軟土地區有軌電車線路復合樁板結構路基受力特性分析*

王長丹 周 偉 姚 青 散騫騫 陳凱祥

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海;2.上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室,201804,上海;3.上海城建市政工程(集團)有限公司,200131,上海∥第一作者,副教授)

在我國東部沿海深厚軟土和西北濕陷性黃土地區的高速鐵路建設中,為更好地控制軌道路基的工后沉降和不均勻沉降,多采用樁板結構路基形式。樁板結構路基的樁端插入持力層中,計算時不考慮板下土體的承載作用。但對于軸重較小、運行速度較低且沉降控制標準較低的有軌電車線路而言,選用樁板結構作為其路基形式,無疑會極大地增加工程造價,且試驗發現板下土體的荷載分擔比例達到12%以上[1]。基于此,復合樁板結構路基應運而生,目前其主要應用于深厚軟土地區的有軌電車線路建設中[2-3]。文獻[4-7]表明:相比于傳統的樁板結構,復合樁板結構路基考慮了板下土體的承載作用,且樁端未插入持力層中,當結構受荷下沉時,樁體發生向下的刺入變形,從而充分發揮了樁-板-土的協同受力作用。圖1為復合樁板結構路基的承載示意圖[8]。本文主要通過有限元模擬的方式,對上海松江有軌電車示范線工程復合樁板結構路基的樁土受力變形特性進行詳細分析,以期為后續工程設計提供一定的參考。

圖1 復合樁板結構路基承載示意圖

1 工程概況及地質

1.1 工程概況

上海松江有軌電車示范線工程包括T1和T2兩條線路,線路里程約為36 km。該線路基均采用復合樁板結構路基,軌道采用短軌枕形式埋入承載板中,一次澆筑完成。該路基一般為六跨一聯,PHC(預應力高強混凝土)管樁外徑為0.30 m,內徑為0.16 m,樁長為19 m,跨度為5 m。該路基的承載板材料為C40混凝土,板厚為0.45 m,縱向長度為30 m,橫向寬度為2.6 m,并在2塊承載板中間設置1條寬2 mm的伸縮縫。上海松江有軌電車示范線工程復合樁板結構路基的橫斷面和地質剖面如圖2所示。

圖2 復合樁板結構路基的橫斷面圖及地質剖面圖

1.2 地質條件

根據上海松江有軌電車示范線工程的地質勘察資料,得到現場的巖土分層情況及各層土體的物理力學參數。表1為其土體物理力學參數列表。

表1 土體物理力學參數

2 模型建立與驗證

2.1 模型建立

利用有限元軟件PLAXIS 3D建立有軌電車線路復合樁板結構路基的數值模型,以模擬有軌電車線路從施工建設到后期運營的受力變形規律。模擬計算時僅考慮單向有軌電車線路作用下的受力和變形。為排除有限元計算邊界的影響,縱向取兩聯復合樁板結構路基,總長度為60 m,建立的三維有限元模型如圖3所示。該模型尺寸為60 m(長)×50 m(寬)×35 m(高),土體本構為HSS(硬化本構模型),并基于Biot固結理論對土體固結沉降進行計算。

圖3 有限元計算模型示意圖

為保證數值計算的收斂性和可行性,同時盡可能模擬現場復雜的環境,本文對有限元模型的邊界條件和加載條件進行了以下合理假設:

1) 地下水位不變,均位于地表以下1 m;各土層水平方向和豎直方向的滲透系數按照地質勘察資料分別選取;

2) 模型的豎向邊界水平固定,只可以產生豎向位移且不透水;下邊界為固定邊界且不透水;上邊界為自由面,為滲透邊界;

3) 將承載板上部的軌道結構和列車荷載換算為均布面荷載,模擬面荷載瞬時施加于承載板頂部;固結計算過程中面荷載保持不變,軌道結構換算為6 kPa的均布荷載,列車荷載換算為30 kPa的均布荷載。

