浅埋式桩板结构在宝兰客运专线湿陷性黄土短路基中的应用研究

张 然

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 研究目的

1.1 主要技术标准

宝鸡至兰州客运专线横贯陕西和甘肃两省，线路东起陕西省宝鸡市，经甘肃省天水市、秦安县、通渭县、定西市、榆中县，穿越皋兰山沿折向西至新建兰州西客站，为西部地区快速客运系统主骨架之一。线路正线长度400.6 km，铁路等级为客运专线，设计速度目标值250 km/h，通过能力为列车最小追踪间隔时间3 min，正线线间距4.6 m，正线及站内相邻到发线轨道采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道。

1.2 技术难题

本线为山区高速铁路，桥隧比重高达94%，桥隧间短路基众多，并且沿线自重湿陷性黄土湿陷等级以Ⅲ、Ⅳ级为主，厚度深(局部可达40 m以上)、湿陷量大等特点。由于桥梁、隧道、涵洞及路基工程结构物轨下基础有很大的差异，这就决定了轨道的刚度和变形在线路纵向变化的不均匀。为了减少因线路不均匀变形引起对车辆运行平稳性的影响，需要把路基沉降值控制在一定的范围内，并尽量减少路、桥、隧不同结构物之间的沉降差异值。

2 研究方法

宝兰客运专线地层状况复杂，经综合分析比较，除了采用挖除换填、强夯、灰土挤密桩、柱锤冲扩桩、长短桩(CFG+挤密桩)常规措施外，针对频繁过渡的短路基及深厚层湿陷性黄土地段采用浅埋式连续桩板结构措施进行处理，浅埋式连续桩板结构具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好等特点，能有效地控制路基工后沉降并减少桥梁、隧道及路基结构物的工后沉降差异值。对其结构形式、计算分析、布置形式、施工工艺等进行研究。

2.1 浅埋式桩板结构简介(图1)

浅埋式桩板结构由下部钢筋混凝土桩基、路基本体与上部钢筋混凝土承载板组成。板顶位于基床表层(级配碎石)底面，钢筋混凝土板由钢筋混凝土桩支撑，路基填土及地基给桩提供侧向抗力，桩、板与地基土共同组成一个承载结构体系，来承受上部荷载，可以有效地控制路基的工后沉降。

图1 浅埋式桩板结构断面

2.2 与其他结构物的连接形式(图2)

桩板结构端部跨度过大，板的弯矩和跨中挠度增大，端部跨度过小，端部的桩顶弯矩增大，在列车经过端部第二跨时，板端会向上翘起，故桩板结构端部与相邻结构物应搭接，端跨长度一般为3～6 m。通过调整跨度、悬臂段长度、改变涵洞基础形式和设置牛腿等方式，使桩板结构与其他结构物进行平顺连接、过渡。在满足路基工后沉降的前提下，也可通过调整桩长和桩的平面布置减小路基与桥梁及隧道之间沉降差异值。

图2 桩板结构与桥涵连接效果图

2.3 板宽及桩径计算

桩板结构为多次超静定结构，采用结构力学的力法，将板从各跨中部断开，去掉多余约束，代以相应的多余未知力，使之成为静定基本体系。结构计算简图如图3所示。

图3 结构计算简图

按照变形协调原理，即上述基本体系在荷载及多余未知力共同作用下，沿多余未知力方向的位移等于原超静定结构的位移，建立变形协调方程

式中 揉度系数δij——基本结构由于Xj=1引起的Xi方向上的位移;

Δip——由于外部荷载引起 Xi方向上的位移;

Δi——原超静定结构沿 Xi方向上的给定的位移。

通过求解方程组，计算板厚度 0.7 m、宽度10.1 m、桩径1 m能满足顶板上部荷载要求，桩和板的裂缝宽度计算值小于0.25 mm。

2.4 桩位布置形式(图4)

桩板结构钻孔桩横向间距4.6 m，纵向间距为3～7 m，桩板结构在温差荷载较小时结构受力分为伸缩区和固定区，温差荷载较大时，桩板结构受力全部为伸缩区，当温差荷载增加到一定程度，端桩桩顶位移超过了规定限值，此时端桩桩顶位移成为控制条件。温差荷载对结构端部的3～4排桩影响相对较大，应对端部结构进行加强。在计算桩板结构两端跨度时，应尽量使两端的桩顶弯矩减小。

图4 桩位布置(单位:cm)

2.5 施工工艺

路基本体填筑至桩板结构板底高程时，进行桩板结构施工，由于钻孔桩施工对路基面破坏较大，故将路基面高程高出设计10 cm，施工板结构时将多余部分清除，施工垫层，确保板下填土密实。桩板结构施工主要分3阶段进行，钻孔桩施工阶段、板施工阶段及板合龙施工阶段。施工工艺流程见图5。

3 研究结果

3.1 消除浅层黄土湿陷性的必要性

桩身穿越深厚层自重湿陷性黄土层时应考虑负摩擦对桩的影响，为减小因湿陷和上部填土荷载的共同作用，将会大大增加负摩擦的深度，使桩长长度太大，导致施工的困难及工程造价的增加，故采用6～8 m素土挤密桩将上部浅层黄土湿陷性消除，既减小负摩擦影响深度，减少桩长、节约投资，又提高了地基承载力，减小板与路堤本体的脱开距离。

图5 施工工艺流程

3.2 沉降控制效果

通过沉降计算分析表明，地基采用浅埋式桩板结构处理，路基工后最大沉降值小于8 mm，控制沉降效果显著，满足规范要求;与相连桥台的沉降差异值最大为3.9 mm，小于5 mm，能有效地减少结构物之间的工后沉降差异值。沉降计算值见表1。

表1 沉降计算值

桩板结构工后沉降随着桩间距跨度增加基本呈线性变化，通过对端部桩间距适当加密，既能减小温差荷载对结构的影响，又能更严格地控制与桥梁、隧道结构物的沉降差异值。跨度与沉降关系曲线见图6。

图6 跨度与沉降关系

3.3 技术优势

浅埋式桩板结构既能保证路基具有足够的强度和刚度，又能达到满足承载力要求和路基沉降变形控制的目的，解决了深厚层湿陷性黄土地基路基沉降控制困难、道岔区不宜设桥的技术难题。

同等工程条件下，填方高度小于6 m地段对设置桥梁及路基(区间正线)进行经济比较，通过优化路堤填料，在工程费用上桩板结构路基要比桥梁低20%。路基桩板结构与桥梁相比有一定优势，尤其是在车站多线范围内，效果更为显著。

4 结语

随着高速铁路的快速发展，对路基工后沉降要求非常严格，尤其是路基、桥梁、涵洞及隧道过渡段存在有两方面的问题，一是受到列车荷载影响较大的范围内基床以上部分线路结构抵抗变形能力差异，即轨道综合模量刚度平顺过渡的问题，二是人工结构的刚性桥台与土工结构的柔性路基间工后沉降差引起轨面弯折的限值问题。浅埋式桩板结构施工简单，是加固深厚层软土、湿陷性黄土、频繁过渡段路基的有效方法，不仅能满足路基工程工后沉降控制要求，而且能更好地控制相邻结构物轨下基础沉降差异值，使轨道的刚度逐渐变化，提高列车平顺性及旅客舒适度。

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