軟土地區(qū)有軌電車線路復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基受力特性分析*

王長丹 周 偉 姚 青 散騫騫 陳凱祥

(1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海;2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室,201804,上海;3.上海城建市政工程(集團)有限公司,200131,上?！蔚谝蛔髡?副教授)

在我國東部沿海深厚軟土和西北濕陷性黃土地區(qū)的高速鐵路建設(shè)中,為更好地控制軌道路基的工后沉降和不均勻沉降,多采用樁板結(jié)構(gòu)路基形式。樁板結(jié)構(gòu)路基的樁端插入持力層中,計算時不考慮板下土體的承載作用。但對于軸重較小、運行速度較低且沉降控制標(biāo)準(zhǔn)較低的有軌電車線路而言,選用樁板結(jié)構(gòu)作為其路基形式,無疑會極大地增加工程造價,且試驗發(fā)現(xiàn)板下土體的荷載分擔(dān)比例達到12%以上[1]?；诖?復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基應(yīng)運而生,目前其主要應(yīng)用于深厚軟土地區(qū)的有軌電車線路建設(shè)中[2-3]。文獻[4-7]表明:相比于傳統(tǒng)的樁板結(jié)構(gòu),復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基考慮了板下土體的承載作用,且樁端未插入持力層中,當(dāng)結(jié)構(gòu)受荷下沉?xí)r,樁體發(fā)生向下的刺入變形,從而充分發(fā)揮了樁-板-土的協(xié)同受力作用。圖1為復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的承載示意圖[8]。本文主要通過有限元模擬的方式,對上海松江有軌電車示范線工程復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的樁土受力變形特性進行詳細(xì)分析,以期為后續(xù)工程設(shè)計提供一定的參考。

圖1 復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基承載示意圖

1 工程概況及地質(zhì)

1.1 工程概況

上海松江有軌電車示范線工程包括T1和T2兩條線路,線路里程約為36 km。該線路基均采用復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基,軌道采用短軌枕形式埋入承載板中,一次澆筑完成。該路基一般為六跨一聯(lián),PHC(預(yù)應(yīng)力高強混凝土)管樁外徑為0.30 m,內(nèi)徑為0.16 m,樁長為19 m,跨度為5 m。該路基的承載板材料為C40混凝土,板厚為0.45 m,縱向長度為30 m,橫向?qū)挾葹?.6 m,并在2塊承載板中間設(shè)置1條寬2 mm的伸縮縫。上海松江有軌電車示范線工程復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的橫斷面和地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的橫斷面圖及地質(zhì)剖面圖

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)上海松江有軌電車示范線工程的地質(zhì)勘察資料,得到現(xiàn)場的巖土分層情況及各層土體的物理力學(xué)參數(shù)。表1為其土體物理力學(xué)參數(shù)列表。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 模型建立與驗證

2.1 模型建立

利用有限元軟件PLAXIS 3D建立有軌電車線路復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的數(shù)值模型,以模擬有軌電車線路從施工建設(shè)到后期運營的受力變形規(guī)律。模擬計算時僅考慮單向有軌電車線路作用下的受力和變形。為排除有限元計算邊界的影響,縱向取兩聯(lián)復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基,總長度為60 m,建立的三維有限元模型如圖3所示。該模型尺寸為60 m(長)×50 m(寬)×35 m(高),土體本構(gòu)為HSS(硬化本構(gòu)模型),并基于Biot固結(jié)理論對土體固結(jié)沉降進行計算。

圖3 有限元計算模型示意圖

為保證數(shù)值計算的收斂性和可行性,同時盡可能模擬現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境,本文對有限元模型的邊界條件和加載條件進行了以下合理假設(shè):

1) 地下水位不變,均位于地表以下1 m;各土層水平方向和豎直方向的滲透系數(shù)按照地質(zhì)勘察資料分別選取;

2) 模型的豎向邊界水平固定,只可以產(chǎn)生豎向位移且不透水;下邊界為固定邊界且不透水;上邊界為自由面,為滲透邊界;

3) 將承載板上部的軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載換算為均布面荷載,模擬面荷載瞬時施加于承載板頂部;固結(jié)計算過程中面荷載保持不變,軌道結(jié)構(gòu)換算為6 kPa的均布荷載,列車荷載換算為30 kPa的均布荷載。

2.2 基于現(xiàn)場實測的模型驗證

在進行后文的分析前,先通過上海松江有軌電車示范線工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)[3]來驗證本文所建有限元模型的可靠性。將建設(shè)期(2018年4月17日瀝青面層澆筑)和開通運營后6個月(2019年11月24日—2020年5月24日)線路中跨跨中和承載板兩端板下土體沉降量的現(xiàn)場實測值與數(shù)值模擬值進行對比,其結(jié)果如圖4所示。

