桩板结构技术应用研究

2010-08-03郭丽娜

铁道标准设计 2010年2期

肖宏,郭丽娜

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

1 桩板结构的提出

路基作为一种柔性土工结构物,由于其填料取材便利、工程造价低等经济因素,以及施工简单、易于养护维修等技术因素被广泛应用于铁路工程。路基一般是由散粒体材料填筑而成,在使用过程中会发生一定量的沉降变形是其固有的特性。因此,对于以往土质路基上采用有砟轨道结构形式一般是必要的。随着经济和技术的发展,列车速度和密度的增加,轨道结构的养护维修变得越来越困难,对路基结构的形式提出了新的要求,而无砟轨道结构因其高平顺性和少维修甚至免维修的优点,在国外高速铁路上获得了广泛应用。日本明确表示 350 km/h的高速铁路应采用无砟轨道。德国也建议高速铁路应采用无砟轨道,认为当运营速度超过 300km/h时,有砟轨道会出现道砟粉化现象,需要经常维修,致使其最终成本要比无砟轨道高。无砟轨道已成为客运专线的发展趋势[1]。

无砟轨道对沉降变形,特别是不均匀沉降变形的要求很严格。对于调高量为 30mm的扣件,扣除施工误差 -4～+6mm,仅有 20mm可以调整,再考虑列车运行时需要预留 5 mm的余量,实际留给运营期间路基沉降的允许调整量仅为 15mm[2]。如果采用传统的路基结构及填料,则路基总沉降、工后沉降、差异沉降均较难满足要求;目前我国高速铁路正在实施跨越式发展,建设规模大、线路长,区域地质条件复杂,整条线路都使用优质填料,无论从成本上还是优质填料的来源上都存在着很大困难。因此,在我国高速铁路工程设计中,通常遇到沉降难以控制的地段,就会将路基方案改为桥梁结构,采用“以桥代路”。相比而言,桥梁结构的横向稳定性方面较差,尤其在曲线段上,横向稳定性问题成为设计考虑的主要因素。此外,我国在大力建设新线的同时,也同样面临着大量的旧线改造工程,而桥梁结构造价很高,在财力有限的前提下,迫切需要寻求一种强度高、刚度大、稳定性和耐久性好,并且建筑成本适当、施工工艺简单、环保型的新结构新工法。

另外,铁路的运营速度与轨道的临界速度有着内在的联系,而轨道的临界速度又与轨下基础刚度直接相关[3]。根据相关文献[4],要实现运营速度 300 km/h的目标,轨道临界速度应达到 450km/h以上。而对于一般的路基结构,甚至是经复合地基加固后的路基均达不到如此高的轨道临界速度。因此,为满足高速铁路高速行车需要,尤其是≥300 km/h的高速度需要,我们同样迫切需要寻求一种新的结构形式,这种结构应整体性强、施工工艺简单、工程造价合理、轨道临界速度应达到高速铁路的运行要求。这种结构即桩板结构。

2 桩板结构技术

2.1 概述

桩板结构(piled slab structure)是随着铁路的建设而出现的一种新型轨下基础结构形式,最显著的特征是该结构拥有与路基土体相互作用的钢筋混凝土板,并且该板受其下路基土体的支承作用,以及桩在全长范围内受路基土体的侧向约束作用,如图1所示。其中,板是设计中最关键的构件。根据目前国内外的工程实践应用情况,桩板结构主要有如下 3种形式:(1)结构由桩、钢筋混凝土板,以及路基土体三部分组成,板位于路基表面并与桩固结,轨道结构直接作用在板上,如图1(a)所示;(2)结构由桩、托梁、钢筋混凝土板,以及路基土体四部分组成,具体为先通过托梁横向连接桩基,其上再与板相连,轨道结构直接作用在板上;在板中位置处,桩板为固结,在板端位置处,桩板为搭接,如图1(b)所示;(3)结构由桩、钢筋混凝土板及路基土体三部分组成,具体为桩顶位于路基土体中,施工时先在桩顶铺一定厚度的碎石垫层,再放置钢筋混凝土板,然后再填筑剩余路堤填料,最后进行轨道结构施工,如图1(c)所示。

