徐 燃

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

委內(nèi)瑞拉鐵路車(chē)站硬橫跨基礎(chǔ)選型及計(jì)算研究

徐 燃

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

委內(nèi)瑞拉北部鐵路是中國(guó)中鐵EPC總承包的重要海外項(xiàng)目之一，設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度為220 km/h。在車(chē)站范圍內(nèi)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)采用旋挖鉆鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)計(jì)算相應(yīng)的基礎(chǔ)的埋深、基礎(chǔ)尺寸、錨栓埋深、基礎(chǔ)抗傾覆等均滿(mǎn)足規(guī)范要求。車(chē)站硬橫跨支柱基礎(chǔ)選用旋挖鉆鉆孔灌注樁進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，能達(dá)到事半功倍的效果；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，要考慮美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)以及委內(nèi)瑞拉當(dāng)?shù)匾?guī)范(如荷載系數(shù)的取值、單位差異、風(fēng)荷載)，以及使用的計(jì)算軟件、計(jì)算方法，還要考慮材料強(qiáng)度等級(jí)等。本文所論述的車(chē)站內(nèi)接觸網(wǎng)硬橫跨基礎(chǔ)的選型及計(jì)算，可供參與海外電力及電氣化工程的同行們參考。

基礎(chǔ)選型； 樁基礎(chǔ)； 規(guī)范差異； 計(jì)算

委內(nèi)瑞拉鐵路項(xiàng)目是目前中國(guó)中鐵海外的主要工程項(xiàng)目之一。整個(gè)工程受當(dāng)?shù)貒?guó)情、技術(shù)規(guī)范、法律法規(guī)等多方面因素的制約，再加上設(shè)計(jì)理念和語(yǔ)言環(huán)境的不同，在設(shè)計(jì)上形成了很多問(wèn)題。一些國(guó)內(nèi)的通用的設(shè)計(jì)資料和文件，在委內(nèi)瑞拉當(dāng)?shù)乇仨毟淖冊(cè)O(shè)計(jì)思路，重新對(duì)設(shè)計(jì)文件及圖紙進(jìn)行全方位的優(yōu)化，并且需要得到監(jiān)理工程師的認(rèn)可和批準(zhǔn)后才能施工。

1 基礎(chǔ)選型

我國(guó)在車(chē)站范圍內(nèi)采用硬橫跨支柱通常為圓形鋼管柱和角鋼格構(gòu)式支柱，與支柱配套的接觸網(wǎng)硬橫跨基礎(chǔ)一般是根據(jù)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)提供的相關(guān)土壤參數(shù)和地基承載力，在滿(mǎn)足地基承載力的相關(guān)計(jì)算要求和GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》剛性角要求的情況下，根據(jù)支柱法蘭盤(pán)的尺寸選用預(yù)埋錨栓形式的擴(kuò)大式剛性基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)計(jì)算相應(yīng)的剛性基礎(chǔ)(無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ))的埋深、基礎(chǔ)尺寸、錨栓埋深、基礎(chǔ)抗傾覆等要求時(shí)，很少采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，僅僅是在特殊地質(zhì)區(qū)段配置構(gòu)造鋼筋或加入部分鋼筋籠以加強(qiáng)基礎(chǔ)的剛度。而且剛性基礎(chǔ)作為擴(kuò)大基礎(chǔ)的一種形式，施工時(shí)是需要大開(kāi)挖和深開(kāi)挖的。擴(kuò)大基礎(chǔ)的施工存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：(1)大部分基坑需要人工開(kāi)挖，需要耗費(fèi)大量的人力資源；(2)基礎(chǔ)容易產(chǎn)生滑移或傾斜；(3)基坑坑壁由于開(kāi)挖較深，在重力或其他外力的作用下使土壤剪切力增加，以及地表水作用下土層濕滑承載力降低等原因會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)并坍塌；(4)后期還需要對(duì)基坑進(jìn)行原狀土回填并夯實(shí)；(5)高速鐵路路基為整體路基，大開(kāi)挖容易對(duì)路基整體產(chǎn)生擾動(dòng)。

