京沪高铁深埋式桩板结构设计计算方法分析

刘宝，苏谦，赵文辉，张健，张礼财

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

京沪高铁深埋式桩板结构设计计算方法分析

刘宝，苏谦，赵文辉，张健，张礼财

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

深埋式桩板是高速铁路无砟轨道路基的一种新型结构形式，其设计方法及计算理论目前还不成熟。本文结合京沪高速铁路深厚软土地基低矮路堤深埋式桩板结构的设计参数，建立二维和三维的有限元模型，计算得出桩板结构内力分布和变形特性等。对比分析二维和三维的有限元计算表明，二维与三维框架法计算结果接近，且均满足无砟轨道的控制指标要求。为了便于设计计算，建议按照二维框架法计算结构内力。

高速铁路 低矮路堤 深埋式桩板结构 设计计算

近年来随着高速铁路建设的蓬勃发展，由于其功能上的优越性，在深厚软土、松软土地区桩板结构得到了广泛应用［1-7］。桩板结构根据埋设位置的不同，分为非埋式、浅埋式及深埋式三种，相应的适用范围也不一样。京沪高速铁路虹桥枢纽段地处长江三角洲滨海平原区，该段均为第四系地层覆盖，由江河、湖泊、海相沉积形成，广泛分布厚35～40 m的淤泥质软土。高速铁路无砟轨道严格的工后沉降控制标准对深厚软土地基处理提出了更高的要求［8］，京沪高速铁路上海虹桥站附近就首次采用了深埋式桩板式结构。非埋式、浅埋式桩板结构的设计计算理论均是将其简化为平面模型进行考虑［1，5，9］，深埋式桩板式结构与它们在结构形式上有较大的差异，以往的计算方法是否适用还有待检验。本文结合京沪高速铁路深厚软土地基低矮路堤桩板结构工程实例，建立二维和三维的有限元模型，对相应的内力分布和变形特性进行对比分析，提出深埋式桩板结构的设计计算方法。

1 工程概况

京沪高速铁路深厚软土地基低矮路堤桩板结构工点位于上海虹桥站附近，长216 m，正线地基设计方案采用钻孔灌注桩+C40钢筋混凝土板加固+联合预压土柱(土柱高2.0～3.0 m);其左右两侧采用搅拌桩加固，间距1.2 m，按正方形布置。基床表层0.4 m采用级配碎石填筑，基床底层及基床以下路堤填料为湖州碎石土，属A，B组填料。板底铺15 cm厚C15混凝土找平层，搅拌桩桩顶设置0.6 m砂垫层，并于其间铺设一层双向高强土工格栅。路堤边坡高＜3.0 m，边坡采用混凝土空心砖内培土撒草籽、种植灌木防护，边坡坡率为1∶1.5。

采用深埋式桩板结构，板顶位于地面线以下，距基床表层顶面1.39～1.57 m。为结合实际研究桩板结构的性能，根据构造要求和受力特点确定截面尺寸为: C40钢筋混凝土板，厚度80 cm;板梁沿线路方向长27 m，横向宽度13 m。即纵向跨度方向，2.5+7+8+7+ 2.5=27 m，横向跨度方向，1.3+4×2.6+1.3=13 m。为了减少边跨跨中弯矩和桩的不平衡弯矩及减少圬工，纵横向两边均设为悬臂端［7，10］。钻孔灌注桩桩径0.8 m，桩长45.5～46.0 m，每联有4×5(纵×横)=20根桩。加固区域的横断面见图1。

图1 深埋式桩板结构横断面

2 数值模拟计算

2.1 计算模型

由于钢筋混凝土板中间每个格区都是四边支撑，其长边与短边之比＞2且＜3，文献［11］指出应以短边为跨度按单向板计算，而文献［12］指出应按双向板计算;当按沿短边方向受力的单向板计算时，应沿长边方向布置足够数量的构造钢筋。利用Sap2000对桩板结构分别进行三维和二维框架计算分析。三维计算将板梁按厚板或薄板单元离散，桩以杆件单元离散，桩上每单元节点上施加点弹簧，以考虑桩侧土对桩的约束作用，其模型见图2。二维计算把空间的桩板结构分别按纵向、横向转化为平面框架结构进行分析，其模型见图3。框架结构各断面按板梁、桩实际尺寸设定，将荷载分别作用在空间和平面杆件上，计算各部件的内力与变形，建立的模型都考虑地基土刚度对桩板结构的影响，即地基土与桩板结构的相互作用。

图2 三维框架计算模型

图3 二维框架计算模型

2.2 计算工况

桩板结构设计应根据结构自身受力特性，考虑以下各荷载工况，就其可能的最不利组合情况进行设计。

1)恒载

包括钢轨、扣件、轨道板、混凝土底座及路基本体和板梁自重。

2)列车活载

采用ZK—活载进行分析，并按规范［8］计算动力系数，以考虑动荷载对桩板结构的影响。

3)混凝土收缩徐变

根据规范，相当于对板梁施加－15℃的轴向温升。

4)支座不均匀沉降

计算设计时为了简化计算，考虑多支座的不均匀沉降量为5 mm计算最不利荷载。且为了与二维模型进行比较分析，只考虑桩基纵向不均匀沉降，横向为均匀下沉。

5)桩侧土的模拟

考虑桩侧土的约束作用，利用等代弹簧刚度模拟桩侧土的弹性抗力，桩侧为水平弹性约束，桩底竖向固结，桩头深入板内10 cm，故桩与板固结。模型中，沿单桩桩体每米分割为一个节点，建立节点弹簧，弹簧刚度kz计算如下

