西宝客运专线宝鸡南站路基四线桩板结构研究

张华莹

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)

西宝客运专线宝鸡南站路基四线桩板结构研究

张华莹

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：西宝客运专线宝鸡南站正线及相邻两侧到发线铺设无砟轨道，路基最大填方高度约10 m，地表为第四系黏质黄土，最大厚度约30 m，且车站内横向结构物密集，过渡段频繁设置，路基工后沉降难以控制。采用一种新型路基基础结构形式——四线连续埋入式桩板结构，通过沉降观测与评估、动态检测及运营实践证明，使用效果良好。该结构较传统复合地基相比，具有有效控制沉降、方便施工、缩短工期等优势。

关键词：铁路路基；桩板结构；沉降；客运专线

桩板结构[1]是路基一种新型基础结构形式，由下部钢筋混凝土桩、路基与上部钢筋混凝土板组成。钢筋混凝土板由钢筋混凝土桩支撑，路基填土及地基给桩提供侧向抗力，桩、板与地基土共同组成一个承载结构体系来承受上部荷载。车站内埋入式连续桩板结构板顶位于基床表层底面以下1.4 m，结构除在大跨度箱形桥处必须断开外，其余每150 m均为连续结构，这种新型的路基基础形式，可以有效地控制路基工后沉降[2]。

车站内路基采用四线埋入式连续桩板结构在国内应用尚不多见，对于站内填方高度过高，多股道铺设无砟轨道，横向结构物密集，过渡段频繁设置，不适于以桥代路地段，采用该种路基结构形式，具有有效控制沉降、方便施工、优化工期等优势。

1车站概况

宝鸡南车站地处陕西省宝鸡市马营镇永清堡与东星村之间，地貌属渭河南岸一、二级阶地，地形起伏变化较大，相对高差约38 m。线路多以填方形式通过，中心最大填方高度10 m，局部挖方，最大挖方高度15 m。西宝客运专线宝鸡南车站为中间站，设到发线11条(含正线2条)，正线及相邻两侧到发线(共4股道)铺设无砟轨道。车站范围内有一座中桥、5座涵洞、4座箱形桥、2座地道。小里程端接清水河特大桥，大里程端接凉泉村特大桥。

地层为第四系全新统冲积黏质黄土、粉质黏土、粉土、砂层、角砾土、圆砾土、卵石土。其中第四系全新统冲积黏质黄土及上更新统风积黏质黄土，最大厚度约30 m，具非自重湿陷性～自重湿陷性，湿陷性等级Ⅰ级轻微～Ⅲ级严重，湿陷土层厚度9.8～15.3 m。

地表除了沙河沟、洙峪沟及几条排污渠，无大的地表水流。地下水主要为第四系孔隙潜水，一级阶地埋深10～28 m，二级阶地埋深22～36 m。地下水质较好，对混凝土无侵蚀性。

2地基处理方案研究

2.1车站路基特点

(1)宝鸡南车站内股道多、站场横向宽度大、站内横向结构物密集，桥上设站困难较大，投资不菲；

(2)采用路基结构，路基填土高度大，高填方段落长约1.2 km，地表为中厚层黄土，最大厚度约30 m，由于无砟轨道对路基工后沉降变形要求非常严格，加之各线沉降控制标准不同，复合地基处理较为复杂[3]；

(3)采用复合地基处理，需进行不少于6个月的堆载预压，工期较长。

2.2方案研究

针对宝鸡南站路基特点，设计前对地基处理方案进行了研究，经沉降检算，采用复合地基方案(包括柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩+CFG桩)，路基工后沉降控制无法满足无砟轨道要求，故设计采用桩板结构方案。桩板结构方案中对不同桩径、不同跨度、板的不同位置进行了研究[4]。经济技术比较见表1。

表1　桩板结构方案经济比较

经经济技术比较，采用桩径1.0 m，桩纵向间距4.5 m，钢筋混凝土板位于基床表层底面下1.4 m方案。

3桩板结构设计

3.1受力计算

按平面简化法将桩板结构纵、横向分别简化为平面桁架结构，采用结构力学的柔度法(即力法)对超静定结构进行求解计算，即将桩板的各跨度中央切开，使之成为静定基本体系，然后根据变形协调原理，计算任意截面的弯矩、剪力以及每一根桩顶的轴向力、垂直桩轴方向的剪力和弯矩。计算图式如图1所示[5]。

