復(fù)合梁板式樁板結(jié)構(gòu)鐵路路基的力學(xué)特性研究

鄭翠玲 龔哲 彭均陽

摘要：以黔張常快速鐵路咸豐段復(fù)合梁板地基工程為背景，對復(fù)合梁板式樁板結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力和變形監(jiān)測，對其內(nèi)力特性進行研究，為復(fù)合梁板式樁板結(jié)構(gòu)形成系統(tǒng)的設(shè)計理論、設(shè)計方法及其在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。結(jié)果表明樁身軸力隨深度的增加而減小，樁側(cè)摩阻力始終為正，對于樁徑較大的樁，其樁側(cè)摩阻力的作用更加明顯;承載板和縱橫梁的實測鋼筋應(yīng)力比設(shè)計計算的應(yīng)力小20%左右;梁有效地分擔(dān)了板的荷載，從而避免了板厚過大的問題。

關(guān)鍵詞：鐵路路基;樁板結(jié)構(gòu);力學(xué)變形特性

樁板結(jié)構(gòu)類似于筏板基礎(chǔ)，有較好的整體性，結(jié)構(gòu)布置形式靈活多樣，在鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，如在遂渝無砟軌道綜合試驗段線路上，由于該段土質(zhì)松軟，為了較好控制工后沉降而使用了樁板結(jié)構(gòu)[1]，鄭西高速鐵路需穿越深厚的濕陷性黃土區(qū)，為保證鐵路達到高鐵運行速度而采用了托梁式樁板結(jié)構(gòu)[2]。在理論研究方面，不少學(xué)者在設(shè)計理論、數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場試驗等方面取得了一定的成果，中鐵二院、西南交通大學(xué)等單位以遂渝鐵路建設(shè)為背景，對無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)路基進行了較系統(tǒng)的研究[3，4]，孔峰[5]結(jié)合鄭西客專對濕陷性黃土地區(qū)中樁板結(jié)構(gòu)路基中的設(shè)計參數(shù)進行探討，姚洪錫[6]等利用數(shù)值分析軟件對鄭西客專樁板結(jié)構(gòu)路基進行了不同方面的研究。

傳統(tǒng)的樁和承載板組合結(jié)構(gòu)為防止沖切破壞需要配置厚度很大的板，導(dǎo)致造價高，材料浪費。復(fù)合梁板式樁板結(jié)構(gòu)中的縱橫梁改變了結(jié)構(gòu)的傳力路徑，增大了板的抗沖切面積，大大降低由于高路基荷載帶來的沖切作用，從而減小構(gòu)件尺寸。對樁、板、縱橫梁應(yīng)力、承載板地板地基反力等進行了監(jiān)測，通過分析得到其受力特性及變形特征，以此評價其控制地基沉降及提高路基整體穩(wěn)定性的有效性，為巖溶區(qū)復(fù)合梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，控制地基沉降提供科學(xué)可靠的理論指導(dǎo)。

1 工程概況

黔張常鐵路是十二五綜合交通運輸體系規(guī)劃的雙線電氣化快速鐵路，位于武陵源山區(qū)，其中咸豐段DK49+526.22至DK49+913.22區(qū)間，屬巖溶強烈發(fā)育區(qū)，為跨越巖溶區(qū)采用了復(fù)合梁板式樁板結(jié)構(gòu)路基。結(jié)構(gòu)中承載板厚1m，縱橫梁高1.2m，二者整體澆筑，樁基為鉆孔灌注樁，樁徑1m，橫向間距7m，縱向間距5 m，復(fù)合梁板式樁板結(jié)構(gòu)每五跨為一聯(lián)。其平面布置圖及橫剖面圖如圖1、圖2所示。

2現(xiàn)場監(jiān)測方案

2.1 內(nèi)力監(jiān)測

1）樁內(nèi)力

選取DK49+825.8斷面的三根樁進行內(nèi)力監(jiān)測，其中A樁和E樁為邊樁，C樁位于中間。每根樁每個測點對稱布置兩個鋼筋計，測點間距2.5m。

2）縱橫梁內(nèi)力

縱橫梁內(nèi)力監(jiān)測布置圖如圖4所示，支座處鋼筋計布于梁上部，跨中處布于梁下部，每個測點處布置兩個鋼筋計。

3）板內(nèi)力

測點布置如圖5所示，在每塊板中部分別布置2個縱向和2個橫向鋼筋應(yīng)力測點。

2.2 地基反力

地基反力監(jiān)測測點分別布置在縱橫梁及板中間底部，布置圖如圖6所示。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

斷面于2016年10月12號開始樁基施工，2017年4月澆筑復(fù)合梁板，8月開始分層回填土，10月份完成路基的回填，靜置監(jiān)測至2018年2月，監(jiān)測周期為1年半。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的總結(jié)分析和轉(zhuǎn)化，選取了梁板開始澆筑、填土5m高和填土7.5m高三個時間節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析比較。