图1 桩板结构形式

2.2 国内外研究现状

桩板结构在国内外均有一定的工程应用,理论研究滞后于工程实践。

(1)工程应用方面

桩板结构目前主要应用于铁路领域,较早应用的是芬兰。20世纪90年代,在芬兰 Humppila附近的 Ermanninsuo地区,曾是沼泽地,设计的 Turku-Toijala铁路线要从这里通过,建成后这将是一条运输繁忙的干线。为了有效控制沉降,并满足列车运行速度 170 km/h的要求,采用了大约 400m的桩板结构,上部采用的是有砟轨道结构[5]。不幸的是,这段铁路在 2004年春天发生了塌陷,塌陷的部分长达 40m,最严重的地方轨道下沉了 40 cm,如图2所示。塌陷的地段在2004年冬～2005年进行了重修,措施是用了更长的桩和更大的板,具体为用新的预制混凝土板和与轨道平行的支承梁,并用钢筋混凝土桩进行支承。

图2 芬兰的桩板结构

荷兰高速铁路南段(HSL-S)是阿姆斯特丹到布鲁塞尔和巴黎国际高速铁路的荷兰部分,地质条件为海相沉积,土质极软。为建设高速铁路,铺设了一段500m的路基试验段。测试结果表明[4],采用一般方法填筑的路基,轨道临界速度只能达到 206 km/h,采用桩基和土工布加固路基以及硬石膏——水泥混合桩加固路基,轨道临界速度可达到 360 km/h和 440 km/h。但要实现运营速度 300 km/h的目标,轨道临界速度应达到 450 km/h以上,传统的路基结构无法满足要求,最后采用了桩板结构,使轨道临界速度达到 500 km/h。该工程轨道结构采用了 Rheda 2000型无砟轨道结构[6],如图3所示。

图3 荷兰段HSL-S段——桩板结构(单位:m)

德国 Nuremberg-Ingolstadt新建线的北段地基由第四纪上层和下面的中侏罗纪早期土层组成,层厚为 5～20m不等,土质为黏性土夹砂质土。这种土易下沉,还具有膨胀性。为了满足设计最高速度 330 km/h、最高运营速度 300 km/h的要求,在地质条件较差、地下水位较高的地段采用了桩板结构,约有3543m。上部结构采用的是无砟轨道结构[7],如图4所示。此外,英国的 CTRL线上也采用了桩板结构,如图5所示。

图4 德国高速的桩板结构

图5 英国CTRL线上的桩板结构

我国第一次采用桩板结构是在遂渝线无砟轨道综合试验段上。遂渝线采用的桩板结构桩与板完全固结,板有单线跨度 6×5m、5×5m、(5+10+5)m 3种规格。其中,(5+10+5)m用在跨涵洞地段,其他两种用在一般地段。桩板结构用桩为人工挖孔灌注桩,桩径 1.2m;用的板宽 4.4m,板厚一般地段为 0.6m,跨涵地段为 0.8m。由于遂渝线是我国第一次在土质路基上铺设无砟轨道结构,为了确保工程的成功,板下还浇筑了一层 0.1m厚的混凝土垫层[8]。新建郑州至西安客运专线为时速 350 km的双线无砟轨道铁路,其路基工后沉降控制值为 1.5 cm。在深度超过 20m的深厚湿陷性黄土地段,普通复合地基措施难以满足要求,采用了带托梁的桩板结构,其中板为现浇钢筋混凝土板,厚 0.6～0.8m,宽 10.5m;托梁为现浇钢筋混凝土梁;桩采用钻孔灌注桩;在板的中间位置,桩与板是固结的,在板端位置,桩与板是搭接的[9]。京津城际铁路全长120 km,是2008年北京奥运会的配套基础设施工程之一,于 2008年 8月 1日开通运营,是我国第一条时速 300 km以上的高速铁路,最高运营时速达到350 km[10]。京津城际铁路有三段因路基工后沉降或地基强度不能满足铁路建设技术要求,采用了桩板结构。其中 DK81+906.04～DK84+000段的桩板结构,桩采用的是 CFG桩,桩顶设 0.15m厚碎石垫层,碎石垫层上设 0.5m厚的钢筋混凝土板;DK105+337.2～DK108+723.91段的桩板结构,桩采用了预制管桩及CFG桩,桩顶设 0.15m或 0.5m厚碎石垫层,碎石垫层上面设 0.5m厚的钢筋混凝土板;DK108+365～DK108+449段桩板结构,桩采用钻孔灌注桩,桩顶设0.5m厚碎石垫层,碎石垫层上设 0.5m厚的钢筋混凝土板。这三段桩板结构,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型板式无砟轨道结构[11]。此外,我国在其他建设的部分客运专线上也使用了桩板结构,如在武广铁路客运专线设计工点里程 DK1 809+864.73～DK1 810+230,长 365.27m的高边坡陡坡地段使用了桩板结构。