图1　桩板结构计算图式

由于在实际工程计算应用中对超静定结构进行求解比较复杂且繁琐，桩板结构检算过程中采用了有限元软件MIDAS，分别建立横向和纵向的二维结构模型，对超静定结构进行求解[6]。

3.1.1结构横向受力

计算图式：桩数4根，桩横向间距6.5 m-5.0 m-6.5 m，桩直径1.00 m，板宽25.0 m。

结构尺寸：板宽度25 m，厚度0.80 m，板纵向跨度4.5 m；桩横向间距6.5 m-5.0 m-6.5 m，纵向间距4.5 m，桩直径1.00 m。

物理参数：桩的混凝土弹性模量Ez=2.56×107kPa，桩的惯性矩Iz=0.049 m4；板的混凝土弹性模量Eb=2.72×107kPa，板的惯性矩Ib=0.192 m4[7]

荷载：轨道结构荷载66×4.5×4/25=47.52 kN/m；级配碎石、水泥改良土重力22×(0.5+1.4)×4.5=188.1 kN/m；列车荷载200×1.4/3=93.3 kN/m；板容重26 kN/m3。

计算结果：板横向最大弯矩为2 212 kN·m，桩最大竖向轴力为2 566 kN。

3.1.2板纵向受力

计算图式：板纵向采用11跨，纵向长度11×4.5 m，板宽度7.0 m；桩纵向间距4.5 m，纵向桩数10根。

荷载：轨道结构荷载66 kN/m；级配碎石、水泥改良土重力22×(0.5+1.4)×7=292.6 kN/m；列车荷载200×1.4=280 kN；板容重26 kN/m3。

总静荷载：66+292.6=358.6 kN/m

计算结果：板纵向最大弯矩为1 724 kN·m，桩的最大竖向轴力为2 089 kN。

3.2桩长计算[8]

根据桩的最大竖向轴力，反算桩长。

3.2.1计算公式

(1)钻孔灌注桩的容许承载力

式中[P]——桩的容许承载力；

U——桩身截面周长；

fi——各土层的极限摩阻力；

li——各土层的厚度；

A——桩底支承面积，按设计桩径计算；

[σ] ——桩底地基的容许承载力；

m0——钻孔灌注桩桩底支承力折减系数，取值为0.4；

Q——负摩擦力。

(2)单桩负摩擦力标准值

式中qin——第i层土桩侧负摩阻力标准值，填料的负摩阻力标准值取10 kPa/m；

ri——第i层土层底以上桩周土的容重；

zi——自地面起算的第i层土中点深度；

p——地面均布荷载。

(3)负摩檫力计算深度

负摩檫计算深度：Lf=0.5L0

中性点深度L0根据填土产生的附加应力小于0.2倍的土层自重应力确定。

(4)设计桩长

习近平认为，“五个世界”是构建人类命运共同体的总布局和总路径。学术界从价值共同体、利益共同体、政党共同体、生命共同体等角度出发，给出了关于实践路径的多重思考。

设计桩长计算公式

L=Ht+Lf+Lz

式中L——设计桩长；

Ht——板下部填土高度；

Lf——负摩檫计算深度；

Lz——正摩檫力深度范围内的桩长。

3.2.2计算结果

根据最大单桩承载力2 566kN，依据以上公式计算得出桩长为25～45m。

3.3沉降计算3.3.1单桩沉降计算

计算公式

式中l0——地面以上桩身的长度；

h——桩的入土长度；

N——桩承受的总荷载；

A——桩底支承面积，按设计桩径计算；

E——桩身材料受压弹性模量，取3×107kPa；

C0——桩底处岩层竖向抗力地基系数，取值为3×105kPa；

3.3.2群桩的沉降计算

群桩的沉降量Δ为各单桩按上面所述各独立单桩计算的沉降计算的沉降量Δi之平均值与群桩底平面以下一定深度内地基的压缩变形ΔH所组成，即

式中Δi——群桩中第i根桩按独立单桩计算的沉降量；

N——群桩中的桩数。

桩基底平面以下地基产生的总沉降ΔH近似地按下式求算

式中ΔH——群桩底平面的压缩沉降；

n——群桩底平面以下受压层范围z内分成薄层的层数；

Pi——群桩底面传递给第i层土层厚度Δz中心处的附加压应力；

Ei——各薄层土在其侧面可膨胀情况下变形模量。

3.3.3计算结果

桩底沉降计算深度按ΔSn≤0.025 mm 控制，其中：ΔSn为深度Zn处向上取厚度为Δz的土层的沉降值。桩底沉降量填土期按完成20%考虑，固结度为80%，经计算桩的总沉降为11.6～14.1 mm，均小于15 mm，满足无砟轨道路基工后沉降要求[9]。

