巖溶地基樁板結構設計實例

王　亮

(中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴州貴陽 550002)

巖溶在我國西南地區廣泛分布，工程設計中應盡量繞避巖溶發育地區，當繞避困難時，對影響地基穩定性的巖溶，可根據其大小、埋深、圍巖穩定性及水文地質條件等綜合分析采取不同的處理措施。樁板結構剛度大，承載力高，可有效控制路基的沉降及不均勻沉降，所以對于洞口較大的巖溶洞隙，可考慮使用樁板結構進行處理。巖溶地區往往地層變化很大，造成樁周巖土體對各個樁基的側向抗力差別很大，這就容易產生樁板結構的剛度分配不均勻，結構變形不易協調，很容易在各種荷載特別是溫度荷載的作用下發生應力集中和局部裂縫的問題，對樁板結構的正常使用及耐久性等造成影響。本文結合一工程實例探討樁板結構在巖溶地基處理中的一些問題。

1　工程實例概況

某新建鐵路設計速度目標值120 km/h，按鋪設有碴軌道標準設計，路基設計中有一長約20 m的路塹地段，上覆土層為軟塑狀黏土、紅黏土互層，其中軟塑狀黏土分布于局部地面表層(厚4～7 m)和基巖接觸面(厚1～4 m)，紅黏土普遍分布于地表，厚約10 m，局部具有弱膨脹性。下伏基巖為弱風化白云巖、灰巖夾頁巖，薄層至中層狀為主，巖質較堅硬，節理較發育。基巖內鉆孔揭示有串珠狀溶洞，溶洞高度11 m左右，周邊地表見巖溶泉水、洼地發育，巖溶發育強烈。經過方案會審，該段路基采用埋入式樁板結構跨越溶洞處理。設計中考慮到本段路基地質條件較差，為改善樁板結構的受力條件，提高樁板結構的安全儲備，樁板結構加固范圍內的土層采用旋噴樁加固，加固深度至基巖強(弱)風化層以下0.5 m。樁板結構承載板采用C35混凝土，板長24 m，寬4.5 m，高0.6 m。樁基采用C30混凝土，與承臺板固結，樁嵌入承臺板內不小于10 cm，共10根樁，樁徑1.2 m，橫向樁間距2.5 m，縱向樁間距5 m(圖1)。

圖1　樁板結構加固示意(單位：m)

2　樁板結構的受力分析

2.1　模型的建立和計算參數的選取

將樁板結構簡化為二維框架結構，承載板及樁基混凝土的相關參數根據現行混凝土結構設計規范[1]進行取值。計算中假定樁頂與承載板及樁底與基巖的連接形式均為固結，巖層的地基系數為200 000 kN/m3，假設溶洞及溶蝕破碎帶不對樁產生抗力，樁頂處土層的地基系數取為30 000 kN/m3，地基系數隨深度變化的比例系數取為2 500 kN/m4[2]。

2.2　靜荷載作用下樁板結構的受力分析

樁板結構受到諸多荷載的影響，由于該樁板結構設置在普通鐵路上，且為埋入式，所以除溫度荷載外，樁板結構主要受到列車荷載、軌道結構及樁板結構上部墊層靜荷載的影響。將上述荷載簡化為均布荷載作用在板面上，約為60 kN/m2。計算結果表明，產生的彎矩主要由承載板承擔，最大彎矩出現在1#樁與板連接處，為468.0 kN·m，其次為5#樁與板鏈接處產生的彎矩為440.0 kN·m，其余樁與板連接處產生的彎矩為303.9～391.8 kN·m，總體來說彎矩相差不大。產生彎矩大小不等的原因主要是由于各個樁基的剛度不均造成的。相比其他樁，1#樁和5#樁較短且樁周巖土體的抗力較大，特別是1#樁大部分處于基巖中，所以剛度明顯大于其余樁，因此在均布荷載作用下產生了較大的彎矩。

2.3　溫度荷載作用下樁板結構的受力分析

混凝土結構在澆筑完成后會產生收縮，混凝土收縮的影響，可按降低溫度的方法來計算，對于整體澆筑的混凝土結構，可取降低溫度20 ℃。外界環境溫度的變化也會使該樁板結構產生溫度應力，外界溫度變化主要指季節性整體溫度升降和日照溫差。由于樁基埋置較深，上述兩種溫差變化都不大，所以在計算中忽略樁基溫度變化的影響。在計算中對承載板施加的溫度荷載為：(1)板均勻溫度變化30 ℃；(2)板頂面與底面溫差6 ℃。以上溫差的取值是根據工程所在地區的氣候特點及樁板結構的埋深大致估算的，其中對板施加的30 ℃的均勻溫度荷載包括季節溫差和混凝土收縮等效溫差之和，實際上收縮等效溫差是由小到大單調變化的，而季節溫差是周期變化的，兩者不能簡單疊加，計算中對此做了適當的簡化。

當對承載板整體施加-30 ℃的溫度荷載時，算得板的軸力分布大致呈中部大而逐漸向兩端減小的趨勢，樁頂位移呈由內到外逐漸增大的趨勢，1#樁的水平位移為1.7 mm，5#的水平位移為3.8 mm，位移沒有對稱分布顯然是剛度差異造成的。樁板結構的彎矩示意圖見圖2。

圖2　對承載板施加-30℃的溫度荷載時樁板結構彎矩示意

由圖2可知樁板結構的彎矩分布極不均勻，可見整體溫度升降時樁板結構產生的應力大小受各剛度差異的影響是很大的， 1#樁、4#樁和5#樁上及這三根樁與承載板連接處產生的較大的彎矩，其中最大彎矩產生在4#樁與承載板的連接處為1 280 kN·m。

當板頂面與底面溫差6 ℃時，其主要影響是使承載板產生彎矩，跨中如圖3所示。最大彎矩為330 kN·m。

圖2　當板頂面與底面溫差6℃時樁板結構彎矩示意

從以上的計算不難看出，按理論計算得到的連續式樁板結構溫度應力是很大的，甚至數倍于普通荷載，而在工程實際中，由于混凝土的徐變松弛特性使得溫度應力大大小于理論值，根據文獻[3],可將有限元彈性計算的溫度應力乘以系數0.3作為實際作用于結構上的溫度應力。乘以該系數后的溫度應力也是相當大的，尤其是結構各部分應力分布的不均勻造成了配筋設計的困難。如果將1#樁和5#樁與承載板的連接形式由固結改為簡支的話可顯著改善樁板結構的受力狀況，特別是可以大大降低溫度應力的影響。

各種荷載作用下往往會使混凝土結構產生徐變及微裂縫，是構件不斷滿足變形的要求，從而使應力得到很大的松弛，對結構受力是有利的，所以一般在混凝土工程中容許出現較小的無害裂縫而需要控制過大的有害裂縫。在諸如連續式樁板這種受溫度荷載影響較大的超靜定結構的設計及施工中更要注意裂縫的控制，在混凝土選材方面主要從降低收縮、降低水化熱及提高抗拉性能方面確定混凝土的配合比、摻合料及外加劑，在施工方面要嚴格控制施工質量，提高混凝土結構的均勻程度，降低混凝土裂縫的離散型和隨機性，達到顯著提高結構抵抗溫度荷載能力的目的。

3　結論與建議

在巖溶地區的樁板結構設計中要注意結構各部分剛度分配是否合理的問題，必要時改變部分樁與板的連接形式，達到結構的變形協調、減少應力集中，提高承載力目的。溫度荷載對連續式樁板結構的影響很大的，除了在結構設計中盡量減少溫度應力外，還要嚴格控制施工質量，以提高結構抵抗溫度荷載的能力。