根据前面的桩板结构类型分类,可以看出,国外及我国遂渝、武广等客运专线采用的桩板结构属于第一种形式,我国郑西客运专线采用的桩板结构属于第二种形式,我国京津城际铁路采用的桩板结构属于第三种形式。

对比上述的三种桩板结构形式,可以看出,第一种结构形式由于构造简单,整体性强,能直接与上部轨道结构相连接,在保持轨道结构稳定性方面,尤其是无砟轨道结构稳定性方面具有非常好的性能,因此也是国内外较多采用的一种形式。

(2)理论研究方面

对于桩板结构的理论研究方面,国内外的相关研究均较少,且不系统。德国最初在设计桩板结构时,由于没有可参照的经验,为了验证工程设计的正确性,在德国慕尼黑工业大学做了一个能进行长期循环加载的大比例尺模型试验。结果表明,其设计的桩板结构的承载力和变形符合工程项目的规定;并且在大约5 000万次循环加载后,模型板没有出现严重的裂纹。

我国最早对桩板结构进行理论研究的是西南交通大学。结合铁道部科技开发项目《遂渝线无砟轨道线下工程关键技术试验研究》(2005K004-C(G)),西南交通大学同铁二院合作对遂渝线在土质路基无砟轨道地段采用桩板结构进行了系统的研究论证[12～14],并申请了专利[15]。遂渝线是我国第一次在土质路基上修建无砟轨道并首次采用桩板结构,由于没有对应的设计规范,设计时主要参考了《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)以及《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)等,并在设计时没有考虑板下路基土体对板的支承作用,即认为板下是托空的,也没有考虑路基土体对桩的侧向约束作用。同时,为了确保工程成功及验证设计正确,对设计的桩板结构方案进行了大比例尺模型载荷试验,离心机模型试验及现场实车动态测试试验与长期观测试验。在此研究基础上,詹永祥利用 ANSYS大型有限元分析软件,对高边坡陡坡地段及地震情况下的桩板结构动态响应进行了分析[16～17]。罗照新对桩板结构的设计方法进行了分析研究,认为如果采用容许应力法会使得结构设计偏于安全,较为保守;而如果采用概率极限状态法则还不够成熟[18]。秦立新在分析桩板结构特点和使用要求的基础上,对桩板结构的荷载组合进行了研究[19]。马斌应用有限元对列车荷载作用下的桩板结构应力分布及变形特性进行了分析计算[20]。李绍文[21]、梁忠周[22]对桩板结构的施工技术进行了总结。苏谦结合郑西线具体工程概况,对桩板结构进行了结构设计分析[9],并进行了模型试验验证[23]。

2.3 存在的问题

由上述的研究现状可以看出,桩板结构是一种新型的结构形式,在国内外的工程应用方面尚属早期,理论研究滞后于工程实践,结构形式多样,应用领域单一,没有对应的设计规范,还处于工程应用探索阶段。在仅有的理论研究中,大多是做一些有限的试验和少量的数值分析,主要目的是验证该工程设计的正确性。

尽管如此,从上述的国内外研究现状还是可以看出,对于桩板结构,板的合理设计是其关键所在。当前在具体工程设计时是不考虑路基土体对板的支承作用以及对桩的侧向约束作用的,如我国的遂渝、武广等客运专线都是这样设计的,这可能会导致两个结果:(1)计算的结果偏于保守,工程造价较高;(2)偏于保守的设计结果导致结构的刚性增强,使得温度应力影响变得敏感,甚至成为结构安全可靠的隐患。

