松江有軌電車T1線軌下基礎(chǔ)設(shè)計方案比選*

宋志慧 秦曉光

(1. 山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系， 030021， 太原；2. 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院， 200011， 上海∥第一作者，高級工程師)

1 工程概況

松江有軌電車T1線位于長江三角洲堆積平原，地貌為湖沼平原Ⅰ-2區(qū)類型。該線路沿松江主要道路榮樂路貫穿松江老城。綜合研究區(qū)域地質(zhì)勘察資料以及室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)得知，沿線地基土屬于第四系地層。地基土主要由飽和黏性土、粉土及砂土組成，一般具有成層分布特點。地基土主要具有以下特征：① 呈流塑狀態(tài)，壓縮性高，承載力低；② 分布廣泛，沉積厚度大；③ 潛水水位高。

本文應(yīng)用有限元方法研究深厚軟土地基有軌電車路基不均勻沉降問題，對有軌電車采用樁板結(jié)構(gòu)、換填、復(fù)合地基等3種軌下基礎(chǔ)設(shè)計方案進(jìn)行了分析和比選。

2 樁板結(jié)構(gòu)沉降計算

2.1 樁板結(jié)構(gòu)方案介紹

針對鐵路系統(tǒng)中樁板結(jié)構(gòu)的特點，以及現(xiàn)代有軌電車荷載及其速度指標(biāo)，提出了該有軌電車線路的軌下基礎(chǔ)采用道床板-減沉疏樁一體化結(jié)構(gòu)(以下簡稱“樁板結(jié)構(gòu)”)方案。如圖1所示，該樁板結(jié)構(gòu)選用長度為21 m、φ400 mm的PHC(預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土)管樁，施工作業(yè)面寬度為11 m。軌道采用短軌枕，軌枕埋入路基板中，并一次澆筑完成。

管線資料顯示，埋深0.8～1.0 m的地下管線較多。樁板結(jié)構(gòu)方案可減少大量管線的搬遷，且工期短、造價低、結(jié)構(gòu)耐久性好，對周邊管線的雜散電流腐蝕性較小。

樁板結(jié)構(gòu)中每個結(jié)構(gòu)單元長約20 m，單元之間設(shè)置變形縫。無砟軌道板與支撐板合二為一，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)有軌電車輪載。樁徑為300～400 mm。每股道橫向布置兩根樁，樁間距沿線路縱向為5～7 m。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。

2.2 地基固結(jié)引起的沉降計算

2.2.1 有限元模型的建立

為了較真實地得到路基施工期間沉降和工后沉降情況，利用有限元軟件Plaxis 3D對這兩部分沉降變形進(jìn)行了模擬計算。路基土體模型采用實體單元，本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則；鋼筋混凝土板及橫梁采用結(jié)構(gòu)單元模擬，樁采用Embedded樁模擬。路基土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 路基土層物理力學(xué)參數(shù)

樁板結(jié)構(gòu)沉降計算過程分為如下4個步驟[1]：① 土體自重應(yīng)力的平衡計算；② 在模型中，激活管樁和承載板；③ 在模型中對有軌電車施加車輛荷載，計算該荷載作用下路基的瞬時沉降；④ 在車輛荷載作用下，對有軌電車路基固結(jié)沉降進(jìn)行計算分析。

2.2.2 地基主固結(jié)沉降的分布規(guī)律

為研究路基土體固結(jié)引起的土層沉降，提取固結(jié)度達(dá)到95%時土體中超孔隙水壓力的分布，如圖2所示。由圖2可知，持力層⑤2-1砂質(zhì)粉土的滲透系數(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)黏土層的滲透系數(shù)較小，且樁板結(jié)構(gòu)使樁周圍土體中的超孔隙水壓力并未完全消散，此時超孔隙水壓力主要集中在④淤泥質(zhì)黏土和⑤1粉質(zhì)黏土層樁體周圍。

根據(jù)路基固結(jié)沉降計算結(jié)果可知，路基固結(jié)沉降主要集中在上部粉土和黏土層，而下部砂層固結(jié)沉降接近于0。由于樁板結(jié)構(gòu)將力通過樁向下傳遞，因此最大固結(jié)沉降發(fā)生于④淤泥質(zhì)黏土層和⑤1粉質(zhì)黏土層中，由固結(jié)引起的路基沉降為8.2 mm[2]。

本文分析時樁長取為21 m，樁底土層為砂土層。相關(guān)研究表明，無黏性土層的次固結(jié)絕對沉降一般不很大。而21 m深處的砂性土在自重應(yīng)力和其他車輛、房屋荷載的作用下，已基本達(dá)到壓密穩(wěn)定狀態(tài)，且有軌電車荷載并不大，因而對樁板結(jié)構(gòu)的次固結(jié)沉降變形影響不大，可忽略不計。

