高速鐵路路基樁板結(jié)構(gòu)差異沉降限值探討

盧 煒，唐廣輝，紀(jì)文利，鄧 帥，張雄峰

(1.中國中鐵股份有限公司，北京 100039；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

高速鐵路路基樁板結(jié)構(gòu)差異沉降限值探討

盧 煒1，唐廣輝2，紀(jì)文利2，鄧 帥2，張雄峰2

(1.中國中鐵股份有限公司，北京 100039；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

樁板結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，各樁之間的差異沉降會引起顯著的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，把空間結(jié)構(gòu)近似簡化成平面結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，分別對5 mm和2 mm的差異沉降進行內(nèi)力計算。計算過程中綜合考慮溫度變化，混凝土收縮徐變，列車動力作用，不同樁位發(fā)生支座下沉，采用6種工況組合分別計算，得出不同差異沉降對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

高速鐵路；樁板結(jié)構(gòu)；差異沉降限值；內(nèi)力變化

1 概述

樁板結(jié)構(gòu)路基具有構(gòu)造機動靈活、適應(yīng)性強、施工方便、工作效率高，施工難度低，工后沉降較易控制等優(yōu)點，已經(jīng)使用于客運專線的某些地基處理中。由于樁板結(jié)構(gòu)是一種新型超靜定結(jié)構(gòu)，各種規(guī)范對其提及較少，而設(shè)計過程中又迫切需要驗算其要求的各種指標(biāo)[1-3]，因此結(jié)合實際工作對各項設(shè)計限值進行探討非常必要。

2 問題的提出

樁板結(jié)構(gòu)兼具路基和橋涵結(jié)構(gòu)的特征，目前僅在《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)范》(TB10106—2010)中明確提到此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載，如表1所示[4]。

但規(guī)范沒有提出與表1中所提及的設(shè)計荷載相對應(yīng)的設(shè)計安全限值，例如規(guī)范要求計算橫向的離心力、搖擺力、地震力，但并未對結(jié)構(gòu)的橫向位移提出設(shè)計限值；規(guī)范要求考慮縱向的牽引力和制動力，但也沒有縱向位移設(shè)計限值方面的要求。對于樁板結(jié)構(gòu)最主要的沉降問題，規(guī)范要求依據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進行計算。

查閱《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》：超靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺沉降量之差的容許值應(yīng)根據(jù)沉降差對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響確定。也就是說規(guī)范并沒有明確沉降差是多少，需要結(jié)合結(jié)構(gòu)內(nèi)力自行確定。

表1 樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載

3 相關(guān)規(guī)范的理解

如果按照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》6.3.2條基樁的構(gòu)造要求，“鉆孔灌注摩擦樁中心距不小于2.5倍成孔樁徑”[5]。6.3.5條承臺板的厚度和配筋應(yīng)根據(jù)受力情況按照計算確定。

可以理解為如果樁間距大于2.5倍的成樁直徑，則可能產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)不利的內(nèi)力，也就是說當(dāng)樁間距大于2.5倍的成樁直徑時，需要考慮差異沉降產(chǎn)生的內(nèi)力。此時不按照構(gòu)造配筋，而是按照計算配筋，但6.3.5條文解釋中說目前還沒有較好用于分析承臺板的計算方法。

目前所使用的樁板結(jié)構(gòu)沿線路縱向樁間距與樁徑的比例介于5～7倍，橫向樁間距與樁徑的比例3～5倍，均需要考慮差異沉降。

如果依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)，樁基礎(chǔ)需要“按照樁徑和樁間距的關(guān)系[6]，分為單樁(單排樁或疏樁)和群樁分別計算：對于樁中心距不大于6倍樁徑的樁基，按照群樁考慮，對于樁中心距大于6倍樁徑的樁基，按照單樁或單排樁計算”。

目前所使用的樁板結(jié)構(gòu)沿線路縱向樁間距與樁徑的比例介于5～7倍，處于臨界狀態(tài)。橫向樁間距與樁徑的比例3～5倍，可以比照群樁計算，不考慮差異沉降。

4 對結(jié)構(gòu)的試算

由于規(guī)范對此類結(jié)構(gòu)并沒有具體的規(guī)定，為此本次研究結(jié)合工點設(shè)計，按照沉降差5 mm和2 mm分別試算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，結(jié)合計算結(jié)果提出修訂沉降差限值的推薦意見。

4.1 設(shè)計基礎(chǔ)條件

按照《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》，行車速度200 km/h，雙線，線間距4.60 m，鋪設(shè)有砟軌道，軌道荷載：鋼軌0.606 4 kN/m，軌枕及扣件3.7 kN/根，每千米鋪設(shè)1 667根[7]；道床厚度30 cm，容重γ=20 kN/m3，每延米鋪設(shè)2.11 m3。

單線軌道荷載p=0.604 6×2+20×2.11+3.7×1.667=49.6 kN/m

列車荷載采用ZK荷載，荷載動力系數(shù)[8]

0.1(Hc-1.0)=1.3

(其中Lφ=6×1.3=7.8，Hc=1.186)