2.2 基于現場實測的模型驗證

在進行后文的分析前,先通過上海松江有軌電車示范線工程現場實測數據[3]來驗證本文所建有限元模型的可靠性。將建設期(2018年4月17日瀝青面層澆筑)和開通運營后6個月(2019年11月24日—2020年5月24日)線路中跨跨中和承載板兩端板下土體沉降量的現場實測值與數值模擬值進行對比,其結果如圖4所示。

圖4 線路中跨跨中和承載板兩端板下土體沉降的現場監測值與數值模擬值對比

由圖4可知:數值模擬得到的土體沉降量隨埋深的變化曲線與現場實測結果在變化趨勢上基本一致,現場實測值大于數值模擬值。其原因主要是有限元建模時為了節省計算資源,只建立了1條有軌電車線路,而現場有2條有軌電車線路,未模擬的有軌電車線路的軌道結構和列車荷載會對監測點位的土層沉降產生附加應力,這導致現場監測值大于數值模擬值。因此,本文建立的有限元模型總體上具有較高的可靠度。

3 復合樁板結構路基受力特性分析

3.1 跨中板下土體應力與沉降分析

通過數值模擬得到上海松江有軌電車示范線工程建設期和運營期的復合樁板結構路基中跨跨中板下土體的附加應力和沉降隨埋深的變化曲線,如圖5所示。

圖5 中跨跨中板下土體附加應力與沉降隨埋深的變化曲線

從圖5 a)可知:隨著埋深的增加,建設期和運營期的跨中板下土體附加應力均呈現先減小后增大再減小的變化規律,附加應力最大值出現在20 m埋深位置附近(即樁底下方1～2 m處)。其原因可歸結為跨中板下土體的附加應力由兩部分組成:一部分為樁板結構承載板直接施加在土體上表面的荷載產生的附加應力,另一部分為樁頂承擔的余下上部荷載通過樁側摩阻力傳遞給土體,使土體產生了附加應力。加固區(即樁長范圍內)上部土體的附加應力隨埋深的增加呈遞減趨勢,這是承載板產生的附加應力在起主要作用;而加固區下部和下臥層的附加應力隨埋深的增加呈先增加后減小趨勢,則是樁側產生的附加應力在起主要作用。

與傳統樁基在樁底處土體附加應力突然增大至峰值的情況不同,深厚軟土地層中的有軌電車線路復合樁板結構路基跨中板下土體的附加應力是在樁底以上一定區域開始逐漸增加,然后在樁底附近達到最大值。這種差異與復合樁板結構路基樁體的受力特征有關,較小的樁底反力并不會引起附加應力的突然增大,而是樁側摩阻力導致土體的附加應力逐漸增大。

此外,根據土力學原理,附加應力是土體發生壓縮固結的原因。從附加應力的變化曲線可看出,深厚軟土地區復合樁板結構路基的沉降變形應主要發生在樁頂和樁底的一定范圍內,圖5 b)所示的沉降曲線變化規律證明了該結論的正確性。

3.2 樁體受力分析

復合樁板結構路基在有軌電車線路建設期和運營期的樁體軸力和樁側摩阻力隨埋深的變化曲線如圖6所示。由圖6可看出:樁體軸力隨埋深的增加逐漸減小;樁深范圍內的側摩阻力均表現為正值,即復合樁板結構路基樁體未出現負摩阻區。由此可知,在深厚軟土地區,在復合樁板結構路基樁底未刺入持力層的情況下,樁體沉降一般大于板下土體沉降。此外,不管是在荷載水平較低(6 kPa)的建設期,還是在荷載水平較高(36 kPa)的運營期,樁頂承擔的上部荷載大部分通過樁側摩阻力傳遞給樁側土體,樁端反力僅占其中較少的一部分。

圖6 樁體軸力和樁側摩阻力隨埋深的變化曲線

3.3 樁土差異沉降分析

加固區內,樁側土體和跨中板下土體間、樁體與樁側土體間在建設期和運營期的差異沉降情況分別如圖7、圖8所示。

圖7 樁側土體與跨中板下土體間的差異沉降

圖8 樁體與樁側土體間的差異沉降

由圖7可知:樁側土體與跨中板下土體的差異沉降量隨埋深的增加逐漸增大,且運營期的差異沉降量大于建設期的差異沉降量。進一步將圖6 b)與圖7進行對比,可以發現樁側土與跨中板下土體的差異沉降量與樁側摩阻力呈正相關關系,差異沉降量越大,樁側摩阻力越大。