圖4 線路中跨跨中和承載板兩端板下土體沉降的現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值模擬值對比

由圖4可知:數(shù)值模擬得到的土體沉降量隨埋深的變化曲線與現(xiàn)場實測結(jié)果在變化趨勢上基本一致,現(xiàn)場實測值大于數(shù)值模擬值。其原因主要是有限元建模時為了節(jié)省計算資源,只建立了1條有軌電車線路,而現(xiàn)場有2條有軌電車線路,未模擬的有軌電車線路的軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載會對監(jiān)測點位的土層沉降產(chǎn)生附加應(yīng)力,這導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測值大于數(shù)值模擬值。因此,本文建立的有限元模型總體上具有較高的可靠度。

3 復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基受力特性分析

3.1 跨中板下土體應(yīng)力與沉降分析

通過數(shù)值模擬得到上海松江有軌電車示范線工程建設(shè)期和運營期的復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基中跨跨中板下土體的附加應(yīng)力和沉降隨埋深的變化曲線,如圖5所示。

圖5 中跨跨中板下土體附加應(yīng)力與沉降隨埋深的變化曲線

從圖5 a)可知:隨著埋深的增加,建設(shè)期和運營期的跨中板下土體附加應(yīng)力均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化規(guī)律,附加應(yīng)力最大值出現(xiàn)在20 m埋深位置附近(即樁底下方1～2 m處)。其原因可歸結(jié)為跨中板下土體的附加應(yīng)力由兩部分組成:一部分為樁板結(jié)構(gòu)承載板直接施加在土體上表面的荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力,另一部分為樁頂承擔(dān)的余下上部荷載通過樁側(cè)摩阻力傳遞給土體,使土體產(chǎn)生了附加應(yīng)力。加固區(qū)(即樁長范圍內(nèi))上部土體的附加應(yīng)力隨埋深的增加呈遞減趨勢,這是承載板產(chǎn)生的附加應(yīng)力在起主要作用;而加固區(qū)下部和下臥層的附加應(yīng)力隨埋深的增加呈先增加后減小趨勢,則是樁側(cè)產(chǎn)生的附加應(yīng)力在起主要作用。

與傳統(tǒng)樁基在樁底處土體附加應(yīng)力突然增大至峰值的情況不同,深厚軟土地層中的有軌電車線路復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基跨中板下土體的附加應(yīng)力是在樁底以上一定區(qū)域開始逐漸增加,然后在樁底附近達到最大值。這種差異與復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基樁體的受力特征有關(guān),較小的樁底反力并不會引起附加應(yīng)力的突然增大,而是樁側(cè)摩阻力導(dǎo)致土體的附加應(yīng)力逐漸增大。

此外,根據(jù)土力學(xué)原理,附加應(yīng)力是土體發(fā)生壓縮固結(jié)的原因。從附加應(yīng)力的變化曲線可看出,深厚軟土地區(qū)復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的沉降變形應(yīng)主要發(fā)生在樁頂和樁底的一定范圍內(nèi),圖5 b)所示的沉降曲線變化規(guī)律證明了該結(jié)論的正確性。

3.2 樁體受力分析

復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基在有軌電車線路建設(shè)期和運營期的樁體軸力和樁側(cè)摩阻力隨埋深的變化曲線如圖6所示。由圖6可看出:樁體軸力隨埋深的增加逐漸減小;樁深范圍內(nèi)的側(cè)摩阻力均表現(xiàn)為正值,即復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基樁體未出現(xiàn)負(fù)摩阻區(qū)。由此可知,在深厚軟土地區(qū),在復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基樁底未刺入持力層的情況下,樁體沉降一般大于板下土體沉降。此外,不管是在荷載水平較低(6 kPa)的建設(shè)期,還是在荷載水平較高(36 kPa)的運營期,樁頂承擔(dān)的上部荷載大部分通過樁側(cè)摩阻力傳遞給樁側(cè)土體,樁端反力僅占其中較少的一部分。

圖6 樁體軸力和樁側(cè)摩阻力隨埋深的變化曲線

3.3 樁土差異沉降分析

加固區(qū)內(nèi),樁側(cè)土體和跨中板下土體間、樁體與樁側(cè)土體間在建設(shè)期和運營期的差異沉降情況分別如圖7、圖8所示。

圖7 樁側(cè)土體與跨中板下土體間的差異沉降

圖8 樁體與樁側(cè)土體間的差異沉降

由圖7可知:樁側(cè)土體與跨中板下土體的差異沉降量隨埋深的增加逐漸增大,且運營期的差異沉降量大于建設(shè)期的差異沉降量。進一步將圖6 b)與圖7進行對比,可以發(fā)現(xiàn)樁側(cè)土與跨中板下土體的差異沉降量與樁側(cè)摩阻力呈正相關(guān)關(guān)系,差異沉降量越大,樁側(cè)摩阻力越大。