2.3 有軌電車動荷載引起的沉降計算

2.3.1 土體動應(yīng)力分布規(guī)律

采用ANSYS-DYNA軟件建立車輛-軌道-路基三維耦合模型。建立模型時，車輛、轉(zhuǎn)向架及輪對均采用剛體模擬，二系懸掛及扣件均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[2]。

路基中土體豎向動應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可見，有軌電車在動荷載作用下，土體豎向動應(yīng)力在路基頂面達(dá)到最大，且其沿著深度增加逐漸遞減，當(dāng)深度在6 m以下時土體動應(yīng)力則很小。因此，土體動應(yīng)力僅需考慮埋深6 m以上區(qū)域。

樁板結(jié)構(gòu)路基中土體動應(yīng)力沿線路橫向分布如3所示。由圖3可見，樁板結(jié)構(gòu)承擔(dān)大部分土體動應(yīng)力；當(dāng)動應(yīng)力傳到路基中時，有軌電車荷載通過鋼軌、樁板結(jié)構(gòu)后其動應(yīng)力已基本均勻；土體動應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在樁板結(jié)構(gòu)邊緣和路基的交界處，且此處豎向動應(yīng)力最大；而兩側(cè)路基中土體動應(yīng)力則呈迅速減小的趨勢。

圖4為板結(jié)構(gòu)下表面路基中鋼軌正下方兩個點的豎向動應(yīng)力時程曲線。由圖5可見，當(dāng)有軌電車通過時，車輪及轉(zhuǎn)向架到達(dá)該點的正上方時，該點的豎向應(yīng)力達(dá)到最大值；當(dāng)車輪及轉(zhuǎn)向架駛過后，該點的豎向應(yīng)力迅速減小。

2.3.2 動荷載作用下的路基沉降量計算

對土體累積塑性應(yīng)變沿著深度方向積分，得出路基的累積塑性變形S:

(1)

式中：

εp,i——第i層的累積塑性應(yīng)變；

hi——第i層土體的厚度；

n——土體分層總數(shù)。

由于土層多為粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)黏土，再加上埋深6 m之后路基的動應(yīng)力及其變形較小，因此動應(yīng)力引起的沉降僅需考慮埋深6 m范圍內(nèi)，即僅需考慮②粉質(zhì)黏土和②t黏質(zhì)粉土兩層即可。根據(jù)上述粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土的物理性質(zhì)勘查指標(biāo)，利用累積塑形應(yīng)變模型，可計算得到有軌電車動荷載作用100萬次所引起的路基的沉降量為3.3 mm。

3 換填方案下路基沉降計算

3.1 換填方案介紹

根據(jù)有軌電車的軸重、軸距、運(yùn)營速度進(jìn)行分析，常規(guī)有軌電車可采用200 mm厚素混凝土支承層、400 mm厚水穩(wěn)碎石表層和800 mm厚基床底層的換填路基，總開挖深度約為1.9 m。

3.2 路基沉降計算

3.2.1 路基固結(jié)沉降計算

3.2.1.1 主固結(jié)沉降計算

采用Plaxis 3D軟件對路基施工期沉降和工后沉降進(jìn)行模擬計算。土層參數(shù)見表1。根據(jù)地基固結(jié)沉降計算結(jié)果，得到最大固結(jié)沉降為52 mm，發(fā)生于地表軌道結(jié)構(gòu)正下方。

3.2.1.2 次固結(jié)沉降計算

地基次固結(jié)沉降S0的計算公式為：

(2)

式中：

Ca,i——第i層土體的次固結(jié)系數(shù)；

e0,i——第i層土體的初始孔隙比；

t1——主固體時間；

t2——次固體時間。

結(jié)合松江有軌電車的實際情況及工程勘測資料，對土層次固結(jié)沉降值進(jìn)行估算，見表2。

表2 換填方案下土體次固結(jié)分層沉降值估算

由表2可見，10年內(nèi)路基土體次固結(jié)沉降約為15 mm。

3.2.2 有軌電車動荷載引起的路基沉降

圖5為有軌電車動荷載引起的豎向動應(yīng)力隨深度分布曲線。由圖5可見，土中豎向動應(yīng)力在路基頂面最大，且沿著深度逐漸遞減；當(dāng)深度達(dá)到3 m以下時動應(yīng)力水平很小，因此僅需考慮埋深3 m范圍內(nèi)土中動應(yīng)力即可?；脖韺觿討?yīng)力最大值達(dá)30～35 kPa左右。

圖6為有軌電車動荷載引起的應(yīng)力沿線路橫向分布曲線。由圖6可見，動應(yīng)力在路基中的分布呈標(biāo)準(zhǔn)的馬鞍形分布；在鋼軌正下方，路基最大動應(yīng)力達(dá)32 kPa；線路中心處路基動應(yīng)力略有減??；而在軌道兩側(cè)向外，路基中動應(yīng)力迅速衰減。

