同型號的支柱基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角與水平位移均滿足限值要求，導(dǎo)高處的撓度均滿足接觸線導(dǎo)高處撓度不大于25 mm的要求；在150%標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)荷載彎矩作用下，樁四周土未出現(xiàn)側(cè)向擠出、傾覆現(xiàn)象，基礎(chǔ)穩(wěn)定。由此可見，預(yù)制樁基礎(chǔ)完全符合設(shè)計(jì)要求，能夠替代現(xiàn)澆式樁基礎(chǔ)在電氣化鐵路中應(yīng)用。

4 結(jié)語

工廠化、預(yù)制化是高速鐵路現(xiàn)代化進(jìn)程的一種趨勢，預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)在傳統(tǒng)施工方式上做出了重大革新。需注意的是，預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)在現(xiàn)場鉆孔時，實(shí)際鉆孔直徑應(yīng)比樁身直徑大50～100 mm，以便于現(xiàn)場施工，樁基礎(chǔ)安裝到位后，可用水泥砂漿或細(xì)石混凝土填充縫隙，達(dá)到基礎(chǔ)與孔側(cè)壁可靠密貼。

通過預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，可大大縮短施工工期，解決了現(xiàn)澆混凝土樁基礎(chǔ)污染環(huán)境以及人工開挖困難等一系列問題；在保證原基礎(chǔ)承載力的基礎(chǔ)上，大幅提高了基礎(chǔ)的強(qiáng)度；基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)為空心，達(dá)到了節(jié)省混凝土用料、降低成本、減輕基礎(chǔ)重量的目的，具有推廣意義及良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

[1] 劉峰濤. 接觸網(wǎng)支柱撓度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的探討[J]. 電氣化鐵道，2005（3）：1-4.

[2] 鐵道部電氣化工程局勘測設(shè)計(jì)處. 電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊接觸網(wǎng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1983.

[3] 國家鐵路局. TB10009-2016 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2016.

[4] 周立波，王旭. 凍土地區(qū)電桿直埋式基礎(chǔ)變形規(guī)律研究[J]. 山西建筑，2007（2）：33.

[5] 龍馭球，包世華. 結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

The stability of the mast foundations of overhead contact line for high speed railway is crucial to the safety operation of the trains, the construction efficiency of concrete pile foundations of masts of overhead contact line is low, and the construction period is long, and is liable to pollute the environment; the construction quality is not easy to be controlled. The paper proposes a type of factory prefabricated concrete foundations, which are of high structural accuracy, non-pollution, with quality of the products being easily controlled.

High-speed railway; overhead contact line; foundation; pre-fabrication

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.016

U225.4+2

B

1007-936X(2018)06-0067-03

2018-07-17

侯文君.中鐵三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，高級工程師；

劉 津.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，工程師；

羅 健.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，高級工程師。