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武广客专深厚软土及岩溶路基桩板结构设计

2014-06-07肖朝乾

山西建筑 2014年18期
关键词:托梁台板板结构

肖朝乾

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031)

1 工点概况

DIK2028+100~DIK2028+300长200 m,位于韶关至英德区间,段内属低山丘陵及河流堆积地貌,阶地地势平坦,多为农田,植被一般,交通较方便。覆盖土层为第四系上更新统及中更新统冲积层粉质黏土、松软土、卵石土,厚16 m~38 m,松软土较厚,呈透镜状分布;下伏基岩为石炭系下统岩关阶孟公坳组灰岩及大塘阶石蹬子段灰岩,岩溶发育,呈串珠状分布,岩溶溶洞孔径最大达10 m,地下水发育,地下水为孔隙水及基岩裂隙水,附近水质无侵蚀性,环境土对混凝土结构具弱pH值腐蚀性(弱酸性腐蚀)。

2 设计工程措施比选

设计阶段,地基处理措施主要有搅拌桩、CFG桩、旋喷桩、桩网结构等,岩溶处理措施主要采用注浆充填加固。本工点地表土层较厚,搅拌桩加固深度仅10多米、无法加固到设计深度,且搅拌桩为柔性桩,不能满足路基工后沉降要求,CFG桩无法穿透卵石土层,施工困难;旋喷桩和桩网结构,施工困难,不能保证工程质量,解决不了岩溶问题,且工程造价较高,不经济。寻求一种加固深度较大、施工便捷、造价合理且能有效控制工后沉降及岩溶塌陷的新型地基处理措施,成为设计的难题。为此,设计单位立项开展了《武广客运专线软土、松软土特性及工程措施研究》《厚覆盖型岩溶塌陷、沉陷预测与防治技术研究》课题研究,进行了有限元分析计算、三维数值动力仿真分析及室内缩尺模型试验。通过对桩板梁结构与高压旋喷桩、桩网结构及桥跨方案的技术经济比较,综合考虑施工工艺及运营阶段的可靠度等因素,最终确定采用钢筋混凝土桩板结构形式,桩板结构是一种处理厚覆盖层软土地基或岩溶地基的有效措施,与其他地基处理手段相比,具有施工便捷、沉降变形控制优良、结构安全可靠等优点,在经济方面也具有一定优势,近年来,在我国铁路建设,特别在高速铁路建设中广泛运用。

3 桩板结构设计

本文以武广客专DIK2028+100~DIK2028+300地基桩板结构为例,对桩板结构的荷载力系进行分析,对承台板及桩体的受力及变形计算进行简述,供桩板结构设计参考。

3.1 桩板结构路基形式

桩板结构路基由桩、承台板、托梁、混凝土底座、道床板、轨道和扣件等组成,似桥跨结构,一般沿线路纵向设置几跨为一联,跨度可根据需要设置,一般设为5 m,7.5 m,10 m,桩设置成左右两排,左右桩之间顶部设置横向托梁连接,托梁上部纵向设置承台板,承台板上部设置轨道结构,桩板结构的横纵断面见图1。

图1 桩板结构示意图

道床板及混凝土底座尺寸由轨道结构形式(双块式、板式或其他)确定;承台板尺寸主要由跨度及左右线间距确定:托梁尺寸主要由左右线间距确定。桩为钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩径采用1 m,1.25 m或1.5 m,桩长根据地层情况确定。

3.2 桩板结构计算

结构计算考虑了列车及轨道荷载、温度应力、混凝土收缩、桩基不均匀沉降等因素,分别按承台板、托梁、桩体结构进行受力检算。

3.2.1 承台板结构计算

1)承台板荷载分析。

采用ZK—活载进行分析,活载形式见图2。

考虑横向最大受力位置取1 m宽度进行计算,承台板纵向等效受力图如图3所示,其中,q2和q2'为列车活载;q1为作用在承台板上的恒载。

图2 ZK标准活载示意图

图3 承台板纵向等效受力图(单位:m)

2)恒载(主力)。

取混凝土底座下方2.8 m宽度范围内承台板,进行荷载分析,求得承台板实际宽度范围内沿桩板结构纵向均布荷载为:q1=板宽×(钢轨+扣件+道床板+底座+承台板)。

3)列车活载(主力)。

列车活载:剪力=动力系数×200/2.8;

弯矩=动力系数×64/2.8。

4)列车制动力(附加力)。

列车制动力:取列车静活载的7%。

5)温度荷载(附加力)。

温度应力主要来自于承台板顶面与底面的温差。由于顶面受日照辐射和气温变化等因素影响下温度变化较快,内部温度随之也发生变化;底面与地基接触,温度相当稳定,故因温差影响造成承台板表面与底面热胀冷缩不同步,从而产生温度应力。

拟定承台板的温差荷载为如下形式:

其中,Ty为距顶面为y处的温差;T0为板顶面与底面之间的温度差;a为指数值;y为以板顶面为原点,向下为正,m。

6)各种组合工况下承台板的内力包络图。

在支座沉降、温度荷载、恒载、列车移动荷载、列车制动力工况组合作用下,承台板的内力包络图见图4。

图4 组合工况下承台板的弯矩及剪力包络图

由图4所示,组合工况下,承台板的最大正弯矩为发生在边跨处,距中间支座约1.86 m位置;最大负弯矩发生在中间支座处;最大正剪力、最大负剪力均发生在中间支座处。

3.2.2 托梁结构计算

1)托梁的荷载分析。

a.托梁上的荷载主要包括自重,以及承台板及承台板上乘结构传递下来的恒载与活载。为了简化计算,又偏于安全把托梁上的荷载等价为作用在托梁上的均布荷载q,见图5。

图5 托梁计算简图

q的计算公式:

