山區(qū)既有鐵路聲屏障基礎(chǔ)選型研究

朱璇

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070

摘 要 山區(qū)既有鐵路新增聲屏障工程，基巖埋深較淺，采用傳統(tǒng)的挖孔灌注樁基礎(chǔ)，需通過人工開鑿進(jìn)行基礎(chǔ)開挖，施工周期長、難度大。采用巖石錨桿基礎(chǔ)，可充分利用巖石地基良好的承載力，有效減小聲屏障基礎(chǔ)的埋深和尺寸。本文通過工程實(shí)例對比分析挖孔樁與錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)檢算的特點(diǎn)及關(guān)鍵參數(shù)，并比較了兩方案在工期和投資上的差異，為今后的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 路基聲屏障;巖石地基;錨桿基礎(chǔ)

引言

目前我國既有鐵路電氣化項(xiàng)目逐漸增多，電氣化后列車運(yùn)行速度提高，對沿線居民產(chǎn)生較大的噪音污染，一般在居民聚集區(qū)等敏感點(diǎn)設(shè)置聲屏障，降低對沿線居民的噪音干擾。鐵路屬于帶狀工程，跨越地區(qū)范圍大，沿線地質(zhì)情況復(fù)雜多變，可能同時存在土質(zhì)和巖石地基，聲屏障基礎(chǔ)需有不同形式與之適應(yīng)。

目前錨桿基礎(chǔ)在地下工程的抗浮設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，但在聲屏障基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中卻應(yīng)用很少，本文結(jié)合蕪湖至廣德鐵路電氣化改造工程蕪湖至宣城段皖贛線K0+900～k1+200左側(cè)巖石路塹段聲屏障基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，全面分析比較挖孔灌注樁與錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用于巖石地基聲屏障基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)檢算要求、工期和造價的差異，梳理錨桿基礎(chǔ)的優(yōu)越性，推廣在巖石地基聲屏障基礎(chǔ)中的應(yīng)用[1]。

1工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

本工程位于安徽省東部，皖贛線K0+000～K6+200為長江沖積平原，場地地層上部分布第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土：灰黃～黃褐色，軟～硬塑，厚度為2.0～3.5m，地基承載力120kPa，下部分布三疊系石灰?guī)r，灰褐～青灰色，弱風(fēng)化，Ⅴ級次堅(jiān)石，地基承載力800kPa。地下水為碳酸鹽巖類裂隙水，富水性極不均勻，分布于石灰?guī)r中，地下水無化學(xué)侵蝕性，地震動峰值加速度為0.05g。

2工程方案比選

鐵路路基聲屏障基礎(chǔ)一般采用擴(kuò)展基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。對于常見的擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)土方大開挖可能導(dǎo)致既有路基坍塌，影響施工人員及鐵路運(yùn)營安全。樁基礎(chǔ)一般適用于淺層地基條件不滿足承載力和變形要求的土質(zhì)場地。既有線聲屏障基礎(chǔ)施工碰到巖石路塹地基往往是施工單位較為頭痛的，采用常規(guī)的擴(kuò)展基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)需要較大的基礎(chǔ)埋深，不僅不能有效利用巖石地基良好的承載力特點(diǎn)，因臨近既有營業(yè)線施工不容許采用爆破施工，會導(dǎo)致人工開鑿巖石費(fèi)時費(fèi)力，工效低下，從施工角度考慮操作性較低。

巖石錨桿基礎(chǔ)通過設(shè)置于基礎(chǔ)底面的錨桿，將基礎(chǔ)與基巖連接在一起，巖石基礎(chǔ)可以很好地承受上部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)而來的彎矩及豎向壓力，可減小基礎(chǔ)埋深及尺寸。錨桿基礎(chǔ)開挖較小，錨桿結(jié)構(gòu)施工工藝成熟，工效高，可實(shí)現(xiàn)縮短工期與節(jié)約投資，巖石地段聲屏障采用錨桿基礎(chǔ)無疑是一種合適的選擇。

2.1 常規(guī)挖孔樁基礎(chǔ)方案

根據(jù)臨近營業(yè)線施工特點(diǎn)，聲屏障基礎(chǔ)可采用人工挖孔灌注樁，樁基開挖時采用C30鋼筋混凝土護(hù)壁，樁基初擬尺寸為：樁徑1.0m，樁長5.5m，按樁基檢算方法對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行驗(yàn)算[2]。

（1）基礎(chǔ)頂面設(shè)計(jì)荷載

聲屏障立柱高3m，間距4m，聲屏障基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要承受風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)自重荷載。經(jīng)計(jì)算風(fēng)荷載為1.1kPa，立柱自重為1.2kN，屏體自重21.2kN。由立柱及系梁傳至基礎(chǔ)頂面的水平荷載為18.6 kN，豎向荷載為26.8 kN，彎矩為27.8 kN·m。