委內(nèi)瑞拉施工法規(guī)相對(duì)禁止施工基礎(chǔ)時(shí)采用大量人力資源進(jìn)行基坑開(kāi)挖和基礎(chǔ)澆筑的，因?yàn)橐粭l鐵路的接觸網(wǎng)基礎(chǔ)非常之多，委內(nèi)瑞拉當(dāng)?shù)亟邓容^頻繁，擴(kuò)大基礎(chǔ)基坑開(kāi)挖過(guò)后勢(shì)必會(huì)引起積水，加上基坑坑壁容易坍塌，很容易造成人員傷亡事故的發(fā)生。而且大量的人工費(fèi)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)基礎(chǔ)最終的費(fèi)用很高，甚至超過(guò)樁基礎(chǔ)的材料費(fèi)用。

旋挖鉆鉆孔灌注樁由于采用機(jī)械施工，相對(duì)于擴(kuò)展基礎(chǔ)的施工具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)易操作性，工作效率高，鉆孔速度快，人工費(fèi)相應(yīng)節(jié)??；(2)孔壁穩(wěn)定性好，成孔后清孔徹底；(3)在孔壁上會(huì)形成較明顯的螺旋線，有助于提高樁的摩阻力；(4)在地下水位比較低的區(qū)域，可以不考慮排水對(duì)基礎(chǔ)施工造成的影響，鉆孔成型后可直接安放鋼筋籠并在水下用鋼導(dǎo)管灌注混凝土。但灌注樁也存在以下缺點(diǎn)：(1)造價(jià)高，基礎(chǔ)深度更深，在施工完成后如基礎(chǔ)存在缺陷檢測(cè)很麻煩，很多時(shí)候需要廢棄重新澆筑；(2)需要二次清孔，安放鋼筋籠前容易造成沉渣，比較麻煩；(3)接觸網(wǎng)樁基礎(chǔ)的尺寸為1.8 m和2.0 m，因?yàn)樾枰蜕喜夸摻Y(jié)構(gòu)硬橫跨支柱的地腳螺栓尺寸配套，所以比一般的樁徑都大，為非常規(guī)尺寸，在購(gòu)買(mǎi)旋挖鉆鉆頭的時(shí)候需要特殊定制。在與監(jiān)理工程師的數(shù)次討論及研究過(guò)后，為避免對(duì)路基產(chǎn)生擾動(dòng)以及為克服上述擴(kuò)大基礎(chǔ)的問(wèn)題及缺點(diǎn)，同時(shí)在保證施工可靠性和安全性的基礎(chǔ)上，委內(nèi)瑞拉北部鐵路車(chē)站硬橫跨支柱基礎(chǔ)選型最終定為用旋挖鉆鉆孔灌注樁進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

2 中外規(guī)范差異

由于委內(nèi)瑞拉監(jiān)理工程師要求設(shè)計(jì)時(shí)按照委內(nèi)瑞拉當(dāng)?shù)匾?guī)范或美國(guó)規(guī)范進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。經(jīng)認(rèn)真對(duì)比和分析，下面對(duì)中外規(guī)范的一些差異進(jìn)行闡述。

