深厚軟土地區(qū)現(xiàn)代有軌電車減沉疏樁一體化結(jié)構(gòu)樁土承載計(jì)算方法

郭清超

上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200125

某現(xiàn)代有軌電車工程位于長(zhǎng)三角地區(qū)堆積平原，所處地層為第四紀(jì)沉積物，淺層分布較厚的③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及④層淤泥質(zhì)黏土等飽和軟土，該土層具有含水量高、孔隙率大、壓縮性高的特點(diǎn)。因?yàn)楝F(xiàn)代有軌電車采用整體道床結(jié)構(gòu)，對(duì)工后沉降要求嚴(yán)格[1]，所以在沿海深厚軟土地區(qū)需采用一定的地基處理方式才能滿足工后沉降的要求。該工程首次將減沉疏樁一體化結(jié)構(gòu)應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車工程，可有效減少工后沉降，并且在施工周期、管線影響、經(jīng)濟(jì)性等方面具有優(yōu)勢(shì)[2]。

深厚軟土地區(qū)減沉疏樁一體化結(jié)構(gòu)每個(gè)結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度約20m，兩單元之間采用變形縫連接。整體道床板與支撐板合二為一，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)電車輪載。樁徑為300～400mm，每股道橫向布置2根樁，樁間距沿線路縱向?yàn)?～7m。樁頂設(shè)置橫梁，中跨位置樁、橫梁與支撐板澆筑成整體固結(jié)，邊跨位置樁與橫梁固結(jié)，兩側(cè)承載板搭接于梁頂。

采用減沉疏樁設(shè)計(jì)理念，電車荷載及結(jié)構(gòu)自重除由樁基礎(chǔ)承擔(dān)外，樁間土在結(jié)構(gòu)受力中可發(fā)揮一定承載作用。該結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代有軌電車工程中應(yīng)用較少，同時(shí)考慮到樁土共同作用受力狀態(tài)較復(fù)雜，因此有必要對(duì)深厚軟土地區(qū)該結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、樁土承載分擔(dān)情況進(jìn)行研究。

1 規(guī)范復(fù)合疏樁基礎(chǔ)樁土承載分擔(dān)分析

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[3]，軟土地區(qū)復(fù)合疏樁基礎(chǔ)復(fù)合基樁承載力的計(jì)算式為

式中：Ra為樁頂承受荷載；n為樁數(shù)；Fk、Gk分別為附加荷載和自重；為承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)；為樁間土承載力特征值；為承臺(tái)凈面積。

有軌電車荷載軸重為125kN，輪軌沖擊系數(shù)取1.3，樁間土地基承載力特征值取60kPa?；鶚冻休d力設(shè)計(jì)時(shí)按基樁承擔(dān)荷載最大情況考慮。對(duì)于有軌電車樁板結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向架位中心于橫梁重合時(shí)基樁承擔(dān)荷載最多，樁間土承擔(dān)荷載最少。計(jì)算時(shí)承臺(tái)寬度取板寬2.6m，承臺(tái)長(zhǎng)度取一跨長(zhǎng)度5m。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)樁間土=224.8kN，F(xiàn)樁=116.6kN。樁間土約承擔(dān)總荷載的66%，基樁承擔(dān)總荷載的34%。

2 彈性地基梁法計(jì)算

考慮樁土共同承載作用時(shí)可采用彈性地基梁模型，基樁位置采用剛度較大的樁彈簧支承，樁彈簧之間采用剛度較小的土彈簧支承。減沉疏樁一體化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖1所示。其中，P為電車輪載，a為結(jié)構(gòu)跨距。

圖1 彈性地基梁計(jì)算模型圖

地基土彈簧可根據(jù)勘察報(bào)告提供數(shù)或《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）[4]取值。樁彈簧為樁體本身彈簧與樁端土彈簧剛度串聯(lián)彈簧[5]。

式中：K為樁彈簧剛度；K1為樁身彈簧剛度；N、Nf為基樁承載力和樁側(cè)摩阻力，可根據(jù)勘察報(bào)告提供參數(shù)計(jì)算；Ap為基樁截面面積；Es為樁身混凝土彈性模量；l為樁長(zhǎng)；K2為樁間土彈簧剛度；Es1為樁端土變形模量；dp為樁徑；v1為樁端土泊松比。

根據(jù)上述計(jì)算方法可得，樁間土地基彈簧剛度取4600kN/m3。計(jì)算結(jié)果顯示，樁頂承受的總荷載為480kN，樁間土承受的總荷載為188.7kN。樁間土約承擔(dān)總荷載的28%，基樁承擔(dān)總荷載的72%。

3 三維有限元模型分析

有限元模型中鋼軌采用梁?jiǎn)卧?，扣件采用彈簧單元，支撐板、橫梁、樁基及地基土均采用實(shí)體單元。樁與梁、中跨梁與板采用共節(jié)點(diǎn)連接，邊跨梁與板采用摩擦接觸單元連接，樁、梁、板與地基土之間采用摩擦接觸單元鏈接。電車荷載以4個(gè)集中荷載形式作用在鋼軌上。

接觸單元摩擦系數(shù)取0.3。鋼軌及鋼筋混凝土取材料相應(yīng)模量。地基土模量一般可取為壓縮模量的2～5倍[6]。

計(jì)算模型荷載位置如圖2所示，計(jì)算有軌電車輪對(duì)作用于鋼軌頂面時(shí)，樁頂及樁間土荷載分擔(dān)情況。

圖2 荷載平面示意圖

計(jì)算模型在地應(yīng)力平衡后施加有軌電車輪對(duì)荷載，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 地基反力橫向分布圖

圖4 地基反力縱向分布圖

計(jì)算結(jié)果顯示，通過(guò)支撐板后地基應(yīng)力明顯減小[7]，橫向地基反力最大值位于軌道中線位置。地基反力橫向分布均值為5.2kPa，縱向地基土反力最大值位于輪對(duì)作用區(qū)域，沿縱向呈梯形分布形式。樁頂承受總荷載為456kN，樁間土承受總荷載為232kN。樁間土約承擔(dān)總荷載的33%，基樁承擔(dān)總荷載的67%。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)代有軌電車減沉疏樁一體化結(jié)構(gòu)一般采用摩擦樁設(shè)計(jì)，樁間距沿線路縱向?yàn)?～7m，設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)考慮樁間土的支承作用。

（2）根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008），復(fù)合疏樁采用承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)考慮樁間土作用，樁間土承載力充分發(fā)揮，剩余荷載由基樁承擔(dān)，計(jì)算結(jié)果顯示樁間土荷載分擔(dān)比例偏大，約占總荷載的66%；彈性地基梁模型和三維有限元模型計(jì)算結(jié)果較為接近，樁間土分擔(dān)比例約占總荷載的30%。

（3）建議設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)減沉疏樁一體化結(jié)構(gòu)考慮樁間土承載作用，采用彈性地基梁模型計(jì)算。如現(xiàn)場(chǎng)樁間土不滿足要求可進(jìn)行碾壓或淺層換填處理，從而提高樁間土支承剛度。