將圖6 b)和圖8進行對比可知:由于復合樁板結構路基樁端未插入持力層中,且因樁體和土體的剛度差異及承載板的限制作用,在上部荷載作用下,樁端會發生向下的刺入變形,因此樁側阻力是自下而上逐漸發揮作用的。當樁側摩阻力達到極限值后,樁體與樁側土體便發生相對滑移,即:在建設期僅樁底以上一小段樁體與樁側土體發生相對滑移;在運營期,由于上部荷載增大,樁側摩阻力達到極限值的范圍增大,樁體與樁側土發生相對滑移的范圍向上擴充。

3.4 樁長因素分析

進一步對不同樁長條件下有軌電車線路復合樁板結構路基的力學性能進行分析,樁長L分別取13 m、16 m、19 m及22 m共4種工況。提取運營期不同樁長工況下復合樁板結構路基的跨中板下土體附加應力隨埋深的變化曲線,如圖9所示。由圖9可知:不同樁長工況下,跨中板下土體的附加應力均在樁底下方1～2 m處達到最大值,且最大值比較接近;樁長范圍內跨中板下土體附加應力的大小隨L的增大而減小,其主要與承載板直接作用在土體表面的荷載大小及樁側摩阻力的大小有關。

圖9 不同樁長工況下運營期跨中板下土體附加應力隨埋深變化曲線

不同樁長工況下,建設期和運營期跨中板下土體沉降量隨埋深的變化曲線如圖10所示。

由圖10可知:隨著復合樁板結構路基樁長的增大,建設期和運營期跨中板下土體的沉降量均呈減小趨勢。

不同樁長工況下,運營期的樁體軸力和樁側摩阻力隨埋深的變化曲線如圖11所示。由圖11可知:除了L=13 m的樁外,另外3組復合樁板結構路基的樁頂軸力大小基本相同,即這3組復合樁板結構路基中樁體承擔的上部荷載大小相差不大,而L=13 m的樁由于接近或達到樁體的極限承載力而無法承擔更大的荷載。這說明在樁體極限承載力范圍內,適當減小樁體長度并不會顯著減小樁體所能承擔的上部荷載大小,且能更充分地發揮樁體的承載能力。

圖11 不同樁長工況下運營期的樁體軸力和樁側摩阻力隨埋深的變化曲線

不同樁長工況下,運營期的樁側土體與跨中板下土體間、樁體與樁側土體間的差異沉降情況如圖12和圖13所示。由圖12和圖13可知:隨著樁長的增加,樁側土體與跨中板下土體的差異沉降量呈減小趨勢,即相同埋深位置的樁側摩阻力減小;樁長越長,樁體與樁側土體發生相對滑移的距離越小,且相對滑移的長度越小,即樁體充分發揮樁側摩阻力的長度越小。

圖12 樁側土體與跨中板下土體間的差異沉降

圖13 樁體與樁側土體間的差異沉降

4 結論

1) 深厚軟土地區有軌電車線路復合樁板結構路基跨中板下土體的附加應力隨埋深增加呈現先減小后增大再減小的變化規律,且在樁底下方1～2 m處附近達到峰值。同時,土體沉降變形主要發生在樁頂和樁底一定范圍內。

2) 樁體的承載力主要由樁側摩阻力提供。樁體沉降一般大于跨中板下土體沉降。樁體不會出現負摩阻力區域。樁側土體與跨中板下土體間的差異沉降量與樁側摩阻力呈正相關關系。隨著荷載的增大,樁側摩阻力自下而上逐漸達到極限摩阻力,同時樁體與樁側土體間產生差異沉降,即兩者間發生了相對滑移。

3) 隨著復合樁板結構路基樁長的增大,板下土體沉降量逐漸減小。在樁體極限承載力范圍內,適當減小樁體長度,并不會顯著減小樁體所能承擔的上部荷載大小,且能更充分地發揮樁體的承載能力。