2.1 美國(guó)混凝土建筑規(guī)范ACI318和AASHTO材料規(guī)范的差異

(1)荷載系數(shù)的取值與我國(guó)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的取值方法不盡相同，AASHTO中對(duì)極限狀態(tài)分為強(qiáng)度極限狀態(tài)、極端事件極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)。其中強(qiáng)度極限狀態(tài)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等5種情況，極端事件極限狀態(tài)分為Ⅰ、Ⅱ兩種情況，使用極限狀態(tài)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4種情況，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)相應(yīng)的荷載組合有很多種，還有其他荷載分項(xiàng)系數(shù)需要考慮并代入計(jì)算公式中(具體見(jiàn)AASHTO LRFD SI-2007.3 3.4節(jié))。我國(guó)(GB 50009-2012)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中3.1節(jié)規(guī)定“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)使用過(guò)程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載組合，并應(yīng)取各自最不利的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)”。沒(méi)有美標(biāo)材料規(guī)范中那么復(fù)雜，而且3.2.4中規(guī)定“基本組合的荷載分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2 ，對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35;當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，不應(yīng)大于1.0?？勺兒奢d的分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4 kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載，應(yīng)取1.3；其他情況應(yīng)取1.4”。

(2)單位差異：如混凝土和土壤，國(guó)內(nèi)更多的采用的是材料重度(kN/m3)，而美國(guó)材料規(guī)范中用的是材料密度(kg/m3)；我國(guó)采用的鋼筋尺寸單位為毫米(mm)，而美國(guó)規(guī)范采用的鋼筋尺寸單位是(英寸)。

(3)風(fēng)荷載：接觸網(wǎng)硬橫跨計(jì)算時(shí)需計(jì)算風(fēng)荷載，我國(guó)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和TB 10009-2005《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)風(fēng)壓的計(jì)算、風(fēng)壓高度變化系數(shù)及風(fēng)壓體型系數(shù)均有要求，而AASHTO LRFD SI-2007《美國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出“規(guī)定的壓力應(yīng)假定是由基本設(shè)計(jì)風(fēng)速VB=160 km/h引起的”，其他風(fēng)壓的計(jì)算都必須體現(xiàn)出VB這個(gè)值，對(duì)于接觸網(wǎng)硬橫跨這種鋼桁架結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓的取值也不同。其次，AASHTO中還要求了風(fēng)壓的攻擊角度，這與國(guó)內(nèi)的做法也不盡相同。

2．2 計(jì)算軟件及計(jì)算方法

委內(nèi)瑞拉結(jié)構(gòu)監(jiān)理接受SAP 2000計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算方法上面，美國(guó)規(guī)范ACI318中對(duì)基礎(chǔ)受力的計(jì)算公式基本沒(méi)有，而中國(guó)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及歐洲巖土工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)基礎(chǔ)的計(jì)算計(jì)算公式比較詳細(xì)，最終計(jì)算要求還是同時(shí)按照BS EN1997-1：2004( Eurocode 7：Geotechnical design-Part 1)和JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，以及土彈簧SAP2000建模得來(lái)。

2．3 材料

按照我國(guó)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》混凝土的強(qiáng)度按照混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度分為C15～C80共14個(gè)等級(jí)，而美國(guó)混凝土規(guī)范中的混凝土等級(jí)fcc來(lái)取值(單位我國(guó)規(guī)范是Mpa，美國(guó)規(guī)范是psi)。鋼筋我國(guó)采用的一、三、四等級(jí)的鋼筋，在文件和圖紙中標(biāo)明的是鋼筋代號(hào)(如HPB300，HRB400等)，一般用抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy來(lái)表示；而美國(guó)規(guī)范采用鋼筋的屈服強(qiáng)度f(wàn)y，比中國(guó)的鋼筋強(qiáng)度要高出很多。所以，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的混凝土抗壓強(qiáng)度與鋼筋屈服強(qiáng)度f(wàn)y是配套使用的, 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是用混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì), 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是用混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 樁基設(shè)計(jì)研究

(1)主要按照J(rèn)GJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和BS EN1997-1：2004( Eurocode 7：Geotechnical design-Part 1)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

