現(xiàn)代有軌電車線路深厚軟土地基一體化樁板結(jié)構(gòu)沉降控制研究*

秦曉光

（1.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司，200120，上海；2.上海有軌電車工程技術(shù)研究中心，200120，上?！喂こ處煟?/p>

我國現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及其養(yǎng)護維修標準尚無規(guī)范可依，現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)設(shè)計只能套用高速鐵路或其他城市軌道交通的相關(guān)規(guī)范，但其與現(xiàn)代有軌電車運營速度和軸重等技術(shù)指標難以匹配［1-4］。此外，對深厚軟土地基的處理也是設(shè)計的難點［5-8］。

目前，現(xiàn)代有軌電車路基以及樁板結(jié)構(gòu)可以參考的規(guī)范比較少，本文針對現(xiàn)代有軌電車線路在深厚軟土地基建設(shè)中的要求和工程難點，提出一體化樁板結(jié)構(gòu)方案。該方案由樁、板與地基土共同組成一個承載結(jié)構(gòu)體系，能充分利用了樁-土、板-土之間的相互作用，以滿足現(xiàn)代有軌電車無砟軌道的強度與變形要求。實踐證明，該結(jié)構(gòu)可以有效控制軟土地區(qū)現(xiàn)代有軌電車軌道基礎(chǔ)長期不均勻沉降，減少了對地下管線的影響，降低了建造和維護成本。

1 一體化樁板結(jié)構(gòu)

結(jié)合現(xiàn)代有軌電車荷載、速度指標，以及鐵路系統(tǒng)中樁板結(jié)構(gòu)的特點，提出了如圖1所示的一體化樁板結(jié)構(gòu)方案。其軌道采用短軌枕，埋入路基板中，一次澆筑完成；橫梁處開挖深度1.1 m，普通段開挖深度0.7 m。該方案能夠有效減少結(jié)構(gòu)厚度，同等條件下減少混凝土用量約30%，降低鋼筋用量約為20%；同時，該方案在板結(jié)構(gòu)鋼筋外側(cè)單設(shè)排流網(wǎng)，因此，結(jié)構(gòu)耐久性好，雜散電流對周邊管線影響小。該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案已經(jīng)在上海市松江區(qū)和浙江省臺州市現(xiàn)代有軌電車線路的深厚軟基處理中得到應(yīng)用。

圖1 一體化樁板結(jié)構(gòu)橫斷面圖

一體化樁板結(jié)構(gòu)具有如下特點：①具有整體性強、穩(wěn)定性好、軌道變形小、堅固耐用、變形累積緩慢等優(yōu)點；②構(gòu)造十分機動靈活，適應(yīng)性強；③施工方便、快捷；④與橋梁結(jié)構(gòu)相比，樁與板之間通過鋼筋固結(jié)，可以節(jié)省昂貴的支座；⑤與普通路基結(jié)構(gòu)相比，沉降相對小而快，施工工期短；⑥結(jié)構(gòu)總高度小。

2 一體化樁板結(jié)構(gòu)沉降變形控制能力

樁板結(jié)構(gòu)對富含管線的深厚軟土層的沉降變形能夠起到很好的控制作用，但建設(shè)成本也會相應(yīng)增加。因此，在樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一體化樁板結(jié)構(gòu)，在保證路基變形較小的前提下，優(yōu)化板厚度，節(jié)約工程造價。

2.1 地基固結(jié)引起的沉降計算

為得到準確的路基沉降變形情況，首先通過Plaxis 3D軟件模擬計算沉降值。計算模型源于上海市松江區(qū)現(xiàn)代有軌電車試驗段。模型長50.0 m，寬13.3 m，深35.0 m。計算模型中，土體采用實體單元，本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫侖準則；鋼筋混凝土板及橫梁采用結(jié)構(gòu)單元模擬；樁采用Embedded樁模型進行模擬；現(xiàn)代有軌電車正線地段采用管樁+混凝土承載板加固，樁徑0.4 m，縱向樁間距5.0 m，樁長21.0 m；承載板采用C40混凝土現(xiàn)澆，承載板板厚0.45 m，承載板縱向每節(jié)長20.0 m，橫向?qū)挾?.6 m，埋深0.25 m，為減少溫度應(yīng)力影響，兩塊承載板中間設(shè)置2 mm伸縮縫。土層參數(shù)的選取見表1。

表1 土層參數(shù)表

將計算過程劃分為如下4種施工工況：自重應(yīng)力平衡；激活模型中的管樁及承載板；施加現(xiàn)代有軌電車車輛荷載，計算現(xiàn)代有軌電車荷載作用下引起的路基的瞬時沉降；計算現(xiàn)代有軌電車荷載作用下引起的地基固結(jié)沉降。