3.1 樁內(nèi)力

通過計算和轉(zhuǎn)化，畫出了三個時間節(jié)點的樁身軸力及樁側(cè)摩阻力沿深度的變化曲線，A、C、E三根樁的樁身軸力和樁側(cè)摩阻力沿深度變化趨勢相似，給出中間樁C樁的變化曲線，如圖7、8所示。

由圖可以看出，樁體主筋應(yīng)力隨著填土高度的增加而增大，沿著深度方向，樁身軸力逐漸減小;樁身摩阻力隨著填土高度的增加而增大，沿深度方向先增大后減小，且都為正摩阻力，說明隨著上部荷載的增加，樁側(cè)摩阻力逐步得到發(fā)揮。

3.2 縱橫梁內(nèi)力

1）縱梁內(nèi)力

對1#、2#、3#縱梁的應(yīng)力進行分析，應(yīng)力隨時間的變化曲線如圖9所示。支座處及跨中處的應(yīng)力均為正，縱梁跨中處下部受拉，支座處上部受拉，支座處的應(yīng)力始終比跨中處大。

2）橫梁內(nèi)力

DK49+825.8斷面處的橫梁應(yīng)力變化曲線如圖10所示。可以看出，橫梁應(yīng)力變化趨勢于縱梁一樣，隨著填土高度的增加而增加，支座處應(yīng)力比跨中處大，位于線路中部位置的應(yīng)力最大。

3.3 承載板內(nèi)力

承載板縱向、橫向應(yīng)力變化趨勢相似，縱向應(yīng)力變化如圖11所示。地板澆筑到開始填土前，板應(yīng)力變化不大，開始填土后，板應(yīng)力隨填土高度的增加而增大，填土高度5m前增加幅度較大，超過5m后增加應(yīng)力增加速率降低，這是因為地基反力及樁基逐漸發(fā)揮作用，承擔(dān)的荷載比逐漸增加。

3.4 地基反力

地基反力變化圖如圖12所示。墊層澆筑后混凝土達到強度需要一段時間，期間墊層自重完全由地基土承擔(dān)，當梁板澆筑完成后，地基反力有所增大，此后隨著填土高度的增加，地基反力不斷增大，但始終小于上部荷載。當填土高度達到7.5m時，荷載分擔(dān)比為25%，說明上部荷載不是完全由樁承擔(dān)，板和地基土接觸良好。

對比板和縱橫梁的數(shù)據(jù)可知，梁底地基反力總是比樁底地基反力小一些，這是因為樁與梁直接接觸，樁對梁有直接作用，且梁的剛度比板大，因此上部荷載傳遞到梁時梁更多傳遞給樁，地基反力相應(yīng)會小一點。

4 結(jié)論

通過對復(fù)合樁板結(jié)構(gòu)的樁、梁、板的應(yīng)力及地基反力進行監(jiān)測并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：

（1）樁軸力隨深度的增加而減小，樁側(cè)摩阻力隨著上部荷載的增加而增加且始終為正摩阻力，沿深度方向先增大后減小，對于樁徑較大的端承樁其樁側(cè)摩阻力的作用不應(yīng)忽視。

（2）板內(nèi)應(yīng)力隨填土高度的增加而增大，隨著地基土及樁的作用逐漸得到發(fā)揮，荷載逐漸傳遞到地基土和樁上，板內(nèi)應(yīng)力增加幅度逐漸減小。

（3）梁下地基反力總是比板下地基反力小，這是因為，梁的剛度較大，傳遞到梁的荷載更多的傳遞給了樁。此外，梁分擔(dān)了板的部分荷載，從而避免了板厚度過大的問題，有效地避免了材料浪費。

參考文獻

[1]詹永祥，蔣關(guān)魯，胡安華，等. 遂渝線無碴軌道樁板結(jié)構(gòu)路基動力響應(yīng)現(xiàn)場試驗研究[J]. 巖土力學(xué). 2009，30（3）：832-835.

[2]王應(yīng)銘. 鄭西高速鐵路埋入式連續(xù)樁板結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[J]. 路基工程. 2010（5）：75-77.

[3]吳德志，白皓，劉其寬，等. 非埋式路基樁板結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)實用簡化計算方法[J]. 路基工程. 2013（1）：51-55.

[4]詹永祥. 高速鐵路無碴軌道樁板結(jié)構(gòu)路基設(shè)計理論及試驗研究[D]. 西南交通大學(xué)，2007.

[5]孔鋒. 濕陷性黃土地區(qū)樁板結(jié)構(gòu)路基設(shè)計參數(shù)的研究[D]. 蘭州交通大學(xué)，2013.

[6]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]. 西南交通大學(xué)，2009.

作者簡介：[第一作者：鄭翠玲，女，華南理工大學(xué)研究生，E-mail：zcl152127@126.com]