（2）樁基豎向承載力和水平承載力驗(yàn)算

支撐于巖石地基的挖孔灌注樁豎向容許承載力為

式中：U為嵌入巖層內(nèi)樁的周長;為自新鮮巖層面算起的嵌入深度;為各土層厚度;和為根據(jù)巖石層破碎程度和清底情況確定的系數(shù)。

土的容許承載力為81.5 kPa

經(jīng)計(jì)算，樁基前后緣豎向最大壓應(yīng)力為20kPa，小于巖石地基承載力，基底豎向壓應(yīng)力滿足要求。

（3）樁的嵌巖錨固深度驗(yàn)算

聲屏障上部傳至樁基的彎矩主要由樁基側(cè)壁巖石承受，樁基嵌巖深度應(yīng)滿足下式：

式中：為樁下端錨固點(diǎn)處的彎矩;為根據(jù)巖層構(gòu)造在水平方向的巖石容許壓力換算系數(shù);為樁間土的極限承載力;為樁基直徑。

計(jì)算得最小滿足深度滿足要求。

（4）樁頂水平位移驗(yàn)算

挖孔樁基作為聲屏障的基礎(chǔ)，滿足正常使用不僅要滿足承載力等要求，樁頂水平位移亦不難超過規(guī)范限制，根據(jù)地基系數(shù)的比例系數(shù)，樁頂水平位移計(jì)算公式如下：

式中：為基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心至地面的距離，為基礎(chǔ)埋深，為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角。

考慮為嵌入巖層內(nèi)的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心與基底截面重心相吻合，上式中基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角按以下公式計(jì)算：

式中：為樁頂彎矩，為樁頂水平力，為樁基位于土層中的長度，為基礎(chǔ)側(cè)面土抗力的計(jì)算寬度，為地基系數(shù)的比例系數(shù)，為基底土豎向地基系數(shù)，為基礎(chǔ)底面順外力方向的基礎(chǔ)長度，為基底截面抵抗矩。

計(jì)算得樁頂最大位移為4.4mm，小于5mm，滿足規(guī)定要求。

2.2 巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

為充分利用巖石地基良好的力學(xué)特性，本工程采用條形錨桿基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸寬1.86m，高0.5m，采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，錨桿孔徑80mm，錨桿鋼筋采用φ22的螺紋鋼筋，錨桿間距3m，灌漿材料采用M30水泥砂漿，具體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2.3 錨桿基礎(chǔ)的檢算

（1）錨桿基礎(chǔ)中單根錨桿所承受的拔力

式中：為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，第根錨桿所承受的拔力值;為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用在基礎(chǔ)頂面上的豎向力;為基礎(chǔ)自重及其上的土自重;為錨桿根數(shù);為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算作用在基礎(chǔ)底面形心的力矩值;為第根錨樁至基礎(chǔ)底面形心的軸線的距離[3]。

（2）錨桿抗拔承載力驗(yàn)算

按砂漿與巖石間的黏結(jié)強(qiáng)度確定的單根錨桿的抗拔承載力如下

式中：為錨桿孔直徑;為錨桿的有效錨固長度;為砂漿與巖石間的黏結(jié)強(qiáng)度特征值。

計(jì)算的錨桿最大拔力小于錨桿抗拔承載力特征值。

（3）錨桿鋼筋與砂漿之間錨固長度驗(yàn)算

按錨桿鋼筋和錨固砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度確定的錨固長度為

式中：為工程重要性系數(shù);為錨桿鋼筋直徑;為鋼筋與錨固砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;為鋼筋與砂漿黏結(jié)強(qiáng)度工作條件系數(shù)。

計(jì)算得：，不超過8.5m，故滿足要求。

（4）錨桿基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

路基聲屏障在使用過程中會受到橫向風(fēng)作用在基礎(chǔ)底面產(chǎn)生較大的彎矩即傾覆力矩，使基礎(chǔ)有繞基底邊緣傾覆的風(fēng)險，結(jié)構(gòu)自重及錨桿抗拔力提供抗傾覆力矩，應(yīng)驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定性，抗傾覆安全系數(shù)如下：

式中：為抗傾覆力矩;為傾覆力矩;為基底中心的到邊緣的距離;為受拉錨桿到基底邊緣的距離。

通過計(jì)算得：，滿足抗傾覆要求。

3兩種方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比分析

通過對人工挖孔灌注樁與巖石錨桿基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)檢算，驗(yàn)證了兩種設(shè)計(jì)方案的理論可行性。下面將對兩種方案的基礎(chǔ)土石方開挖量、混凝土用量、鋼筋用量及施工工期進(jìn)行對比分析，各項(xiàng)指標(biāo)如下表1所示，表中數(shù)據(jù)顯示巖石錨桿基礎(chǔ)在土石方開挖量、用鋼量、工期等方面均有優(yōu)勢[4]。

4結(jié)束語

對于既有鐵路路基新設(shè)置聲屏障，由于既有線開挖對鐵路運(yùn)營會產(chǎn)生影響，需要采用安全、經(jīng)濟(jì)、高效的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。本文通過工程實(shí)例分析人工挖孔灌注樁與巖石錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算過程，并對比兩種基礎(chǔ)類型經(jīng)濟(jì)性與施工工期，驗(yàn)證了錨桿基礎(chǔ)在巖石地基中應(yīng)用的優(yōu)越性。目前本工程已經(jīng)施工完成，經(jīng)過觀測各項(xiàng)變形數(shù)據(jù)均滿足要求，使用情況良好。

參考文獻(xiàn)

[1] JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] GB50007-2011.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 張文勇.巖石錨桿基礎(chǔ)在風(fēng)電基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用與研究[D].湘潭：湖南科技大學(xué)，2015.

[4] 李萌.巖石錨桿基礎(chǔ)在冶金工業(yè)廠房中的應(yīng)用與分析研究[D].鞍山：遼寧科技大學(xué)，2012.