浅谈武广线桩板结构路基的设计

浅谈武广线桩板结构路基的设计

无轨道技术相对复杂，但实际投资略高于无轨道技术，具有高平滑性、少维护甚至免除维修的特点，使用寿命周期长，有效缓解了高速铁路运营与维护之间的矛盾。它在国外的高速铁路上广泛传播，被许多专家认为是一种应该广泛使用高速铁路的结构形式。桩板结构路基是由下部钢筋混凝土桩基和上部钢筋混凝土承载板组成,钢筋混凝土承载板直接与轨道结构相连接,是无砟轨道的一种新型结构形式,具有整体性强、稳定性好、坚固耐用、轨道变形小、且变形累积缓慢等优点,有利于高速行车,可大大减少养护维修工作量、降低作业强度和改善作业条件,在我国高速铁路实施跨越式发展战略的客运专线建设和既有线改造工程中将发挥巨大作用。目前,桩板结结构路基在高边坡陡坡地段使用,国内还是首次尝试,本文结合武广线进行实例分析,提出设计理论,通过建立有限元模型,验证桩板结构路基在高边坡陡坡地段的整体稳定性,设计拟定合理的结构尺寸,对桩板结构路基进行水平位移及沉降分析。1承载板及桩板墙的设计桩板结构路基的设计理论是先拟定线路的纵向桩间距,将列车荷载简化为中-荷载,钢筋混凝土承载板当作两端简支(或固支)的梁,按影响线法找出最不利位置进行荷载布置,拟定承载板的结构尺寸,得到板的内力与挠度,承载板可以采用板、梁结构进行配筋设计计算,最终确定板的翘曲变形能否满足土质路基上铺设无砟轨道的容许挠度及视觉高差的要求。桩板结构路基的下部结构为桩基础,拟定桩截面形式、桩径与桩长,由于处于高边坡陡坡地段,需在坡脚处设置桩板墙,验算边坡的稳定性;上部结构的荷载以支座反力的形式传递到桩顶,按照桩基础理论进行承载力、水平位移与沉降计算,验算是否满足铺设无砟轨道的设计要求。进而通过改变纵向桩间距,得到一系列的设计方案,统筹规划,选定最优。2工程实例2.1路堤地段基床基础填充料武广线高边坡陡坡地段设计工点里程DK1809+864.73～DK1810+230,长365.27m,设计方案为桩板结构路基加固。基床表层0.4m采用级配碎石填筑,路堤地段基床底层填筑隧道灰岩弃渣之A、B组填料,基床以下填筑隧道灰岩弃渣之A、B组填料,路堑地段基床表层以下1.5m挖除换填A、B组填料,半挖半填地段挖方侧外轨以下基床底层挖深2.3m,换填A、B组填料。左侧设桩板墙,桩间距5.0m(中-中),桩长20m(Ⅱ型桩),桩截面2.75m×3.00m,采用C20钢筋混凝土现场浇筑,桩间挡土板采用C20钢筋混凝土现场预制槽型板,板高0.5m。桩开挖时四周设30cm厚的C15钢筋混凝土护壁。桩与挡墙交接处设横向端墙过渡,路堤、路堑边坡坡率均为1:1.5。2.2钢筋混凝土基础尺寸、承载板尺寸轨道线形为曲线,曲线半径7000m,设计时速350km。根据桩板结构路基设计理论,确定结构的尺寸如下:(1)轨道结构采用A型板式轨道,轨道板尺寸为,长4.95m,宽2.34m,高0.24m,采用C40混凝土;(2)钢筋混凝土基础尺寸:长L=30m,宽B=3.2m,厚H=0.23m,采用C40混凝土;(3)钢筋混凝土承载板尺寸为:长30.0m,宽10.0m,高0.7m,混凝土采用C40;(4)桩采用钻孔灌注方形桩,混凝土采用C30,边长1.2m,路基横向采用两排桩,桩间距5.0m,路基纵向采用6排桩,桩间距5.0m,入持力层为4.0m。桩板结构路基纵断面如图1所示。2.3桩板墙弹性模量模型由于左侧边坡高陡,最高处达40m左右,坡脚设(锚索)桩板墙加固,在此设置桩板结构路基,还需对边坡进行稳定性验算。选取最不利工点DK1809+888作为典型断面进行验证。