通過對計算數(shù)據(jù)的分析可知，結(jié)構(gòu)沉降主要由地基主固結(jié)沉降和有軌電車動、靜荷載引起的路基沉降組成。下文針對這兩部分沉降情況進行分析。

2.2 地基主固結(jié)沉降的分布規(guī)律

為研究地基土體固結(jié)引起的土層沉降情況，提取和觀察當固結(jié)度達到95%時土體中超孔隙水壓力的分布情況。通過計算可知：持力層為⑤2-1砂質(zhì)粉土，滲透系數(shù)較大，因此土中的水壓力全部消散；而其上部⑤1粉質(zhì)黏土和④淤泥質(zhì)黏土層，由于土層滲透系數(shù)較小，且樁板結(jié)構(gòu)的存在，使得樁周圍土中的超孔隙水壓力并未完全消散，此時超孔壓主要集中在④淤泥質(zhì)黏土和⑤1粉質(zhì)黏土層樁體周圍。

地基固結(jié)沉降分布情況如圖2所示。從圖2中可以看出：固結(jié)沉降主要發(fā)生在上部粉土及黏土層，而下部砂層固結(jié)沉降幾乎為零；最大固結(jié)沉降量發(fā)生于④淤泥質(zhì)黏土層和⑤1粉質(zhì)黏土層中，而不是路基頂面，這是由于樁板結(jié)構(gòu)將力通過樁向下傳遞導致的；由固結(jié)引起的路基沉降值為8.2 mm。

圖2 地基固結(jié)沉降分布圖

圖3 豎向動應(yīng)力隨深度分布曲線

2.3 現(xiàn)代有軌電車動荷載引起的沉降計算

為得到循環(huán)荷載作用下路基中動應(yīng)力場分布情況，利用ANSYS-DYNA有限元軟件建立車輛-軌道-路基三維耦合模型。模型中車輛、轉(zhuǎn)向架及輪對采用剛體模擬，二系懸掛及扣件系統(tǒng)采用彈簧阻尼單元模擬，鋼軌采用梁單元模擬，軌下結(jié)構(gòu)采用實體線彈性單元模擬。為消除邊界效應(yīng)影響，建立的模型長為60.0 m，寬為26.6 m，高為30.0 m。由于結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此建立一半模型，并在對稱面上施加對稱邊界。

模擬計算結(jié)果及分析如下：

（1）土動應(yīng)力沿深度方向分布規(guī)律。為研究路基中豎向動應(yīng)力的分布規(guī)律，提取了模型中各節(jié)點的動應(yīng)力。其中，在現(xiàn)代有軌電車通過過程中，當現(xiàn)代有軌電車運行到節(jié)點正上方時，該點動應(yīng)力水平最大。在現(xiàn)代有軌電車行駛到該斷面上方時，該斷面上各點豎向動應(yīng)力呈現(xiàn)出沿著深度方向分布的規(guī)律，其他斷面的分布規(guī)律與之相同。從圖3中可以看出：在現(xiàn)代有軌電車荷載的作用下，土中豎向動應(yīng)力在路基頂面最大，沿著深度逐漸遞減；當深度達到6 m以下時動應(yīng)力水平很小（小于與自重應(yīng)力的比為20%），因此僅需考慮埋深6 m范圍內(nèi)土中動應(yīng)力水平即可；埋深越淺處，動應(yīng)力越大，最大值在5～6 kPa之間。

（2）土動應(yīng)力沿線路橫向分布規(guī)律。一體化結(jié)構(gòu)路基中土沿著線路橫向的應(yīng)力分布情況如圖4所示。從圖4中可看出：由于樁板結(jié)構(gòu)的存在，樁板結(jié)構(gòu)承擔了大部分應(yīng)力；現(xiàn)代有軌電車的荷載通過鋼軌、樁板結(jié)構(gòu)傳到路基中時，應(yīng)力已基本均勻，大概有5～7 kPa；在樁板結(jié)構(gòu)邊緣和路基交界處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，豎向動應(yīng)力最大值達9 kPa，而兩側(cè)的路基中應(yīng)力則迅速減小。圖5為上述斷面上板結(jié)構(gòu)下表面路基中鋼軌正下方2個點的豎向動應(yīng)力時程曲線。由圖5可見：當現(xiàn)代有軌電車通過時，車輪及轉(zhuǎn)向架到達該點的正上方時，該點的豎向應(yīng)力達到最大值；車輪及轉(zhuǎn)向架駛過后，應(yīng)力水平迅速減小。

（3）由動荷載引起的路基沉降值。應(yīng)用累積塑性應(yīng)變模型對路基的累積塑性變形進行計算，計算結(jié)果為：現(xiàn)代有軌電車動荷載作用100萬次，引起的路基的沉降值為3.3 mm。沉降各組成部分計算結(jié)果匯總?cè)缦拢簩τ谝惑w化結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代有軌電車荷載作用下，現(xiàn)代有軌電車軌道地基固結(jié)沉降為8.2 mm，由動應(yīng)力引起的沉降為3.3 mm，總沉降量為11.5 mm。