樁板結(jié)構(gòu)尺寸：

承載板長度23 m，寬10.5 m，板厚0.8 m，板采用C40鋼筋混凝土澆筑，容重γ=25 kN/m3，彈性模量E=3.40×104MPa；樁徑1.0 m，縱向設(shè)樁4排，跨度(2.5+6+6+6+2.5) m=23 m，橫向設(shè)3根樁，跨度(1.25+4+4+1.25)=10.5 m；樁長15 m，樁采用C35鋼筋混凝土灌注，彈性模量E=3.30×104MPa；板上級配碎石厚度0.7 m，容重γ=22 kN/m。

其基本橫斷面結(jié)構(gòu)形式和平面布置見圖1。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)橫斷面和平面布置(單位：m)

4.2 計算單元劃分

假設(shè)上部荷載均勻分配，取3.5 m寬度的縱向板和下部的1列樁為1個計算單元，單元劃分見圖2[9-11]。(橫向計算單元類似，包含一塊6.0 m寬的荷載板和下部3根樁，附圖略)。

圖2 縱向計算單元(單位：m)

4.3 荷載分析

參照涵洞的設(shè)計荷載，考慮結(jié)構(gòu)自重、上部級配碎石和雙線軌道豎向荷載、雙線列車荷載及動力作用，均勻溫度變化和混凝土收縮徐變的影響，不計橫向沖擊力、搖擺力和列車制動力[12]。溫度變化：假設(shè)工點位于吉林省吉林市，一月份平均氣溫-20 ℃，七月份平均氣溫+20 ℃，假設(shè)施工合龍溫度為+10 ℃，即升溫10 ℃和降溫30 ℃?；炷潦湛s徐變(施工方法按照整體澆筑鋼筋混凝土，降溫15 ℃)，溫度變化和混凝土收縮徐變同時考慮，即溫度變化為降溫5～45 ℃。

4.4 支座位移

取5 mm。

4.5 設(shè)計工況組合(表2)

表2 設(shè)計工況組合(5 mm支座沉降)

4.6 荷載影響線

因荷載對稱，結(jié)構(gòu)也是對稱結(jié)構(gòu)，故圖3單元中點為控制截面，最大荷載對稱布置在(3)單元中點兩側(cè)即可?？v向荷載對彎矩影響線見圖3。

圖3 對(3)單元中點彎矩影響線

加載形式見圖4。

圖4 加載形式(荷載單位：N)

圖4各桿件荷載：

1、2、4、5單元均布荷載 (70.0+53.9+33.067+55.5) kN/m=212.467 kN/m；

3單元均布荷載(70.0+53.9+33.067) kN/m=156.967 kN/m；

3單元作用4個集中力荷載173.333 kN(橫向間距1.6 m)。

4.7 計算結(jié)果

按照上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，承載板縱橫向設(shè)計內(nèi)力計算結(jié)果見表3、表4。

再次取2 mm差異沉降進行試算(荷載和溫度變化同支座位移5 mm的情況，所以工況1，2同表2中工況1，2條件相同)，工況組合見表5，縱向板計算結(jié)果見表6。

表3 承載板縱向設(shè)計內(nèi)力(差異沉降5 mm)

表4 承載板橫向設(shè)計內(nèi)力(差異沉降5 mm)

表5 設(shè)計工況組合(2 mm支座沉降)

表6 承載板縱向設(shè)計內(nèi)力(差異沉降2 mm)

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解，板縱向代表性內(nèi)力見圖5、圖6(以設(shè)計工況2-6為例)。

板縱向工況2-6內(nèi)力計算結(jié)果數(shù)據(jù)及板橫向設(shè)計內(nèi)力取值，見表7、表8。

圖6 工況2-6剪力圖

圖5 工況2-6彎矩圖

桿端1桿端2單元碼軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)1-0.000000020.000000000.00000000-0.00000002-531167.500-663959.3752371878.781602565.62740858.8278371878.781-672236.372-168153.4073591129.219496353.392374786.120591129.219-1138747.60-1543842.764496279.9491002410.17-1702810.65496279.949-272391.820487244.42250.00000004531167.500-663959.3750.000000040.000000000.000000006-1133733.12371878.781-704818.202-1133733.12371878.7811154575.707-1168589.76219250.438-542939.527-1168589.76219250.438553312.6638-2141157.78-94849.2700158967.883-2141157.78-94849.2700-315278.4669-803559.320-496279.9491151203.79-803559.320-496279.949-1330195.95

表8 板橫向設(shè)計內(nèi)力取值(差異沉降2 mm)

板橫向代表性內(nèi)力圖見圖7、圖8(以設(shè)計工況2-6為例)。

圖7 工況2-6彎矩圖

圖8 工況2-6剪力圖

板橫向工況2-6內(nèi)力計算結(jié)果數(shù)據(jù)，見表9。

將5 mm和2 mm支座位移的計算結(jié)果匯總，見表10。

分析上述計算結(jié)果可以總結(jié)出以下幾點：

(1)在5 mm的差異沉降情況下，板縱向彎矩提高2.28～2.71倍，剪力提高1.77倍，板橫向彎矩提高5.49～6.72倍，剪力提高2.57倍；在2 mm的差異沉降情況下，板縱向彎矩提高1.18～1.45倍，剪力提高1.25倍，板橫向彎矩提高2.48～2.76倍，剪力提高1.54倍。

