山區既有鐵路聲屏障基礎選型研究

朱璇

中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070

摘 要 山區既有鐵路新增聲屏障工程，基巖埋深較淺，采用傳統的挖孔灌注樁基礎，需通過人工開鑿進行基礎開挖，施工周期長、難度大。采用巖石錨桿基礎，可充分利用巖石地基良好的承載力，有效減小聲屏障基礎的埋深和尺寸。本文通過工程實例對比分析挖孔樁與錨桿基礎結構檢算的特點及關鍵參數，并比較了兩方案在工期和投資上的差異，為今后的實際應用提供參考依據。

關鍵詞 路基聲屏障;巖石地基;錨桿基礎

引言

目前我國既有鐵路電氣化項目逐漸增多，電氣化后列車運行速度提高，對沿線居民產生較大的噪音污染，一般在居民聚集區等敏感點設置聲屏障，降低對沿線居民的噪音干擾。鐵路屬于帶狀工程，跨越地區范圍大，沿線地質情況復雜多變，可能同時存在土質和巖石地基，聲屏障基礎需有不同形式與之適應。

目前錨桿基礎在地下工程的抗浮設計中應用較為廣泛，但在聲屏障基礎設計中卻應用很少，本文結合蕪湖至廣德鐵路電氣化改造工程蕪湖至宣城段皖贛線K0+900～k1+200左側巖石路塹段聲屏障基礎設計，全面分析比較挖孔灌注樁與錨桿基礎應用于巖石地基聲屏障基礎的受力特點、結構檢算要求、工期和造價的差異，梳理錨桿基礎的優越性，推廣在巖石地基聲屏障基礎中的應用[1]。

1工程概況

1.1 工程地質條件

本工程位于安徽省東部，皖贛線K0+000～K6+200為長江沖積平原，場地地層上部分布第四系全新統粉質黏土：灰黃～黃褐色，軟～硬塑，厚度為2.0～3.5m，地基承載力120kPa，下部分布三疊系石灰巖，灰褐～青灰色，弱風化，Ⅴ級次堅石，地基承載力800kPa。地下水為碳酸鹽巖類裂隙水，富水性極不均勻，分布于石灰巖中，地下水無化學侵蝕性，地震動峰值加速度為0.05g。

2工程方案比選

鐵路路基聲屏障基礎一般采用擴展基礎和樁基礎。對于常見的擴展基礎，基礎土方大開挖可能導致既有路基坍塌，影響施工人員及鐵路運營安全。樁基礎一般適用于淺層地基條件不滿足承載力和變形要求的土質場地。既有線聲屏障基礎施工碰到巖石路塹地基往往是施工單位較為頭痛的，采用常規的擴展基礎或樁基礎需要較大的基礎埋深，不僅不能有效利用巖石地基良好的承載力特點，因臨近既有營業線施工不容許采用爆破施工，會導致人工開鑿巖石費時費力，工效低下，從施工角度考慮操作性較低。

巖石錨桿基礎通過設置于基礎底面的錨桿，將基礎與基巖連接在一起，巖石基礎可以很好地承受上部結構傳導而來的彎矩及豎向壓力，可減小基礎埋深及尺寸。錨桿基礎開挖較小，錨桿結構施工工藝成熟，工效高，可實現縮短工期與節約投資，巖石地段聲屏障采用錨桿基礎無疑是一種合適的選擇。

2.1 常規挖孔樁基礎方案

根據臨近營業線施工特點，聲屏障基礎可采用人工挖孔灌注樁，樁基開挖時采用C30鋼筋混凝土護壁，樁基初擬尺寸為：樁徑1.0m，樁長5.5m，按樁基檢算方法對結構安全性進行驗算[2]。

（1）基礎頂面設計荷載

聲屏障立柱高3m，間距4m，聲屏障基礎結構主要承受風荷載和結構自重荷載。經計算風荷載為1.1kPa，立柱自重為1.2kN，屏體自重21.2kN。由立柱及系梁傳至基礎頂面的水平荷載為18.6 kN，豎向荷載為26.8 kN，彎矩為27.8 kN·m。