3.4结构形式

车站内5、Ⅵ、Ⅶ、8股道下采用四线桩板结构，桩板顶面位于基床表层下1.4 m，板宽25 m，板厚0.8 m。板下基础采用钻孔灌注桩，桩径1.0 m，桩长25～45 m,,桩横向间距为5.0 m及6.5 m，每排4根。桩纵向间距不大于4.5 m，结构桥涵或地道相接处断开，板端置于台背或端墙牛腿上[10]。如图2、图3所示。

图2　四线桩板结构横断面(单位：m)

图3　四线桩板结构纵断面(单位：m)

为减少湿陷性黄土对桩产生的负摩阻力，桩板结构范围内地基采用土挤密桩处理，桩径0.4 m，间距1.0 m，桩长8.0 m，采用正三角形布置，土挤密桩顶部设素土垫层[11]。

桩板范围内基床表层采用级配碎石掺5%水泥填筑，基床底层采用6%水泥改良土填筑，板底以下采用素土填筑。

4桩板结构施工质量控制[12]

桩板结构的施工顺序：土挤密桩施工→填筑路基至板顶高程→开挖至板底高程→进行钻孔灌注桩的施工→去桩头→找平层及板的施工→板两侧夯填6%水泥改良土。在桩板施工过程中，为确保处理效果和结构的使用功能，对以下几个主要施工环节必须严格控制。

4.1路基填筑

地表处理后完成路基填筑。土体须达到如下压实指标：K30≥110 MPa/m，压实系数K≥0.95，基本承载力不小于200 kPa。

4.2钻孔桩施工

钢筋混凝土钻孔桩严禁采用水钻，采用冲击钻或旋挖钻施工。施工前，先作试桩(每段试桩不少于2根)，复核地质资料以及检验设备配置、施工工艺是否适宜，确定钻孔桩施工工艺参数。钻孔时，起落钻头速度要均匀，不得过猛或骤然变速，以免碰撞孔壁。桩身混凝土应连续灌注，不得中途停顿。

桩成孔钢筋笼就位后，混凝土浇筑应加强对桩孔孔壁的变形观测。桩头施工高程应高出设计50 cm，板施工时应将多余部分凿除，并清除干净。

4.3钢筋混凝土板施工

(1)钢筋混凝土板应分两步施工，按先浇段，合龙段两批完成。先浇段长27 m，合龙段长1 m。如图4所示。

注：①为先浇段，②为后浇段。图4　钢筋混凝土连续板施工工序(单位：cm)

(2)先浇段的施工完成后，进行养护1～2个月后，再浇筑合龙段②合龙。合龙时板体的温度应控制在15 ℃左右。先浇段两端必须设置加强钢筋，严禁先浇段两端的所有纵向受力钢筋在同一截面处断开或接长。

(3)在施工先浇段时两端设端模板，并预留钢筋穿过的槽口。在混凝土达到拆模条件后，拆除两端模板。

(4)在施工合龙段时，应加强施工缝处混凝土的振捣，合龙段施工完成后，在连续板的顶面及侧面涂沥青，并及时进行两侧及顶板填土的施工。

(5)连续板的施工缝位置设置纵向加强钢筋，加强钢筋数量为纵向钢筋数量的50%，钢筋直径同纵向钢筋，加强钢筋插入两侧混凝土深度不小于1 m。

(6)混凝土板施工完成后，应及时进行覆盖，保湿、保温养护1～2个月。养护期结束后，为避免其长时间暴露，受温度变化影响，板面覆盖不小于5 cm厚的草袋进行保护。

(7)为减少混凝土的收缩，应合理调整混凝土的配合比，尽量采用水化热低收缩性小的早期高强水泥，降低水泥用量，降低水灰比，控制混凝土的坍落度，同时加强保湿养生。

5桩板结构处理效果

根据观测资料，对该段路基进行了沉降评估和预测[13]，桩板结构地段板总沉降量4.7～7.7 mm，预测工后沉降量0.9～1.9 mm(不大于15 mm)，均满足铺设无砟轨道技术条件。