將圖6 b)和圖8進行對比可知:由于復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基樁端未插入持力層中,且因樁體和土體的剛度差異及承載板的限制作用,在上部荷載作用下,樁端會發(fā)生向下的刺入變形,因此樁側(cè)阻力是自下而上逐漸發(fā)揮作用的。當(dāng)樁側(cè)摩阻力達到極限值后,樁體與樁側(cè)土體便發(fā)生相對滑移,即:在建設(shè)期僅樁底以上一小段樁體與樁側(cè)土體發(fā)生相對滑移;在運營期,由于上部荷載增大,樁側(cè)摩阻力達到極限值的范圍增大,樁體與樁側(cè)土發(fā)生相對滑移的范圍向上擴充。

3.4 樁長因素分析

進一步對不同樁長條件下有軌電車線路復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的力學(xué)性能進行分析,樁長L分別取13 m、16 m、19 m及22 m共4種工況。提取運營期不同樁長工況下復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的跨中板下土體附加應(yīng)力隨埋深的變化曲線,如圖9所示。由圖9可知:不同樁長工況下,跨中板下土體的附加應(yīng)力均在樁底下方1～2 m處達到最大值,且最大值比較接近;樁長范圍內(nèi)跨中板下土體附加應(yīng)力的大小隨L的增大而減小,其主要與承載板直接作用在土體表面的荷載大小及樁側(cè)摩阻力的大小有關(guān)。

圖9 不同樁長工況下運營期跨中板下土體附加應(yīng)力隨埋深變化曲線

不同樁長工況下,建設(shè)期和運營期跨中板下土體沉降量隨埋深的變化曲線如圖10所示。

由圖10可知:隨著復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基樁長的增大,建設(shè)期和運營期跨中板下土體的沉降量均呈減小趨勢。

不同樁長工況下,運營期的樁體軸力和樁側(cè)摩阻力隨埋深的變化曲線如圖11所示。由圖11可知:除了L=13 m的樁外,另外3組復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基的樁頂軸力大小基本相同,即這3組復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基中樁體承擔(dān)的上部荷載大小相差不大,而L=13 m的樁由于接近或達到樁體的極限承載力而無法承擔(dān)更大的荷載。這說明在樁體極限承載力范圍內(nèi),適當(dāng)減小樁體長度并不會顯著減小樁體所能承擔(dān)的上部荷載大小,且能更充分地發(fā)揮樁體的承載能力。

圖11 不同樁長工況下運營期的樁體軸力和樁側(cè)摩阻力隨埋深的變化曲線

不同樁長工況下,運營期的樁側(cè)土體與跨中板下土體間、樁體與樁側(cè)土體間的差異沉降情況如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可知:隨著樁長的增加,樁側(cè)土體與跨中板下土體的差異沉降量呈減小趨勢,即相同埋深位置的樁側(cè)摩阻力減小;樁長越長,樁體與樁側(cè)土體發(fā)生相對滑移的距離越小,且相對滑移的長度越小,即樁體充分發(fā)揮樁側(cè)摩阻力的長度越小。

圖12 樁側(cè)土體與跨中板下土體間的差異沉降

圖13 樁體與樁側(cè)土體間的差異沉降

4 結(jié)論

1) 深厚軟土地區(qū)有軌電車線路復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基跨中板下土體的附加應(yīng)力隨埋深增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化規(guī)律,且在樁底下方1～2 m處附近達到峰值。同時,土體沉降變形主要發(fā)生在樁頂和樁底一定范圍內(nèi)。

2) 樁體的承載力主要由樁側(cè)摩阻力提供。樁體沉降一般大于跨中板下土體沉降。樁體不會出現(xiàn)負(fù)摩阻力區(qū)域。樁側(cè)土體與跨中板下土體間的差異沉降量與樁側(cè)摩阻力呈正相關(guān)關(guān)系。隨著荷載的增大,樁側(cè)摩阻力自下而上逐漸達到極限摩阻力,同時樁體與樁側(cè)土體間產(chǎn)生差異沉降,即兩者間發(fā)生了相對滑移。

3) 隨著復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)路基樁長的增大,板下土體沉降量逐漸減小。在樁體極限承載力范圍內(nèi),適當(dāng)減小樁體長度,并不會顯著減小樁體所能承擔(dān)的上部荷載大小,且能更充分地發(fā)揮樁體的承載能力。