(2)土彈簧：由于巖土材料結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，以及樁-土耦合結(jié)構(gòu)接觸面上應(yīng)力分布的復(fù)雜性，導(dǎo)致使用有限元軟件很難模擬出這種耦合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。土彈簧法是工程中的一種常用方法，只要選擇的土彈簧個(gè)數(shù)合適，使用土彈簧的彈力來(lái)代替土體抗力是一種切實(shí)可行且非常簡(jiǎn)便的方法。委內(nèi)瑞拉國(guó)監(jiān)理工程師比較認(rèn)可SAP2000的計(jì)算結(jié)果。為了較準(zhǔn)確地計(jì)算橫向荷載作用下樁-土耦合作用下的土彈簧剛度，我們對(duì)Mindlin公式進(jìn)行了研究，得到了力與變形量的關(guān)系。因接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的樁深較小，在計(jì)算中，我們簡(jiǎn)化認(rèn)為深度對(duì)土彈簧剛度的影響較小，只與土體參數(shù)如泊松比、壓縮模量等有關(guān)。

根據(jù)Mindlin公式，樁在水平荷載的作用下，樁土之間的相互作用力也是水平的，可視為半無(wú)限體中的點(diǎn)受橫向荷載的作用。在采用Mindlin的位移解時(shí)，考慮將土體視為各向同性的均值彈性半無(wú)限體，壓縮模量為Es，泊松比為υ。參考國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)及規(guī)范，不考慮土的非線性特征，于是面積S在均布荷載p作用下產(chǎn)生的土抗力(面力)可以用彈簧彈力(集中力)來(lái)代替。于是大面積上部均勻分布的面力可離散為數(shù)個(gè)集中力，如此只需要確定彈簧剛度K和彈簧變形量δ，便可求出每個(gè)土彈簧的力。

3.1 彈簧變形量的確定

根據(jù)微分原理，我們將樁面S分為無(wú)限小的ds。當(dāng)面積ds上作用均布荷載p時(shí)，面ds上的各點(diǎn)的位移是不均勻的(如圖1(a)所示)。在矩形上，4個(gè)角點(diǎn)的位移是最小的，矩形中心處的位移為最大，我們用角點(diǎn)位移的平均值ux來(lái)做彈簧變形量δ，顯然會(huì)導(dǎo)致δ值偏小，最終得到的彈簧剛度值偏大。由圖1(a)中我們可以看出，當(dāng)矩形面積受到沿x方向水平均布荷載p的作用時(shí)，變形如圖1(a)中右側(cè)粗曲線所示，面ds在受到均布荷載的同時(shí)，另一側(cè)仍會(huì)受到彈性力的抗力。此外，由于面s的受荷載側(cè)并未與彈性體發(fā)生脫離，彈性體對(duì)它仍具有約束作用，故受荷載面上還受彈性體對(duì)它的拉力。但實(shí)際上樁土的接觸面上并不能承受上述的拉力，一旦拉力大于0，樁就會(huì)和土發(fā)生脫離(見(jiàn)圖1(b))，產(chǎn)生位移的不連續(xù)性，不會(huì)有拉力來(lái)約束ds面的位移。經(jīng)過(guò)和委內(nèi)瑞拉監(jiān)理工程師的討論，δ的值我們近似取ΔA(由于樁是圓形，ΔA=Δd×dh，h為基礎(chǔ)埋深，dh為均分長(zhǎng)度)。

圖1 Mindlin解所用的模型及變形與樁土實(shí)際變形模型

樁的長(zhǎng)度一般比寬度大很多，通常將樁沿長(zhǎng)度方向(基礎(chǔ)埋深)分成若干等份，每份樁對(duì)應(yīng)的土體用一根彈簧代替，由Boussinesq公式和對(duì)IEEE樁基規(guī)范的研究，近似認(rèn)為一個(gè)土彈簧在集中力F的作用下，分布于面積ΔA=d×dh上的均布?jí)毫Γ?/p>

(1)

由Boussinesq解得在集中力F作用下的位移：

(2)

式中ω為一個(gè)與d、b有關(guān)的形狀系數(shù)，可以得出

(3)

(4)

4 計(jì)算實(shí)例

(1)荷載工況(見(jiàn)表1)

表1 GY1基礎(chǔ)上部荷載

(2)樁頂以下巖土力學(xué)性能(見(jiàn)表2)

表2 樁頂以下巖土力學(xué)性能

說(shuō)明：樁長(zhǎng)5 m，外露0.2 m，基礎(chǔ)埋深4.8 m.

