淺談樁板結(jié)構(gòu)樁基計(jì)算

【摘要】樁板結(jié)構(gòu)路基的樁基屬于直徑較大的挖孔灌注嵌巖樁，其荷載傳遞具有摩擦樁的特性；與土體相比，樁承擔(dān)了絕大部分的動(dòng)力荷載，且加載頻率和激振位置對(duì)動(dòng)應(yīng)力有明顯影響。正是由于樁基加深了這種影響，使得路基中土體的受力情況得到顯著改善，從而使沉降量在工后可以滿足鋪設(shè)無(wú)碴軌道的要求。本文主要針對(duì)樁板結(jié)構(gòu)中樁基的計(jì)算進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】無(wú)砟軌道；樁板結(jié)構(gòu)；樁基設(shè)計(jì)；負(fù)摩阻力；承載力檢算；沉降計(jì)算

【Summary】The pile foundation of pile-plank embankment is a kind of bored piles with large diameter， and its loading transfer has a feature of friction piles. Comparing to soil，the pile has shared most of the dynamic loading. And the loading frequency and the position of tremor have effects on dynamic stress. Pile foundation expands of the dynamic impact range of the sub-base and improves the loading carrying status of the soil of the sub-base. The settlement meets the requirements of the settlement in terms of construction of ballasted track. This paper discusses the calculation of pile foundation in pile-plank embankment.

【Key words】ballastless track； pile-plank embankment； pile foundation； bearing capacity checking； negative friction Settlement calculation.

樁板結(jié)構(gòu)路基（pile-plank embankment）作為近年來(lái)一種新興的高速鐵路無(wú)碴軌道的路基結(jié)構(gòu)形式。它的上部結(jié)構(gòu)主要是由鋼筋混凝土承載板構(gòu)成，下部結(jié)構(gòu)則包括路基和鋼筋混凝土樁基兩部分；且板與軌道結(jié)構(gòu)直接相連，由此，可將樁、板、土路基三者組成一個(gè)完整的承載結(jié)構(gòu)體系。此體系充分結(jié)合了無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，使二者能共同作用，以滿足無(wú)碴軌道所要求的強(qiáng)度與沉降變形。本文主要以鄭西線臨潼車站為例，考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁的影響，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)樁基計(jì)算進(jìn)行研究，以期達(dá)到能夠初步確定負(fù)摩阻力深度、得到計(jì)算樁基負(fù)摩擦的方法和樁基承載力檢算方法等目的。

1、結(jié)構(gòu)形式

樁板結(jié)構(gòu)（piled slab structure）是隨著鐵路的建設(shè)而出現(xiàn)的一種新型軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，最顯著的特征是該結(jié)構(gòu)擁有與路基土體相互作用的鋼筋混凝土板，并且該板受其下路基土體的支承作用，同時(shí)樁在全長(zhǎng)范圍內(nèi)受路基土體的側(cè)向約束作用[1]。如圖1所示：其中，板是設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的構(gòu)件。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外工程的實(shí)踐應(yīng)用情況，樁板結(jié)構(gòu)主要有如下2種形式： （1）結(jié)構(gòu)由樁、鋼筋混凝土板、路基土體三部分組成，板位于路基表面，并與樁固結(jié)，軌道結(jié)構(gòu)直接作用在板上，如圖1所示；（2）結(jié)構(gòu)由樁、托梁、鋼筋混凝土板、路基土體四部分組成，具體為：先通過(guò)托梁橫向連接樁基，其上再與板相連，軌道結(jié)構(gòu)直接作用在板上；在板中位置處，樁板為固結(jié)；在板端位置處，樁板為搭接；如圖2所示[3]；