（2）樁基豎向承載力和水平承載力驗算

支撐于巖石地基的挖孔灌注樁豎向容許承載力為

式中：U為嵌入巖層內樁的周長;為自新鮮巖層面算起的嵌入深度;為各土層厚度;和為根據巖石層破碎程度和清底情況確定的系數。

土的容許承載力為81.5 kPa

經計算，樁基前后緣豎向最大壓應力為20kPa，小于巖石地基承載力，基底豎向壓應力滿足要求。

（3）樁的嵌巖錨固深度驗算

聲屏障上部傳至樁基的彎矩主要由樁基側壁巖石承受，樁基嵌巖深度應滿足下式：

式中：為樁下端錨固點處的彎矩;為根據巖層構造在水平方向的巖石容許壓力換算系數;為樁間土的極限承載力;為樁基直徑。

計算得最小滿足深度滿足要求。

（4）樁頂水平位移驗算

挖孔樁基作為聲屏障的基礎，滿足正常使用不僅要滿足承載力等要求，樁頂水平位移亦不難超過規范限制，根據地基系數的比例系數，樁頂水平位移計算公式如下：

式中：為基礎旋轉中心至地面的距離，為基礎埋深，為基礎轉角。

考慮為嵌入巖層內的基礎，基礎的旋轉中心與基底截面重心相吻合，上式中基礎轉角按以下公式計算：

式中：為樁頂彎矩，為樁頂水平力，為樁基位于土層中的長度，為基礎側面土抗力的計算寬度，為地基系數的比例系數，為基底土豎向地基系數，為基礎底面順外力方向的基礎長度，為基底截面抵抗矩。

計算得樁頂最大位移為4.4mm，小于5mm，滿足規定要求。

2.2 巖石錨桿基礎設計方案

為充分利用巖石地基良好的力學特性，本工程采用條形錨桿基礎，基礎尺寸寬1.86m，高0.5m，采用C30鋼筋混凝土現場澆筑，錨桿孔徑80mm，錨桿鋼筋采用φ22的螺紋鋼筋，錨桿間距3m，灌漿材料采用M30水泥砂漿，具體設計方案如圖2所示。

2.3 錨桿基礎的檢算

（1）錨桿基礎中單根錨桿所承受的拔力

式中：為荷載效應標準組合下，第根錨桿所承受的拔力值;為相應于荷載效應標準組合作用在基礎頂面上的豎向力;為基礎自重及其上的土自重;為錨桿根數;為按荷載效應標準組合計算作用在基礎底面形心的力矩值;為第根錨樁至基礎底面形心的軸線的距離[3]。

（2）錨桿抗拔承載力驗算

按砂漿與巖石間的黏結強度確定的單根錨桿的抗拔承載力如下

式中：為錨桿孔直徑;為錨桿的有效錨固長度;為砂漿與巖石間的黏結強度特征值。

計算的錨桿最大拔力小于錨桿抗拔承載力特征值。

（3）錨桿鋼筋與砂漿之間錨固長度驗算

按錨桿鋼筋和錨固砂漿間的黏結強度確定的錨固長度為

式中：為工程重要性系數;為錨桿鋼筋直徑;為鋼筋與錨固砂漿間的黏結強度設計值;為鋼筋與砂漿黏結強度工作條件系數。

計算得：，不超過8.5m，故滿足要求。

（4）錨桿基礎抗傾覆穩定性驗算

路基聲屏障在使用過程中會受到橫向風作用在基礎底面產生較大的彎矩即傾覆力矩，使基礎有繞基底邊緣傾覆的風險，結構自重及錨桿抗拔力提供抗傾覆力矩，應驗算抗傾覆穩定性，抗傾覆安全系數如下：

式中：為抗傾覆力矩;為傾覆力矩;為基底中心的到邊緣的距離;為受拉錨桿到基底邊緣的距離。

通過計算得：，滿足抗傾覆要求。

3兩種方案經濟技術對比分析

通過對人工挖孔灌注樁與巖石錨桿基礎的結構檢算，驗證了兩種設計方案的理論可行性。下面將對兩種方案的基礎土石方開挖量、混凝土用量、鋼筋用量及施工工期進行對比分析，各項指標如下表1所示，表中數據顯示巖石錨桿基礎在土石方開挖量、用鋼量、工期等方面均有優勢[4]。

4結束語

對于既有鐵路路基新設置聲屏障，由于既有線開挖對鐵路運營會產生影響，需要采用安全、經濟、高效的基礎設計方案。本文通過工程實例分析人工挖孔灌注樁與巖石錨桿基礎結構驗算過程，并對比兩種基礎類型經濟性與施工工期，驗證了錨桿基礎在巖石地基中應用的優越性。目前本工程已經施工完成，經過觀測各項變形數據均滿足要求，使用情況良好。

參考文獻

[1] JGJ94-2008.建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2] GB50007-2011.建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] 張文勇.巖石錨桿基礎在風電基礎工程中的應用與研究[D].湘潭：湖南科技大學，2015.

[4] 李萌.巖石錨桿基礎在冶金工業廠房中的應用與分析研究[D].鞍山：遼寧科技大學，2012.