式中:kz为弹簧刚度，kN/m;m为地基系数的比例系数，MN/m4;z为桩深，m;b0为桩的计算直径，应考虑受力条件、形状和各桩之间相互影响系数来修正桩的直径。

6)板梁底部土的模拟

文献［13］指出，地基土的支撑使桩板结构内力减小，考虑列车长期荷载作用下地基土可能发生脱离，设计中地基土对板的支撑可视为安全储备即不考虑地基土对板的支撑作用。

3 计算结果分析

3.1 弯矩比较分析

取横向13 m宽度内积分点的单元宽度弯矩平均值乘以13 m换算得到的弯矩与二维框架的弯矩比较，见图4。三维框架13 m宽的换算最大正负弯矩为6 548.49 kN·m和－9 404.31 kN·m;二维框架的最大正负弯矩为6 522.98 kN·m和－10 099.75 kN·m;三维和二维相比，计算结果接近。为了便于设计计算，建议按照二维框架的最大正负弯矩进行配筋。

图4 板梁三维与二维纵向弯矩包络图

3.2 轴力比较分析

由桩板结构三维和二维框架计算可求得桩顶荷载，桩基处于三维受力状态，桩长按承载力控制，并做沉降验算，可按m法计算设计，桩基轴力见图5、图6。

图5 边桩单桩轴力

图6 中桩单桩轴力

由图可见，横向5根桩的桩顶轴力略有差异但量值不大。边桩三维和二维计算出来的桩顶最大轴力分别为1 613.71 kN和1 583.78 kN;中桩三维和二维计算出来的桩顶最大轴力分别为2 112.27 kN和2 135.27 kN。三维可计算出单桩的轴力;而二维只能得出各排桩基的轴力，再除以桩根数从而得出单桩轴力。将三维与二维计算结果比较可知，对于边排桩，三维和二维桩基轴力分别为7 688.9 kN和7 918.9 kN;对于中排桩，三维和二维桩基轴力分别为10 201.17 kN和10 676.35 kN。根据地质资料，得出单桩容许承载力为2 312.833 kN，大于单桩所承受的最大荷载2 135.27 kN，承载力满足要求。

3.3 桩基水平位移分析

三维计算边桩及中桩单桩最大水平荷载分别为13.75 kN及8.92 kN，桩顶水平位移分别为2.2 mm及1.5 mm;二维边桩及中桩单桩最大水平荷载分别为15.05 kN及8.75 kN，桩顶水平位移分别为2.5 mm及1.5 mm。满足规范［14］要求。

4 结论

通过对京沪高速铁路深厚软土地基低矮路堤桩板结构的设计计算方法的探讨及实例分析，主要得出以下结论:

1)按等代墩基法计算深埋式桩板结构的总沉降量满足无砟轨道的设计要求。

2)经过三维框架有限元计算可知，板梁当作单向板进行计算配筋时，沿线路横向布置钢筋，在桩与板的接触处局部荷载较大，可布置足够数量的抗冲切箍筋或弯起钢筋。

3)通过三维与二维结果的比较分析，对于板梁纵向内力，二维框架法算出的结果与三维结果接近。为了便于设计计算，建议按照二维框架的最大正负弯矩进行配筋。

4)对于桩基承载力及其变形，二维框架法算出的结果与三维结果接近，均满足无砟轨道的控制指标要求。

［1］苏谦．郑西客运专线深厚湿陷性黄土地基桩板结构设计分析［J］．铁道建筑技术，2007(2):1-4．

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［3］魏永幸．客运专线无砟轨道桩—板结构路基［J］．铁道工程学报，2008(4):19-22．

［4］张定邦，朱金凤．新型CFG桩板结构加固软土地基模拟研究［J］．铁道建筑，2012(12):75-78．

［5］黄健平．郑西客运专线路基桩板结构的设计与计算［J］．科技交流，2007，36(4):126-130．

［6］詹永祥，蒋关鲁，牛国辉，等．武广线高边坡陡坡地段桩板结构路基的设计理论探讨［J］．铁道工程学报，2007(增): 94-101．

［7］薛照钧．铁路客运专线软弱地基低矮路堤采用无梁板桩柱结构技术研究［J］．铁道工程学报，2007(5):12-15．

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［9］詹永祥．高速铁路无碴轨道桩板结构路基设计理论及试验研究［D］．成都:西南交通大学，2007．

［10］彭伟，黄云德．房屋建筑工程——设计与施工［M］．成都:西南交通大学出版社，2005．

［11］中华人民共和国铁道部．TB 10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

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［13］姚洪锡．武广客运专线软土地基桩板结构设计与应用研究［D］．成都:西南交通大学，2009．

［14］中华人民共和国建设部．JGJ 94—94建筑桩基技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，1995．

Analysis of design method of deep buried sheet-pile structure on Beijing-Shanghai high speed railway

LIU Bao，SU Qian，ZHAO Wenhui，ZHANG Jian，ZHANG Licai
(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

As a newly-developed structure for the ballast track of high speed railway，deeply-buried piling board structure still falls behind in terms of designing approach and calculation theory．the paper takes reference from the designing parameters of the deeply-buried piling board structure embedded to the low embankment on deep-soft soil subgrade along Beijing-Shanghai railway．It applies both 2D and 3D finite-element models to the calculation of the internal force distribution and deformation characteristics of the piling board structure．A comparison of data from the 2D and 3D models indicates that the two approaches lead to fairly consistent results，both of which conform to relevant regulation index．T he paper suggests the 2D model for future study，as it streamlines the calculation process and delivers accurate results．

High speed railway;Low embankment;Deeply-buried piling board structure;Design and calculation

U213．1+5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．30

1003-1995(2015)04-0113-04

(责任审编孟庆伶)

2014-05-19;

2015-01-06

国家自然科学基金项目(51378441)

刘宝(1988—)，男，山东单县人，博士研究生。