2、國(guó)內(nèi)工程實(shí)例

我國(guó)第一次采用樁板結(jié)構(gòu)是在遂渝線無(wú)砟軌道綜合試驗(yàn)段上。遂渝線采用的樁板結(jié)構(gòu)樁與板完全固結(jié)，板有單線跨度6×5m、5×5m、（5+10+5）m3種規(guī)格。其中，（5+10+ 5）m用在跨涵洞地段，其他兩種用于一般地段。同時(shí)板厚分情況設(shè)計(jì)：一般地段為0.6m，跨涵地段為0.8m。由于遂渝線是我國(guó)首次在土質(zhì)路基上鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，為了施工的成功，還特意在板下澆筑了厚約0.1m的混凝土層。

對(duì)于新建的鄭州至西安客運(yùn)鐵路段（350km/h），為典型的雙線無(wú)碴軌道。由于其位于深度濕陷性黃土地段，深度超過(guò)20m，故普通復(fù)合地基的措施難以滿足設(shè)計(jì)要求，所以最終采用了帶托梁的樁板結(jié)構(gòu)。其中托梁采用現(xiàn)澆混凝土梁；板采用厚為0.6～0.8m、寬為10.5m的鋼筋混凝土板；樁采用鉆孔灌注樁；需要注意的是：在板的中間位置，樁與板是固結(jié)的；而在板端位置，樁與板是搭接的。京津城際鐵路是我國(guó)第一條時(shí)速300km以上的高速鐵路，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)到350km。

京津城際鐵路有三段路段因路基工后沉降或地基強(qiáng)度不能滿足鐵路建設(shè)技術(shù)要求，而采用了樁板結(jié)構(gòu)。其中DK81+906～DK84+000段的樁板結(jié)構(gòu)，樁采用的是CFG樁，樁頂設(shè)0.15m厚碎石墊層，碎石墊層上設(shè)0.5m厚的鋼筋混凝土板；DK105+337.2～DK108+723.91段的樁板結(jié)構(gòu)，樁采用了預(yù)制管樁及CFG樁，樁頂設(shè)0.15m或0.5m厚碎石墊層，碎石墊層上面設(shè)0.5m厚的鋼筋混凝土板；DK108+365～DK108 + 449段樁板結(jié)構(gòu)，樁采用鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)0.5m厚碎石墊層，碎石墊層上設(shè)0.5m厚的鋼筋混凝土板。這三段樁板結(jié)構(gòu)，均在板上又填筑了一定厚度的路基填料，然后在其上采用了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

3、樁板結(jié)構(gòu)樁基計(jì)算

本文主要以鄭西線臨潼車站為例，闡述以上述結(jié)構(gòu)類型2為模型的樁基設(shè)計(jì)。就高壓縮性土層而言，我們考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁的影響，具體為阻力計(jì)算深度增大導(dǎo)致樁長(zhǎng)度太大，從而使施工難度系數(shù)增加[3-4]。

下述內(nèi)容將對(duì)鉆孔灌注樁考慮負(fù)摩阻力情況下樁基的計(jì)算方式、承載力檢算方式、沉降檢算方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。

3.1負(fù)摩阻力深度確定

樁負(fù)摩阻力，即樁在穿越軟弱土層的過(guò)程中，由于某種原因的發(fā)生，軟土層可能出現(xiàn)地面沉降、或黃土因濕陷而下沉等現(xiàn)象。此時(shí)，樁周圍的土體相對(duì)于樁身產(chǎn)生向下的位移，使樁身承受向下作用的摩擦力，這部分摩擦力即為負(fù)摩阻力[5]。

中性點(diǎn)，在地面發(fā)生沉降的地基中，長(zhǎng)樁的上部為負(fù)摩擦力而下部往往仍為正摩擦力.正負(fù)摩擦力分界的地方稱為中性點(diǎn).。

為確定樁基的負(fù)摩擦計(jì)算深度，根據(jù)附加應(yīng)力小于0.2倍自重應(yīng)力的條件，荷載影響的附加應(yīng)力等于土體自重的附加應(yīng)力的0.2倍時(shí)，即為本工程的計(jì)算深度。路基填土容重為19KN/m3，地基地層的容重為17KN/m3，僅考慮樁板結(jié)構(gòu)寬度范圍板下部填土影響時(shí)，我們分別對(duì)填土高度為3m～8m的各種情況進(jìn)行了計(jì)算。具體情況如下：

