臨近高鐵側(cè)墻式樁板結(jié)構(gòu)的樁基分布合理性分析

冀少峰 JI Shao-feng

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

多年來，隨著鐵路網(wǎng)的逐漸加密，引入既有高鐵站變得越來越常見，既有無砟軌道的變形要求很高，所以新建鐵路路基的地基處理方案變得尤為重要，既要保證安全可靠，又要滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。采用側(cè)墻式樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基處理可以很好保證既有線變形和節(jié)約土地。論文結(jié)合實(shí)際項目，通過有限元數(shù)值模擬，分析側(cè)墻式樁板結(jié)構(gòu)的外側(cè)一排樁間距對既有線變形和筏板配筋的影響，從而對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

論文中的新建高鐵為時速250km/h 客運(yùn)專線，路基填高6m，站臺填高8m，采用路基幫寬形式緊鄰既有線，地基處理采用樁板結(jié)構(gòu)形式，樁長22m，樁徑1m，橫向樁間距3.4m，縱向樁間距4.5m，筏板厚度1m；論文分析的范圍分布有三處雨棚立柱，每處立柱處的荷載為1392kN。既有安九高鐵潛山站為無砟軌道形式，路基填高6m，站臺填高8m，采用螺紋樁進(jìn)行地基處理，樁長6~10m，樁間距2~2.4。引入皆有車站的平面圖和代表性橫斷面圖如圖1~圖2 所示。

圖1 六慶高鐵引入安九高鐵潛山站平面圖

圖2 代表性橫斷面圖

根據(jù)《臨近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（TB10314-2021）及《中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司營業(yè)線施工工務(wù)安全監(jiān)督管理辦法》（上鐵工[2020]345 號）中的相關(guān)要求，既有高速鐵路路基的軌道、路基的水平和豎向位移控制值見表1。

表1 既有高速鐵路路基的軌道和路基位移控制值

新建路基下的地層從上至下依次為素填土、粉土、粉質(zhì)粘土、中砂、礫砂、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，地質(zhì)條件較好，具體參數(shù)詳表2。

表2 材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型本構(gòu)關(guān)系及配筋檢算理論

材料本構(gòu)關(guān)系的選取關(guān)系到計算結(jié)果的精度，為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，論文采用線彈性模型（Linearelastic）和摩爾－庫侖模型（Mohr—Coulomb）兩種本構(gòu)關(guān)系。其中，鉆孔灌注樁、雨棚基礎(chǔ)和筏板采用線彈性模型，基床表層、基床底層、路基本體和地基各土層采用摩爾－庫侖模型。

受彎構(gòu)件最大應(yīng)力：

鋼筋混凝土構(gòu)件相對界限受壓區(qū)高度：

正截面受彎承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

M－彎矩；

b－筏板寬度，此處取值1；

h－筏板厚度；

β1－系數(shù)，取值0.8；

fy－鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，取值360N/mm2；

Es－鋼筋彈性模量，取值2×105N/mm2；

εcu－混凝土極限壓應(yīng)變。

2.2 材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)鐵路定測的地質(zhì)勘察資料和工程地質(zhì)手冊，材料采用的參數(shù)見表2。

2.3 有限元模型建立

利用有限元分析軟件MIDAS—GTS 對代表性斷面進(jìn)行模擬分析，沿線路方向長度取35m。鉆孔樁采用植入式梁單元來模擬樁的受力；其余結(jié)構(gòu)均采用3D 實(shí)體單元。三維有限元模型如圖3~圖4 所示。

圖3 新建高鐵路基幫寬既有路基整體模型

圖4 樁板結(jié)構(gòu)、雨棚基礎(chǔ)及立柱荷載模型

2.4 既有鐵路路基變形分析

由于站臺填方較高，對側(cè)墻的側(cè)壓力較大，最外側(cè)一排樁的布置對筏板受彎的影響較大，本次模擬建立三種最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離進(jìn)行模擬分析，分別是0.6m、1.3m、2.0m，進(jìn)而對比分析既有線的變形和筏板水平應(yīng)力：

2.4.1 既有線變形分析

最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離分別是0.6m、1.3m、2.0m的情況下，既有線的水平位移云圖如圖5~圖7 所示。

圖5 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為0.6m 時水平位移云圖

圖7 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為2.0m 時水平位移云圖

最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離分別是0.6m、1.3m、2.0m的情況下，既有線的豎向位移云圖如圖8~圖10 所示。

圖6 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為1.3m 時水平位移云圖

圖8 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為0.6m 時豎向位移云圖

圖10 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為2.0m 時豎向位移云圖

提取既有線路肩和軌道的位移見表3。

表3 不同最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣下既有線變形值

圖9 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為1.3m 時豎向位移云圖

通過圖5~圖10 和表3 得出，最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離對既有線變形影響很小，且既有線變形均滿足限值要求。

2.4.2 筏板受力分析

最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離分別是0.6m、1.3m、2.0m的情況下，對水平向配筋影響較大，筏板水平應(yīng)力云圖如圖11~圖13 所示。

圖11 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為0.6m 時水平應(yīng)力云圖

圖13 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為2.0m 時水平應(yīng)力云圖

通過以上應(yīng)力云圖，根據(jù)公式（1）~（3）計算出筏板所受彎矩，同配筋所能承受彎矩進(jìn)行對比分析，見表4。

表4 不同最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣下既有線變形值

圖12 最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為1.3m 時水平應(yīng)力云圖

通過圖5~圖10 和表3 得出，最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為0.6m 時，筏板右側(cè)頂面受力偏小，且小于左側(cè)頂面受力，該情況布局不合理；最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為1.3m 時，筏板右側(cè)頂面受力均衡，承載強(qiáng)度安全系數(shù)為1.59，較為合理；最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離為2.0m 時，筏板右側(cè)頂面受力偏大，接近鋼筋承受極限值，該情況布局不合理。因此最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離以1.3m 為宜。

3 結(jié)語

通過對工程模型的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

①最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離對既有線變形基本無影響。②最外側(cè)樁至側(cè)墻邊緣的距離對板內(nèi)鋼筋的受力影響較大，通過對比分析，最外側(cè)樁基至側(cè)墻邊緣距離以1.3m為宜。