经中国铁道科学研究院高速铁路系统试验国家工程实验室动态检测，结论：轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和横向稳定性均符合要求；车体横向平稳性、车体垂向平稳性等级均为优。

西宝客运专线于2013年12月28日开通试运营，运营速度250 km/h，开通运营以来，本段线路状况良好，轨道线路平顺。

6结论及建议

(1)实践证明，在湿陷性黄土地区车站内高填地段采用路基桩板结构形式是合理的选择。高填地段钢筋混凝土板设置在基床表层底面以下1.4 m处，既能减少了温度应力对板伸缩的影响、避免与站内附属设施干扰，又较板顶置于地面处经济。

(2)宝鸡南站四线桩板结构在沉降控制、方便施工、优化工期等方面具有很大优势，值得在其他建设项目中推广应用。

(3)桩的纵向间距(板的跨度)L=4.5d～7d(d为桩径)，板厚h=L/6～L/9。

(4)一般情况下连续板的长度控制在200 m以内，当长度大于200 m时，采取约束措施需经过检算确定。

参考文献：

[1]中铁二院工程集团有限责任公司.TB10106—2010，J1078—2010铁路工程地基处理规程[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司.郑西客运专线路基埋入式连续桩板结构技术研究总报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2008.

[3]王启云，张家生，孟飞.不均匀沉降对无砟轨道路基动力特性的影响[J].铁道标准设计，2014(10):17-19.

[4]张然.浅埋式桩板结构在宝兰客运专线湿陷性黄土短路基中的应用研究[J].铁道标准设计，2014(6):32-34.

[5]梁鑫，程谦恭，王长宝，李传宝.高速铁路采空区桩板结构复合路基受力机理数值模拟[J].铁道标准设计，2014(4):1-3.

[6]李海光.新型支挡结构设计与工程实例 [M].3版.北京：人民交通出版社，2011.

[7]中国建筑科学研究院.JB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[8]中国建筑科学研究院.JGJ 94—2012建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[9]铁道第三勘察设计院集团有限公司，中铁第四勘察设计院集团有限公司，中国铁道科学研究院.TB10621—2009，J971—2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[10]高霞，肖宏，王洪刚.高速铁路斜坡桩板结构路基稳定性影响因素分析[J].铁道标准设计，2013(8):23-25.

[11]陕西省建筑科学研究设计院.GB50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[12]刘家兵.深厚软土地基上跨浅埋地铁桩板结构施工技术研究[J].铁道标准设计，2013(7):16-18.

[13]赵满庆.西宝铁路客运专线沉降评估工作的实施与体会[J].铁道标准设计，2012(7):13-15.

Research on Pile-sheet Structure for Four Lines Subgrade of Baoji South Station on Passenger Dedicated Railway Line from Baoji to Xi’an

ZHANG Hua-ying

(China Railway First Survey & Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Ballastless track is laid on the main line and receiving-departure lines adjacent to Baoji south station on the passenger dedicated line from Baoji to Xi’an. In view of the embankment of 10m height， the ground surface coved with quaternary clayey loess of maximum thickness 30m， the intensive transverse structures in the station， the frequent transition sections and the uncontrollable settlement of subgrade after acceptance， a new kind of structure form of subgrade base with continuous embedded pile-sheet structure for four lines is designed. The observation and evaluation of settlement， the dynamic detection and the operation have shown that the structure works well and effective. Compared with traditional composite ground treatment， the structure is advantageous in settlement control， construction efficiency and reduction of erection time.

Key words：Railway subgrade; Pile-sheet structure; Settlement; Passenger dedicated line

中图分类号：U238； U213.1+5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.005

文章编号：1004-2954(2015)06-0018-05

作者简介：张华莹(1971—)，女，高级工程师，工学学士，E-mail：

收稿日期：2014-09-22； 修回日期：2014-10-09

XAZHHY@163.com。