圖7為有軌電車動荷載引起斷面軌下某點豎向動應(yīng)力時程曲線。由圖7可見，有軌電車在軌道上運(yùn)行，當(dāng)車輪及轉(zhuǎn)向架到達(dá)該點的正上方時，該點的豎向應(yīng)力達(dá)到最大值；當(dāng)車輪及轉(zhuǎn)向架駛過后，該點的豎向應(yīng)力迅速降低。

與樁板結(jié)構(gòu)的計算方法相同，利用累積塑形應(yīng)變模型，計算得到有軌電車動荷載作用100萬次，引起的路基的沉降值為16 mm。

4 復(fù)合地基方案沉降計算

4.1 復(fù)合地基方案介紹

復(fù)合地基的加固原理是樁和樁間土共同直接承擔(dān)荷載。本文復(fù)合地基方案中，選用φ0.5 m、樁間距為1.2 m、樁長為 21 m的三軸攪拌樁[3]，在樁頂設(shè)置厚0.4 m左右的加筋墊層。

4.2 路基沉降計算

4.2.1 路基固結(jié)沉降計算

4.2.1.1 主固結(jié)沉降計算

采用Plaxis 3D軟件對路基施工期沉降和工后沉降進(jìn)行模擬計算。土層參數(shù)見表1。根據(jù)地基固結(jié)沉降計算結(jié)果，最大固結(jié)沉降為18 mm，發(fā)生于地表軌道結(jié)構(gòu)正下方。

4.2.1.2 次固結(jié)沉降計算

據(jù)式(2)對土層次固結(jié)沉降值進(jìn)行估算，見表3。

表3 復(fù)合地基方案下路基土體次固結(jié)分層沉降值估算

由表3可見，10年內(nèi)路基土體次固結(jié)沉降值為4 mm。

4.2.2 有軌電車動荷載引起的路基沉降

圖8為有軌電車動荷載引起的豎向動應(yīng)力隨深度分布曲線。由圖8可見，土中豎向動應(yīng)力在路基頂面最大，且沿著深度逐漸遞減；當(dāng)深度達(dá)到6 m以下時動應(yīng)力水平很小，因此僅需考慮埋深6 m范圍內(nèi)土中動應(yīng)力即可；埋深越淺處，路基土體的動應(yīng)力越大，最大值達(dá)40～45 kPa左右。

圖9為基床表面動應(yīng)力沿線路橫向分布曲線。由圖9可見，土體動應(yīng)力在路基中的分布呈標(biāo)準(zhǔn)的馬鞍形分布；在軌道最下方，路基最大動應(yīng)力達(dá)40 kPa；線路中心處路基動應(yīng)力略有減??；而在軌道兩側(cè)向外，路基中動應(yīng)力迅速衰減。

圖10為路基左、右鋼軌正下方兩點的豎向動應(yīng)力時程曲線。由圖10可見，有軌電車在軌道上運(yùn)行，當(dāng)車輪及轉(zhuǎn)向架到達(dá)該點的正上方時，該點的豎向應(yīng)力達(dá)到最大值；當(dāng)車輪及轉(zhuǎn)向架駛過后，該點的應(yīng)力迅速降低。

與換填方案計算方法相同，即僅需考慮埋深6 m范圍內(nèi)的②粉質(zhì)黏土和②t黏質(zhì)粉土兩層即可。利用累積塑形應(yīng)變模型，計算得到有軌電車動荷載作用100萬次所引起路基的沉降值為8.9 mm。

5 考慮土層參數(shù)變異性引起的地基沉降

應(yīng)用隨機(jī)有限元，使各土層物理力學(xué)參數(shù)在地勘報告中的參數(shù)取值范圍內(nèi)隨機(jī)變化，得到不同的地層參數(shù)組合形式，從而得出均質(zhì)地層的最大和最小總沉降計算結(jié)果，如表4所示。由表4可見，由于均質(zhì)地層物理力學(xué)參數(shù)在空間分布上的差異性，在有軌電車荷載作用下，樁板結(jié)構(gòu)方案下有軌電車路基總沉降為10.1～13.3 mm，換填方案下有軌電車路基總沉降為67.6～97.4 mm，復(fù)合地基方案下有軌電車路基總沉降為25.8～35.1 mm。

6 結(jié)語

綜上，與換填方案和復(fù)合地基方案相比，樁板結(jié)構(gòu)方案的有軌電車路基總沉降值最小，為10.1～13.3 mm。此外，該方案在管線遷改、施工周期、后期維修養(yǎng)護(hù)和經(jīng)濟(jì)性等方面亦具有優(yōu)勢。經(jīng)綜合比選，推薦松江有軌電車路基處理采用樁板結(jié)構(gòu)方案。

表4 各方案土層參數(shù)變異性引起的地基沉降值