利用通用有限元软件ANSYS对高边坡陡坡地段进行整体有限元分析,将路基结构简化为平面应变问题考虑,桩板墙采用弹性材料,土体考虑为弹塑性材料,采用Drucker-Prager弹塑性模型,路基各层在垂直方向完全连续,层间不会出现脱空现象。断面形式及边界条件如图2所示。图2中,A1为碎石土,弹性模量为100MPa,泊松比为0.3,粘聚力为30kPa,摩擦角为15°;A2为强风化灰岩,弹性模量为150MPa,泊松比为0.25,粘聚力为10kPa,摩擦角为30°;A3为路基AB组填料,弹性模量为150MPa,泊松比为0.25,粘聚力为20kPa,摩擦角为30°;A4为桩板墙,弹性模量为1000MPa,泊松比为0.2。由图4可看出,由于桩板墙的存在,边坡水平位移主要发生在挡墙左侧,边坡稳定性得到了很好的控制,在桩板挡墙右侧可以设置桩板结构路基。2.4列车荷载荷载通过影响线法布载列车荷载如图5～6所示,荷载组合为:结构总荷载=(1.2×G+1.4×P+0.5×P)×1.1其中,G为上部结构自重荷载;P为列车荷载;1.2、1.4分别为恒载与活载的分项系数;0.5为列车活载的冲击系数;1.1为结构的重要性系数。计算得到承载板的最大挠度为0.99mm,满足铺设无砟轨道的容许挠度要求。2.5地表土结构概况从地质资料可以看出,表层为碎石土,厚5～15m,Ⅲ级;局部灰岩以上有粉质粘土,软塑,Ⅱ级;下伏泥质粉砂岩,强风化,Ⅳ级;硅质岩,强风化,Ⅳ级;灰岩,弱风化,Ⅴ级,灰岩线性岩溶率10.5%。水文地质条件:丘坡地下水不发育,谷地地下水较发育,埋深浅,地下水具有溶出型中等侵蚀性。该处地表水具有溶出型中等侵蚀性。粉质粘土,软塑,σ0=120kPa;碎石土,σ0=200kPa;泥质粉砂岩,强风化,σ0=300kPa;硅质岩,强风化,σ0=500kPa;灰岩,弱风化,σ0=1000kPa。单桩容许承载力计算式中Qu——钻、挖空灌注桩的容许承载力(kN);Qf——桩侧正摩擦力(kN);Fn——桩侧负摩擦力(kN);U——桩身横截面周长,按成孔桩径计算(m);[σ]——桩底地基土的容许承载力(kPa);Ap——桩身截面面积(m2);m0——钻孔灌注桩桩底支承力折减系数,挖孔灌注桩m0=1.0;fi——各土层的极限摩阻力(kPa);fn——负摩阻力(kPa);li——各土层的厚度(m);Z——负摩阻力深度(m)。计算得到单桩容许承载力2869.25kN,大于单桩所受的最大荷载2189.64kN,承载力满足要求。2.6桩顶水平位移变化单桩最大所受水平荷载为136.36kN,根据桩基础基于地基系数的幂级数分析法,计算得到桩顶水平位移1.32mm。按等代墩基法计算桩板结构的沉降量,等代墩基法的计算模式如图7所示。2.6.1附加力包括桩顶荷载、桩与被桩置换的土的自重之差、桩的负摩擦力。3铁路基本桩板设计通过对高边坡陡坡地段桩板结构路基的设计理论的探讨及实例分析,主要得出以下结论:桩板结构路基可以在高边坡陡坡地段作为地基加固的一种有效形式,通过计算,承载板挠度、桩基础承载力及其变形均满足了无砟轨道的控制指标要求,是桩板结构路基应用范围的一个新的突破,在桩板结构路基的设计理论进一步完善后,该技术的应用,将填补我国铁路地基、路基在此领域的空白,并将在我国高速铁路实施跨越式发展战略的客运专线建设和既有线改造工程中发挥巨大作用。式中N——桩端荷载;G——桩土之间自重差;Fn——桩的负摩擦力;F-计算点处面积。2.6.2附加应力扩散位置从桩端向上提升,与竖向为30o的扩散角将荷载向下