深厚软土地区现代有轨电车减沉疏桩一体化结构桩土承载计算方法
2021-10-26郭清超
郭清超
上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125
某现代有轨电车工程位于长三角地区堆积平原，所处地层为第四纪沉积物，浅层分布较厚的③1层淤泥质粉质黏土及④层淤泥质黏土等饱和软土，该土层具有含水量高、孔隙率大、压缩性高的特点。因为现代有轨电车采用整体道床结构，对工后沉降要求严格[1]，所以在沿海深厚软土地区需采用一定的地基处理方式才能满足工后沉降的要求。该工程首次将减沉疏桩一体化结构应用于现代有轨电车工程，可有效减少工后沉降，并且在施工周期、管线影响、经济性等方面具有优势[2]。
深厚软土地区减沉疏桩一体化结构每个结构单元长度约20m，两单元之间采用变形缝连接。整体道床板与支撑板合二为一，采用钢筋混凝土结构承担电车轮载。桩径为300～400mm，每股道横向布置2根桩，桩间距沿线路纵向为5～7m。桩顶设置横梁，中跨位置桩、横梁与支撑板浇筑成整体固结，边跨位置桩与横梁固结，两侧承载板搭接于梁顶。
采用减沉疏桩设计理念，电车荷载及结构自重除由桩基础承担外，桩间土在结构受力中可发挥一定承载作用。该结构在现代有轨电车工程中应用较少，同时考虑到桩土共同作用受力状态较复杂，因此有必要对深厚软土地区该结构的受力状态、桩土承载分担情况进行研究。
1 规范复合疏桩基础桩土承载分担分析
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[3]，软土地区复合疏桩基础复合基桩承载力的计算式为
式中：Ra为桩顶承受荷载；n为桩数；Fk、Gk分别为附加荷载和自重；为承台效应系数；为桩间土承载力特征值；为承台净面积。
有轨电车荷载轴重为125kN，轮轨冲击系数取1.3，桩间土地基承载力特征值取60kPa。基桩承载力设计时按基桩承担荷载最大情况考虑。对于有轨电车桩板结构，转向架位中心于横梁重合时基桩承担荷载最多，桩间土承担荷载最少。计算时承台宽度取板宽2.6m，承台长度取一跨长度5m。
经计算，F桩间土=224.8kN，F桩=116.6kN。桩间土约承担总荷载的66%，基桩承担总荷载的34%。
2 弹性地基梁法计算
考虑桩土共同承载作用时可采用弹性地基梁模型，基桩位置采用刚度较大的桩弹簧支承，桩弹簧之间采用刚度较小的土弹簧支承。减沉疏桩一体化结构简化模型如图1所示。其中，P为电车轮载，a为结构跨距。
图1 弹性地基梁计算模型图
地基土弹簧可根据勘察报告提供数或《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）[4]取值。桩弹簧为桩体本身弹簧与桩端土弹簧刚度串联弹簧[5]。
式中：K为桩弹簧刚度；K1为桩身弹簧刚度；N、Nf为基桩承载力和桩侧摩阻力，可根据勘察报告提供参数计算；Ap为基桩截面面积；Es为桩身混凝土弹性模量；l为桩长；K2为桩间土弹簧刚度；Es1为桩端土变形模量；dp为桩径；v1为桩端土泊松比。
根据上述计算方法可得，桩间土地基弹簧刚度取4600kN/m3。计算结果显示，桩顶承受的总荷载为480kN，桩间土承受的总荷载为188.7kN。桩间土约承担总荷载的28%，基桩承担总荷载的72%。
3 三维有限元模型分析
有限元模型中钢轨采用梁单元，扣件采用弹簧单元，支撑板、横梁、桩基及地基土均采用实体单元。桩与梁、中跨梁与板采用共节点连接，边跨梁与板采用摩擦接触单元连接，桩、梁、板与地基土之间采用摩擦接触单元链接。电车荷载以4个集中荷载形式作用在钢轨上。
接触单元摩擦系数取0.3。钢轨及钢筋混凝土取材料相应模量。地基土模量一般可取为压缩模量的2～5倍[6]。
计算模型荷载位置如图2所示，计算有轨电车轮对作用于钢轨顶面时，桩顶及桩间土荷载分担情况。
图2 荷载平面示意图
计算模型在地应力平衡后施加有轨电车轮对荷载，计算结果如图3、图4所示。
图3 地基反力横向分布图
图4 地基反力纵向分布图
计算结果显示，通过支撑板后地基应力明显减小[7]，横向地基反力最大值位于轨道中线位置。地基反力横向分布均值为5.2kPa，纵向地基土反力最大值位于轮对作用区域，沿纵向呈梯形分布形式。桩顶承受总荷载为456kN，桩间土承受总荷载为232kN。桩间土约承担总荷载的33%，基桩承担总荷载的67%。
4 结论
（1）现代有轨电车减沉疏桩一体化结构一般采用摩擦桩设计，桩间距沿线路纵向为5～7m，设计计算中应考虑桩间土的支承作用。
（2）根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008），复合疏桩采用承台效应系数考虑桩间土作用，桩间土承载力充分发挥，剩余荷载由基桩承担，计算结果显示桩间土荷载分担比例偏大，约占总荷载的66%；弹性地基梁模型和三维有限元模型计算结果较为接近，桩间土分担比例约占总荷载的30%。
（3）建议设计计算时减沉疏桩一体化结构考虑桩间土承载作用，采用弹性地基梁模型计算。如现场桩间土不满足要求可进行碾压或浅层换填处理，从而提高桩间土支承刚度。