表9 板橫向內(nèi)力計算結(jié)果(設(shè)計工況2-6)

(2)工況1-2內(nèi)力大于工況1-1，工況2-2內(nèi)力大于工況2-1，說明在其他情形相同時，溫度變化越大，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力越大。

表10 5 mm和2 mm支座位移對應(yīng)的板設(shè)計內(nèi)力取值

(3)在相同的差異沉降下，板橫向應(yīng)力明顯高于縱向應(yīng)力，內(nèi)力提高倍數(shù)橫向也明顯大于縱向，主要是因為橫、縱向取的板帶寬度和樁間距(橫向板寬6 m，樁間距4 m；縱向板寬3.5 m，樁間距6 m)不同，板橫向抗彎剛度明顯大于縱向，在相同的差異沉降下，造成的橫向內(nèi)力大于縱向內(nèi)力，內(nèi)力提高效果也明顯大于縱向。

(4)由于選擇的工點位于全風(fēng)化基巖地區(qū)的短路基地段，各樁沉降相對易于控制，所以縱向選擇2 mm作為差異沉降限值，橫向樁間距大部分為3～4倍樁徑，可不考慮差異沉降影響。

(5)關(guān)于橫向布樁數(shù)的選擇，當(dāng)橫向采用2根樁時，計算的各項指標(biāo)差別不大，但結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)減少，安全儲備不如超靜定次數(shù)較多的橫向3根樁的布樁方式。但橫向布樁數(shù)的增加導(dǎo)致施工孔數(shù)增加，費用增大，具體設(shè)計時需結(jié)合工點的具體情況選擇橫向布樁數(shù)量。

5 結(jié)論

(1)本文的計算對結(jié)構(gòu)進行了一定的簡化，尤其將空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)，對結(jié)果有一定影響，但正如《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》6.3.5條文解釋中所說，目前還沒有較好用于分析承臺板的計算方法，本文的簡化計算可以看做是一種探索和嘗試。

(2)通過具體工點設(shè)計，全面考慮溫度變化，混凝土收縮徐變，列車動力作用，分別計算樁板結(jié)構(gòu)在5 mm和2 mm支座位移降情況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，得出了差異沉降對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，差異沉降越大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力累計越多，過大的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對上部承載板的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出較高要求，但并不是差異沉降越小越好，因為較小的差異沉降控制意味著需要通過大量工程措施來控制各樁之間的沉降差，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)工程費用的大幅度增加。

(3)合理差異沉降限值的選擇，與多種因素密切相關(guān)，首先是地質(zhì)情況，如果地層穩(wěn)定，各樁的差異沉降控制較易實現(xiàn)，則選擇2 mm等嚴(yán)格的指標(biāo)，以節(jié)省板的費用。反之，地層多變，各樁沉降差控制難度大，則選擇相對寬松的控制標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省樁的費用，通過加強板的結(jié)構(gòu)設(shè)計來滿足要求。

(4)構(gòu)造方面的控制對結(jié)構(gòu)非常必要，建議每3～4排樁設(shè)置1道伸縮縫，可以大幅避免不均勻沉降和溫度應(yīng)力的不利影響累積。

[1] 蔣關(guān)魯，房立鳳.無砟軌道跨涵洞樁板結(jié)構(gòu)路基及過渡段設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(9)：1-4．

[2] 肖宏,郭麗娜.樁板結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用研究 [J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010(2)：47-50.

[3] 王峰.高速鐵路樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀及研究方向[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2011(6)：27-31．

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10106—2010 鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

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[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10106—2010 新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2009．

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[9] 肖宏，郭麗娜.樁板結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010(2)：47-50 ．

[10] 姚洪錫.武廣客運專線軟土地基樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2006．

[11] 丁兆鋒.鄭西客運專線濕陷性黃土路基樁板結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2004．

[12] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

Approach to Differential Settlement Limit Value of High-speed Railway Subgrade Pile-plank Structure

Lu Wei1， Tang Guanghui2， Ji Wenli2， Deng Shuai2， Zhang Xiongfeng2

(1.China Railway Group Co.， Ltd.， Beijing 100039, China; 2.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055, China)

Subgrade pile-plank structure belongs to hype static structure， and the differential settlement between piles will cause significant structural internal force. By means of structure simplification， the space structure can be approximately simplified into a plane structure. With structural mechanics analysis， the internal forces in 5 mm and 2 mm differential settlement are calculated respectively. Considering the temperature variation， shrinkage and creep of concrete， train dynamic action and support displacement of different piles related to calculation， the influences of various differential settlements on the structural internal forces are calculated respectively with respect to 6 kinds of working conditions。

High-speed railway; Pile-plank structure; Differential settlement limit value; Structural internal force variation

2014-03-31；

：2014-05-07

盧 煒(1977—)，男，高級工程師，2000年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工學(xué)碩士。

1004-2954(2014)11-0057-05

U213.1+57

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.014