(3)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

首先由梅州市林業(yè)科學(xué)研究所專(zhuān)家組(共13位，其中正高1人，副高7人，中級(jí)職稱(chēng)5人)，各自評(píng)選出鐘花櫻6項(xiàng)指標(biāo)的重要性序列值ei(表2)，然后對(duì)每位專(zhuān)家給出的重要性序列值ei進(jìn)行兩兩對(duì)比設(shè)計(jì)：

本工程采用φ1800、φ2000(單位：mm)兩種機(jī)械挖孔樁，樁頂標(biāo)高+0.2 m，樁端一般在碎巖或頁(yè)巖中，樁身混凝土等級(jí)C25，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=11.9 N/mm2，混凝土彈性模量Ec=2.8×104N/mm2；混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.27 N/mm2，樁長(zhǎng)5 m，埋深4.8 m；鋼筋采用W60鋼筋，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=420 N/mm2，鋼筋彈性模量Es=2.0×104N/mm2。鋼筋參數(shù)如表3所示。

表3 鋼筋表

(4)土彈簧計(jì)算

按照式(4)解導(dǎo)出彈簧剛度：

=2.44 N/cm3

=4.74 N/cm3

于是KR1=KB1×ΔA=2 200 kN/m；

KR2=KB2×ΔA=4 267 kN/m；

將上述參數(shù)代入SAP2000建模，分別在X向和Y向設(shè)置模擬土彈簧，在基礎(chǔ)底部設(shè)置土彈簧(如圖2所示)，將基礎(chǔ)上部受力代入計(jì)算后得到的變形值、軸力圖、彎矩圖和剪力圖,如圖3～圖8所示。

圖2 基本模型及受力

5 結(jié)束語(yǔ)

目前隨著對(duì)海外高速鐵路工程項(xiàng)目的逐步深入了解，接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的選型尤為關(guān)鍵，樁基在安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的優(yōu)勢(shì)決定了我們的研究方向。大直徑樁在上部荷載作用下的工作性狀還需要深入研究。雖然土彈簧能很好的模擬樁基的部分工作性狀和原理，但是在基礎(chǔ)選型完成之后，我們還需要通過(guò)大量不同地區(qū)、不同條件下的現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行修正，形成一個(gè)更為嚴(yán)格的技術(shù)體系，便于該理論更好的應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí)我們還需要不斷摸索總結(jié)各方面的得失，不論設(shè)計(jì)還是施工，都還需要開(kāi)拓適用于海外項(xiàng)目的全新理念和需求，并不斷積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，加快海外項(xiàng)目建設(shè)的步伐。

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Research on Selection and Calculation of OCS Portal Structure in Venezuela Railway Station

XU Ran

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

Venezuela Northern Railway, with design speed of 220 km/h, is one of the key overseas EPC projects of China Railway Engineering Corporation. The rotary drilling bored pile foundation is designed and constructed for OCS post foundation structure in station. The burial depth and size of foundation, the anchor bolt burial depth and foundation antidumping meet the code requirements; and this design and construction method can get twofold results with half the effort. During the calculating of the structure, it is necessary to consider the foreign codes and standards of US, Venezuela local regulations (such as load coefficient values, the difference in units, and wind load), and the calculation software used, calculation methods, and also the materials strength grade. The demonstration of the selection and calculation for OCS portal structure in the paper provides reference for electric engineers both at home and abroad.

foundation selection; pile foundation; codes differences; calculation

2016-01-19

徐燃(1984-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0020—05

TU47

A