跨越溶洞上方埋入式桩板梁结构路基选型分析

2013-09-05黄俊杰任正能杨雪峰王武斌

铁道建筑 2013年4期

孙勇，黄俊杰，任正能，杨雪峰，王武斌

(1．中石化天然气川气东送管道分公司鄂西输气管理处，湖北宜昌 443001;2．西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031;3．昆明铁路局工务机械段，云南昆明 650200;4．神华新准铁路有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000)

孙勇1，黄俊杰2，任正能3，杨雪峰4，王武斌2

针对岩溶的特点，提出2种中等跨度埋入式桩板梁结构路基，分别为托梁式和板梁式，跨越浅埋隐伏型纵向宽度为14.0的溶洞。首先采用有限元法进行计算，得出在路堤填土、轨道和列车等荷载作用下，2种路基结构形式的变形规律;同时，将2种不同结构形式的路基与直接在溶洞上方填筑路基进行对比分析。结果表明：直接在岩溶地基上填筑路基时，地基最大沉降达到了112.5 mm;托梁式和板梁式桩板梁结构路基承台板纵向中心最大沉降分别为19.6 mm和12.4 mm，与地基的最大接触应力分别为13.6 kPa和7.2 kPa，有效地将上方荷载通过桩板梁结构传到溶洞两侧的稳定基岩上，控制了路基面的沉降;从路基沉降和溶洞顶板受力控制方面进行比较，板梁式更优于托梁式结构路基。

溶洞桩板梁结构路基结构选型

在铁路建设中，由于岩溶地质分布的广泛性和隐蔽性，许多路基段不可避免地要建在岩溶地基之上，在路基自重和交通荷载作用下，导致溶洞坍塌，引起路基塌陷、下沉或开裂，影响线路正常使用。岩溶路基稳定性与溶洞顶板厚度、围岩的特性和岩溶发育程度等有关，当溶洞顶板安全厚度不足时，必须对溶洞进行加固处理［1-3］。

目前，岩溶路基加固方法有多种，比较常用的方法主要有注浆充填、开挖充填等，钻孔注浆充填是目前应用得比较广泛的加固方法之一，如武广客专新耒阳站和部分路段岩溶路基整治［4-5］，及洛湛铁路益娄段溶洞加固［6］等。但常规岩溶路基处理方法存在需要填筑材料多、填充效果不可见、破坏岩洞结构和水系统等问题，尤其是在涌水溶洞处理中，破坏岩洞结构和水系统可能引起新的岩溶灾害。因此，本文针对纵向跨度约为14.0 m的浅埋溶洞，提出了中等跨度埋入式托梁式和板梁式桩板梁结构路基跨越溶洞地基，并对其进行了经济性对比分析，同时采用数值软件，计算分析了这2种路基结构形式的变形规律，并将其与直接在溶洞上方填筑路基进行了对比。

1 工程概况

双线无砟轨道铁路路基高度为3.0 m，路面宽为13.6 m，经勘探发现该段路基下伏溶洞，由多条相互贯通的岩溶管道构成，横向贯穿线路，管道内常年有强流水，如图1所示。表层为厚度2.5 m的黏土层，岩溶管道顶板为厚度约3.8 m的强风化白云岩，岩溶管道分布区域高度和跨度分别为6.0 m和14.0 m，顶板安全厚度不满足上部荷载要求，岩溶管道以下为中风化白云岩和微风化白云岩。经专家讨论决定其不宜钻孔注浆或开挖回填封堵，提出采用工程结构物跨越形式，确保原有岩溶管道和及其水系不受破坏，避免溶洞水系强制截流后引发新的地质灾害。

图1 岩溶管道发育区布置

2 埋入式桩板梁结构

借鉴高速铁路小跨度桩板梁结构路基的经验和成果［7-9］，提出跨度为20 m的埋入式托梁式和板梁式桩板梁结构路基跨越浅埋隐伏型溶洞地基2种方案，目前，这种结构形式用于处理岩溶地基的研究极少。在本文中将埋入式托梁式和板梁式桩板梁结构路基统称为埋入式桩板梁结构路基。

