埋入式连续桩板结构在城市轨道交通中的应用

秦旗

摘 要：埋入式连续桩板结构做为铁路地基处理的一种新型方法，在高速铁路建设中应用已较为广泛，但是在城市轨道交通建设领域却应用较少，本文结合城市轨道交通实例，对埋入式连续桩板结构的具体设计和检算过程进行详细地阐述，并提出了优化桩板结构设计理论和方法的一些建议，供今后同类研究参考。

关键词：埋入式连续桩板结构；轨道交通；结构计算

0.前言

1.做为铁路地基处理的一种新型方法，桩板结构可用于处理松软土、深厚软土路基以及桥隧间短路基过渡段。在国内外的高速铁路建设中均有采用，如隧渝客专、郑西客专、西宝客专等等。与常规的地基处理方法不同，樁板结构具有刚度大、变形小、整体性能好，处理软弱土层深度大，沉降变形控制高等特性[1]。但是目前这种结构形式还仅是在高速铁路工程中采用，在城市轨道交通中应用此种结构形式并不多见。本文主旨是针对城市轨道交通工程周边受限条件多、沉降要求高、桥隧间短路基过渡段多的特点，介绍埋入式连续桩板结构这种新型的地基处理方法。

1.埋入式连续桩板结构

桩板结构主要由钢筋混凝土桩基和钢筋混凝土承台板组成。其主要的工作原理是，由承台板将上部荷载传到桩基，桩基再把荷载扩散到桩间土、下卧层或桩基底岩石层，从而有效控制软弱土路基的沉降与变形破坏[2]。根据承台板埋设位置的不同，桩板结构分为上承式和埋入式两种。上承式是将承台板直接铺于轨道板底面，处理方式与桥梁类似，但受温度影响较大，不利于做成较长的连续结构。埋入式与上承式的不同之处在于：其承台板和轨道板之间还同时设有级配碎石缓冲层和混凝土支撑层，可以有效地降低承载板的季节性温差，同时其一联的长度远远大于上承式桩板结构，又能将桩板结构的不均匀沉降分布到更大的轨道范围内[3]。因此，无论是在其构造处理方面，还是在对不均匀沉降的控制方面，埋入式连续桩板结构都是较佳的结构形式。

埋入式连续桩板结构横向由两根钢筋混凝土桩和桩顶钢筋混凝土承台板形成固定结构。板顶埋置在基床表层级配碎石层底面处，路基填土及地基土给桩提供侧向阻力，由桩、板、填土及地基土共同组成一个承载结构体系，共同承受上部列车和无砟轨道的荷载[4]。其横断面构造见图1。纵向采用连续结构，纵向构造见图2。

图1 结构横向构造

图2 结构纵向构造

2. 城市轨道交通中的应用

2.1工程概况

青岛蓝色硅谷城市轨道交通工程，北宅站至北九水站区间路基为西庵子隧道和地上高架桥之间过渡段，路基长度17.638m。路基段为整体无砟道床，要求工后沉降不小于10mm。工点处于滨海公路绿化带区域内，东侧临近滨海公路，工作面狭窄，不利于大面积进行复合地基处理。

地表为第四系人工弃土（Q4ml），其下为上更新统洪冲积层粉质黏土（Q3al+pl），含黏性土粗砂（Q3al+pl），下伏基岩为花岗岩（γ53）。岩土特征如下：

素填土（Q4ml）：褐色，稍湿，松散，以黏性土、砂土、碎石为主。该层密实程度不均匀，工程性状不稳定。岩土施工工程分级为Ⅱ级。厚度5～6m

粉质黏土（Q3al+pl）：黄褐色，可塑，含有中粗砂和铁锰氧化物，局部夹有碎石和风化碎屑，有光泽反应，韧性一般。该层地基承载力特征值fak=200～220kPa。岩土施工工程分级为Ⅱ级。

含黏性土粗砂（Q3al+pl）：黄褐色，稍湿，中密，以长石、石英为主，磨圆好，分选一般，含有较多黏性土。该层地基承载力特征值fak=280～300kPa。岩土施工工程分级为Ⅱ级。

微风化花岗岩（γ53）：肉红色，粗粒结构，块状构造，矿物蚀变轻微，节理较发育，节里面平直、光滑、闭合，节理面与竖向夹角多小于30度，岩体呈整体块状～巨块状。该层地基承载力特征值fa=5000～6000kPa。岩土施工工程分级为Ⅵ级。

2.2结构形式

该段路基采用埋入式连续桩板结构处理，基床表层采用级配碎石填筑。桩板结构顶面位于基床表层底面处，桩径1.0m，桩深入板底0.1m，桩横向间距5.3m，纵向跨距7.0m，共两跨；桩长9m，桩底嵌入基岩不小于1.0m，桩采用C40钢筋混凝土钻孔灌注桩。板采用C40钢筋混凝土浇筑，边缘厚0.6m，宽11.3m，上部与底部各设一层钢筋网，钢筋采用HRB400钢筋。结构形式详见图3。