3 桩板结构需要研究的内容

由上述可以看出,对桩板结构开展深入系统的研究具有很强的工程现实意义。并且应重点关注如下问题:

(1)桩板结构的合理形式问题

桩板结构目前结构形式多样,并且每种结构形式都有其不同的特点及适用条件。因此,考虑其使用功能、工程地质情况、轨道结构形式、运行速度、施工因素、轨道临界速度等进行桩板结构形式研究显得迫切而必要。

(2)路基土体对板的支承作用问题

一般情况下,线路开始运营时板与其下的路基土体是紧密联系在一起的,其中路基土体对板有支承作用。但随着运营的进行,上部列车的不断往复作用,路基土体会产生一定的压密下沉,这时路基土体对板的支承力可能会减小,甚至会出现托空现象,从而改变起初的受力体系,使桩承担更多的荷载,这对桩板结构的承载力确定造成不确定因素。

(3)路基土体对桩的约束作用问题

列车高速运行时的左右晃动,以及制动、启动时产生的附加力都会对轨道施加横向、纵向作用,从而使这些轨道有发生纵横向位移的趋势,对高速铁路的高平顺性、舒适性产生影响。与其他结构相比,桩板结构的路基土体对桩有侧向约束作用,会显著提高线路的横向稳定性。而这种约束作用的大小,又与上部轨道结构的平顺性,线路是直线还是曲线地段,桩本身的大小及成孔方式,以及路基填筑高度、填料压实度等因素有关。这些都会对分析桩板结构的稳定性造成影响。

(4)温度应力对桩板结构桩板路基土体相互作用的影响问题

对于第一种桩板结构形式,桩与板是固结的,在温度变化等影响下,可能会在桩、板连接处出现较大的应力集中,影响桩板结构的正常使用,甚至影响结构的安全。此外,列车的高速运行,加剧了桩、板之间的动力相互作用,这更加使桩、板的连接处受力复杂化。因此,考虑不同的列车轴重、速度、轨道结构形式等因素,研究温度应力对桩板结构桩板路基土体相互作用影响问题对工程设计具有重要的指导作用。

(5)桩板结构设计方法的问题

桩板结构目前国内外均没有具体的设计规范。因此,需要对桩板结构进行设计荷载组合、结构跨度、动力系数取值,以及设计检算内容、计算方法、限值标准等方面的具体研究。

(6)目前保守设计方法的技术经济性问题

目前的桩板结构保守设计方法是不考虑路基土体对板的支承作用以及对桩的侧向约束作用的。这种设计方法可能会导致工程造价较高,结构的刚度较大,从而使得温度敏感性增强,甚至给结构的安全留下隐患。因此,在对桩板结构作用机理的研究基础上,对保守设计方法的技术经济性进行评价研究具有很强的现实意义。

4 结语

根据已有的工程实践经验,桩板结构主要适用范围为:新建高速铁路(尤其是 300 km/h以上的无砟轨道),已建路基的补强加固、旧线提速改造工程,工程地质条件复杂的斜坡、软土地段,既有线有砟轨道改无砟轨道工程,以及两桥(隧)之间短路基、道岔区路基等。

目前,我国正处于铁路建设高峰期。根据 2005年审议通过的《中长期铁路网规划》(以下简称《规划》),到 2020年我国铁路营业里程将达到 10万 km,其中客运专线 1.2万 km。2008年 10月 31日又对《规划》进行了调整,并通过国家批准。新调整的方案,将2020年全国铁路营业里程规划目标由 10万 km调整为 12万 km以上,其中客运专线由 1.2万 km调整为1.6万 km。

由此可见,我国正在进行大规模的铁路新线修建,尤其是高速铁路、客运专线新线修建,这给桩板结构的应用提供了广阔的空间。而采用桩板结构是解决高速铁路土质路基沉降难以控制,满足轨道结构临界速度要求,“以桥代路”工程造价又较高的一种有效途径。此外,桩板结构是一种新的轨下基础结构形式,它将补充完善我国铁路轨下基础结构形式技术系列,必会在我国铁路实施跨越式发展战略的建设中发挥巨大作用。

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