圖4 豎向動應(yīng)力沿線路橫向分布曲線

圖5 斷面上軌下某點豎向動應(yīng)力時程曲線

圖6 試驗設(shè)計方案及模型圖

3 離心模型試驗驗證

3.1 試驗設(shè)備和設(shè)計

本次試驗采用同濟大學20g-ton土工離心機（L-30型）。該離心機的基本參數(shù)為：有效旋轉(zhuǎn)半徑為1.55 m，最大離心加速度為200 g，模型箱尺寸為415 mm×370 mm×230 mm。綜合考慮離心機的技術(shù)參數(shù)和試驗原型條件、測量精度的要求，以及試驗中模擬模型材料制作等因素，確定本次試驗的離心加速度為100 g。試驗?zāi)Ｐ停ㄒ妶D6）比例尺為1∶100（模型率N=100）。在土工模型試驗中，為使模型材料與原型材料的物理力學特性相似，取用松江現(xiàn)代有軌電車線路現(xiàn)場土料來模擬實際土層。對于承受以豎向荷載為主的樁，按樁身豎向抗壓剛度及抗彎剛度相似要求選用模型樁。試驗中的剛性樁在滿足橫截面面積及慣性矩相似的條件下選用鋁管模擬。試驗中剛性樁體自身的壓縮變形量忽略不計。樁基入土采用打入方式。鋼筋混凝土板材料選用鋁合金板模擬。原型試驗時間按固結(jié)問題的計算公式進行換算。路堤設(shè)計參數(shù)、現(xiàn)代有軌電車及軌道結(jié)構(gòu)荷載的要求參照相關(guān)規(guī)范［9］。

3.2 與計算數(shù)據(jù)比較分析

通過試驗研究工作獲取現(xiàn)代有軌電車路基中心工后5年的最大沉降量為16.7 mm，年最大沉降速率為4.7 mm/年。試驗數(shù)據(jù)略高于計算結(jié)果，其原因主要是重塑土體擾動后和原狀土體的性質(zhì)差異導致。根據(jù)理論計算及試驗工作結(jié)論，原位測試工作在上海松江現(xiàn)代有軌電車試驗段進行。

4 上海松江現(xiàn)代有軌電車試驗段沉降變形監(jiān)測分析

上海市松江區(qū)現(xiàn)代有軌電車示范線共規(guī)劃T1和T2兩條線路。其中，T1線沿松江主要道路榮樂路貫穿松江老城，并向東延伸至松江工業(yè)區(qū)及新橋鎮(zhèn)。本工程主要負責T1線后半段新車公交站到新橋站4站及其間的3個區(qū)間，工程采用減沉疏樁一體化樁板結(jié)構(gòu)方案對線路地基進行加固處理。本工程的綜合監(jiān)測及布點方案針對板下土壓力、土層分層沉降、樁板沉降變形、樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力、孔隙水壓力及軌道板動力響應(yīng)等方面，并對基礎(chǔ)的變形情況進行跟蹤及研究。監(jiān)測值與計算值和試驗值比較接近，但也存在一些差異。對造成結(jié)果差異的原因進行分析，結(jié)論為：這種差異是由工程現(xiàn)場復雜施工環(huán)境及工程機械的影響引起的。

5 與其他設(shè)計方案綜合對比

沉降分析結(jié)果表明，樁板結(jié)構(gòu)方案在現(xiàn)代有軌電車軌道基礎(chǔ)沉降控制方面明顯優(yōu)于換填處理方案和復合地基方案，在此基礎(chǔ)上提出了增強道床板-減沉疏樁一體化方案。下面再從修建成本、對既有管線影響和施工工期等方面對以上方案進行進一步的比選，如表2所示。綜合各評價指標，現(xiàn)代有軌電車軌道基礎(chǔ)設(shè)計方案中，道床板-減沉疏樁一體化方案最為合理。

表2 地基處理方案比選

6 結(jié)語

道床板與支撐板一體化樁板是一種包含承臺-地基-樁基共同作用的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)總厚度可縮小30%，有效減少對既有管線的影響。這種加固方案大大降低了基礎(chǔ)沉降量，引起的地基沉降最大值僅為11.5 mm，差異沉降亦較小（3.2 mm）。該方案雖然初期建設(shè)成本較換填方案高，但后期養(yǎng)護維修成本較低。經(jīng)綜合評價，采用該方案在管線遷改、施工周期、后期維修養(yǎng)護和經(jīng)濟性方面都更具有優(yōu)勢，建議在深厚軟土地基處理中采用。