图3 路基工点结构详图

2.3设计荷载

结构设计荷载如表1所示，根据铁路标准，无砟轨道桩板结构路基活载图示采用ZK活载，并应乘以动力系数。值得注意的是，ZK活载作用下计算剪力和计算弯矩时的动力系数不同。

表1 设计荷载表

序号 恒载 活载

1 列车竖向活载

2 冲击荷载

3 制动荷载

4 无碴轨道自重

5 表层级配碎石自重

6 承台板自重

7 路堤填土对桩的纵向约束力

8 桩周边正、负摩阻力

2.4结构内力计算矩阵

采用结构力学的力法对埋入式桩板结构进行结构简算，首先将承台板在各跨度中央切开，使之成为基本静定结构体系，以 代表作用于这些切开面处的赘余力，如图4所示，根据切开处变位协调原理可以得出板跨切开处赘余力的列阵[5]，列出力法方程：

图4 计算模型纵断面图

式1

式中： —板跨切开出的赘余力列阵；

—柔度系数对称矩阵；其中 表示当赘余力 =1时，赘余力 处相应于 的位移。

—静定基本体系在外荷载作用下所引起赘余力 处相应于 的位移。

求出当 、 、 、 、 、 分别等于1时：

式2

式2中：

、 —当桩顶作用单位横向力时，桩顶产生的横向位移和转角；

、 —桩顶作用单位力矩时，桩顶产生的横向位移和转角；

、 —根据地基系数法计算，由于地面或局部冲刷线处作用单位横向力而产生的桩在地面或局部冲刷线处的横向位移和转角。

、 —根据地基系数法计算，由于地面或局部冲刷线处作用单位力矩，而产生的桩在地面或局部冲刷线处的横向位移和转角。

将2式与1式合并，同时对矩阵方程组进行求解，可计算得出各跨的赘余力 ，从而将每一根桩和上部的板转化成为普通的静定结构，可采用通用的结构力学方法计算出板任意截面处的弯矩和剪力，同时每一根桩顶的轴向力、垂直桩轴方向的剪力和弯矩也可计算得出。

3.结语

（1）采用埋入式连续桩板结构处理桥隧间短路基是一种非常有效的措施，可以有效的控制路基沉降减小路桥（隧）刚度差，无论是在技术角度还是在经济角度都具有较高的优越性。因此，這种新型的无砟轨道路基结构形式应在城市轨道交通中广泛推广。

（2）目前桩板结构设计基本上都是按铁路规范的容许应力法进行设计，而城市轨道交通中大多数规范均则是采用基于概率理论的极限状态设计法。容许应力法由于对不同的荷载形式均按照容许强度选取统一的安全系数K，往往使得结构设计计算结果过大，偏于保守，会造成一定的设计浪费。因此，在今后的设计研究中应当积极地引入更为经济合理的极限状态法进行结构计算。从而使设计的结构形式更加合理，能够更好地处理结构的安全性和经济性之间的矛盾，体现出设计的优化价值。

（3）在桩板结构检算中结构设计荷载采用铁路规范中ZK活载，与城市轨道交通中的轻型车辆相比，此荷载值偏大，但目前并没有完整的城轨列车荷载模型，应在以后的设计中采用更为合理的城轨列车荷载进行计算，已使结构更加优化。

（4）由于承台板和桩基础均有各自的结构特性，整个结构属于桩一板一土三者共同作用的动态工程问题。目前所进行的结构检算还是基于静态的力学检算，计算结构与实际情况会有一定出入，因此，今后结合变形控制条件对桩板结构的匹配和动力特性进行数值模拟分析是很有必要的。

参考文献

[1].丁兆锋. 路基桩板结构平面简化法则及解析计算[J].铁道工程学报.2011.115（8）：42-46.

[2].罗照新，丁兆锋. 客运专线桩板结构设计方法的探讨[J]. 铁道工程学报.2008.119（8）：33-36..

[3].白 皓，苏谦，钟彪.郑西客运专线埋入式连续桩板结构仿真分析[J].路基工程.2010.150（3）：70-72.

[4].王应铭.郑西高速铁路埋人式连续桩板结构的研究与应用[J]. 路基工程.2010.152（5）：75-77.

[5].黄健平.郑西客运专线路基桩板结构的设计与计算[J]. 广东公路交通.2006（97）.182-185.

[6].王 峰.高速铁路桩板结构应用现状及研究方向[J].铁道标准设计.2011（6）.27-32.

[7].梁 波，邓剑辰.桩板结构路基的动力响应分析[J]. 铁道学报.2008.30（5）.80-84.