2.1 托梁式桩板梁结构

中等跨度托梁式桩板梁结构如图2所示，其具体尺寸参数和设计材料见表1。首先钻孔浇注桩基，然后于岩溶地基表层挖与托梁相同尺寸的坑槽以及整理地表立模，设置钢筋后托梁和承台板一次浇注形成，即桩与托梁、托梁与承台板固接。

图2 托梁式桩板梁结构形式(单位:cm)

表1 托梁式桩板梁结构设计参数

2.2 板梁式桩板梁结构

基于托梁式桩板结构形式，进行设计改进，增加间距为4.0 m的板梁(纵向梁)，提高纵向刚度，桩—托梁—板梁(纵向梁)—承台板相互固接，形成一个整体。在本文中将其称为板梁式桩板梁结构，其结构形式、设计材料和参数见图3和表2。

图3 板梁式桩板梁结构形式(单位:cm)

表2 板梁式桩板梁结构设计参数

2.3 经济性比较分析

托梁式和板梁式桩板梁结构均有相同尺寸的桩和托梁，主要区别是承台板部分的结构形式，即承台板厚度不相同，以及板梁式桩板梁结构有板梁(即纵向梁)，而托梁式桩板梁结构无板梁。这2种结构形式主要工程量和造价见表3。

从表3可知，板梁式桩板梁结构经结构优化后，其工程量和造价比托梁式桩板梁结构分别少了10.96%和6.99%，说明板梁式桩板梁结构除了自重较轻外，其在中等跨度结构中有较好的适用性。

表3 托梁式和板梁式桩板梁结构经济性指标

3 数值计算分析

3.1 假设条件

1)模型材料均为均质各向同性的弹塑性材料，采用Drucker-Prager模型。

2)非封闭式溶洞的填充物及其高度对于岩溶地基极限承载力的影响不大［10-11］，所以溶洞按空溶洞进行计算，不考虑溶洞内充填物的影响，简化为高6.0 m，长为14.0 m的矩形空洞。

3)不考虑围岩自重应力的变化对跨越溶洞上方埋入式桩板梁结构稳定性的影响，所以在用三维有限元法计算的过程中，不考虑自重应力的变化，故将自重应力取为一个定值。

岩溶上方填筑路基。其中埋入式板梁式桩板梁结构路基模型如图4所示。列车荷载采用ZK活载，将轨道和列车荷载换算为重度为20 kN/m3的土柱，土柱高度和宽度分别为2.7 m和3.4 m。桩板梁结构两侧为厚度3.0 m的换填层，模型计算参数见表4。

图4 埋入式桩板梁结构路基模型

表4 模型计算参数

3.2 计算模型的确定

建立3组模型:①埋入式托梁式桩板梁结构路基;②埋入式板梁式桩板梁结构路基;③承台板、纵向梁、托梁和岩土体相互绑定，桩土接触模型采用库仑摩擦模型，其剪切应力与法向应力的函数关系为

式中，τ为剪切应力;KS为剪切刚度;ω为接触面间的相对位移;μ为接触面间的摩擦系数，本文取0.25;p为法向应力;ωS为弹性极限相对位移。

3.3 模型边界条件和分析步

底部采用位移边界条件，即水平和垂直方向的位移均约束;侧向则为水平方向位移约束。有限元模拟分2步进行:首先施加初始应力场;然后施加路堤填土自重、轨道和列车荷载。

3.4 计算结果及分析

托梁式和板梁式桩板梁结构在上部荷载作用下，其承台板顶面纵向中心沉降规律如图5所示，竖向变形云图如图6所示。

托梁式和板梁式桩板梁结构承台板顶面纵向中心最大沉降分别为19.6 mm和12.4 mm，桩底沉降分别为0.3 mm和0.5 mm，跨中位置与地基的最大接触应力分别为13.6 kPa和7.2 kPa。而直接在岩溶地基上填筑路基时，地基面最大沉降为112.5 mm，溶洞跨中位置路基地面与地基的基础最大接触应力为86.1 kPa。这说明了托梁式和板梁式桩板梁结构有效地将上方荷载通过桩板梁结构传到溶洞两侧的稳定基岩，确保了多条岩溶管道构成的溶洞的稳定性，控制了路基面的沉降。