其中,F为单桩竖向受力;L为托梁长。

b.图5中f为2倍的排桩横向水平力,即f=2F1。

c.托梁埋在土中,故不考虑温度荷载的影响。

2)组合工况下托梁的内力包络图。

在支座沉降、荷载q与f组合作用下,托梁的内力包络图见图6。

图6 组合工况下托梁的弯矩及剪力包络图

由图6可知,组合工况下,托梁的最大正弯矩发生在中跨处,距跨中0.5 m位置,靠近支座发生沉降的一侧;最大负弯矩发生在支座处;最大正剪力、负剪力均发生在支座处。

3.2.3 桩体的计算

1)桩体的荷载分析。

a.单桩桩顶横向受力分析。

单桩桩顶横向等效受力包括横向力(F)、离心力、横向摇摆力以及收缩徐变影响产生的内力等;M为桩承受的横向弯矩。

离心力:

桩板结构在曲线上时,考虑列车竖向静活载产生的离心力,计算公式:

其中,R为曲线半径;f为离心力折减系数。

横向摇摆力:

根据规范,横向摇摆力应取100 kN,作为一个集中荷载取最不利位置,以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面。多线桥梁只计算任一线上的横向摇摆力。

摇摆力摆放位置见图7。计算中仅考虑桩的水平抗力,只计横向摇摆力而不计支座沉降、温度及其他荷载的影响,分相邻联分担摇摆力和不分担摇摆力两种情况。

图7 横向摇摆力加载7号排桩单桩横向力分布

横向弯矩:

横向弯矩在托梁计算中求得。综合以上分析,单桩桩顶横向受力如图8所示。

b.单桩桩顶纵向受力分析。

单桩的纵向等效受力图如图8所示,其中纵向力(F)包括长钢轨纵向水平温度力、挠曲力、牵引力或制动力以及收缩徐变影响等;M为桩纵向承受的弯矩。所有传递至轨道结构的纵向力均靠扣件纵向阻力来提供平衡,为了方便计算,纵向受力进行简化计算。

扣件阻力:

每组扣件设计阻力按6.5 kN计。

收缩徐变的影响:

根据规范,考虑混凝土收缩徐变的影响时,只需在计算温度荷载时,对结构施加-15℃的温度荷载。

纵向弯矩:

综合以上分析,单桩桩顶纵向受力如图8所示。

2)单桩计算与设计。

路基本体和地基对桩体的侧向约束作用采用地基系数法中的“m法”进行计算。桩底按铰支考虑,桩顶按自由端考虑,计算简图见图9,图中原点为桩顶。

图8 单桩桩顶横向(纵向)等效受力图

图9 桩体计算简图

a.桩的内力计算。

计算桩任一截面的内力过程如下:

桩任一截面(坐标值为y)的剪力,按下面公式计算:

其中,AQy=Ax0A4y+Aφ0B4y+D4y;BQy=Bx0A4y+Bφ0B4y+C4y;Ax0,A4y,Aφ0,B4y,D4y,Bx0,Bφ0,C4y均为无量纲常数,可根据桩的换算深度 λy=αh查表(见《抗滑桩计算及结构设计》书65页表3-3)求得。

桩任一截面(坐标值为y)的弯矩,按下面公式计算:

其中,AMy=Ax0A3y+Aφ0B3y+D3y;BMy=Bx0A3y+Bφ0B3y+C3y;Ax0,A3y,Aφ0,B3y,D3y,Bx0,Bφ0,C3y均为无量纲常数,可根据桩的换算深度λy=αh查表求得。

b.桩的变形计算。

最大挠度:

其中,Ax0和Bx0均为无量纲系数,可查表求得。

最大转角:

计算公式:

其中,Aφ0和 Bφ0均为无量纲系数,可查表求得。

4 桩板结构设计图及施工情况

根据现场地质情况及桥涵结构物情况,进行孔跨布置,本工点共7联,其中1联为(1-7.5+1-10+1-7.5)m,其余6联为3×7.5 m,孔跨确定后,根据桩位的地质情况确定每根桩长度,桩长38 m~76 m,具体详见图10。

图10 断面设计图

施工时,先确定桩孔位置,钻孔施工桩体,桩体灌注达到设计强度后,施工横向托梁,然后再施工钢筋混凝土承台板。

5 结语

试运营阶段对桩板结构的测试结果揭示,承台板及托梁内力分布规律与理论值相符,且较理论值平均小31.32%,铺轨前后承台板平均沉降差为1.31 mm,验证了理论计算的合理性和设计的安全性。运营四年多来,桩板结构情况良好,基本为零维修,满足了高速铁路严格的工后沉降要求。桩板结构作为一种新型地基处理措施,特别适合岩溶软土地基处理,经济效益及社会效益显著,成果工程意义重大,具有广泛的推广应用前景。

[1]中铁二院工程集团有限责任公司.武广客运专线软土松软土特性及路基工程措施研究[R].2010.

[2]TB 10106-2010,铁路工程地基处理技术规程[S].

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