據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)范相關(guān)規(guī)定，中性點(diǎn)深度ln，在黏性土層中折減系數(shù)一般取為0.5～0.6倍，當(dāng)樁周土層計(jì)算沉降量小于20mm時(shí)，可以進(jìn)一步折減0.4～0.8倍。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合臨潼車站已

樁板結(jié)構(gòu)施工前已經(jīng)采用復(fù)合地基加固，從而已經(jīng)進(jìn)一步縮小了沉降的實(shí)際情況。在施工工序上樁板結(jié)構(gòu)的施工在路基填土完成后1個(gè)月以上的時(shí)間才開(kāi)始施工下部樁基，使得樁板結(jié)構(gòu)下部地基的剩余沉降較小，負(fù)摩擦深度可以進(jìn)行折減。我們最終確定此工程折減系數(shù)為0.5倍，并按照5～10m的深度考慮負(fù)摩擦力的影響。

3.2計(jì)算樁基負(fù)摩擦的方法

3.3樁基承載力檢算

在此計(jì)算實(shí)例中，由于臨潼東站地基下部均為厚層黏性土，可按摩擦樁進(jìn)行承載力檢算[7]。

3.4樁基沉降計(jì)算

沉降檢算分別按照單樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

對(duì)于樁底壓縮層沉降計(jì)算深度按照附加應(yīng)力小于0.2倍的地層的自重應(yīng)力進(jìn)行控制，根據(jù)檢算結(jié)果樁端土層的平均附加應(yīng)力均小于0.2倍的土層的自重應(yīng)力，樁端沉降可以忽略，樁基沉降僅需考慮樁本身的壓縮變形部分。

對(duì)樁基深度范圍單樁壓縮變形按照以下公式計(jì)算：

結(jié)語(yǔ)：

目前樁板結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用與高速鐵路地基處理中，特別是在時(shí)速300km/h在無(wú)砟軌道鐵路路基地基處理中。對(duì)于解決軟土地基，巖堆及橋隧間短路基有顯著效果。能有效改善傳統(tǒng)土工建筑與結(jié)構(gòu)建筑之間的過(guò)渡條件。

鄭西客專經(jīng)過(guò)7年的運(yùn)行，證明樁板結(jié)構(gòu)效果良好，安全可行。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，負(fù)摩擦阻力跟土體的壓縮性，濕陷性密切相關(guān)，目前埋入式樁板結(jié)構(gòu)地基處理時(shí)，負(fù)摩擦阻力影響范圍內(nèi)，樁側(cè)提供正摩擦力在設(shè)計(jì)中不予以考慮。在樁板結(jié)構(gòu)施工前會(huì)采取以消除從而進(jìn)一步減小負(fù)磨擦阻力折減系數(shù)，提高樁的有效長(zhǎng)度，可以提高樁板結(jié)構(gòu)在將來(lái)的應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

但樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中仍然存在以下問(wèn)題：

1.樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目前尚沒(méi)有具體的規(guī)范，高壓縮土層負(fù)摩擦阻力折減系數(shù)只能靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，相對(duì)保守。

2.對(duì)于板的支承能力，目前沒(méi)有考慮土體對(duì)板的支承和約束。僅僅考慮了樁的作用，計(jì)算中明顯偏于保守，加強(qiáng)對(duì)土-樁-板之間的作用關(guān)系的研究能大大提高樁板結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

3.對(duì)于樁與板連接處、連續(xù)板的兩端、板上下產(chǎn)生的溫差所帶來(lái)的溫度應(yīng)力勢(shì)必會(huì)造成結(jié)構(gòu)中部分地方的應(yīng)力集中，對(duì)于樁板結(jié)構(gòu)的安全影響也不可低估。所以對(duì)溫度應(yīng)力對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的影響的研究，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)有著重要的指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：

陳渝江（1984?.05— ），男，重慶人，本科，工程師，主要研究方向：路基工程設(shè)計(jì)。