高速铁路路基桩板结构差异沉降限值探讨

卢 炜，唐广辉，纪文利，邓 帅，张雄峰

(1.中国中铁股份有限公司，北京 100039；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

高速铁路路基桩板结构差异沉降限值探讨

卢 炜1，唐广辉2，纪文利2，邓 帅2，张雄峰2

(1.中国中铁股份有限公司，北京 100039；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

桩板结构属于超静定结构，各桩之间的差异沉降会引起显著的结构内力，把空间结构近似简化成平面结构，采用结构力学分析方法，分别对5 mm和2 mm的差异沉降进行内力计算。计算过程中综合考虑温度变化，混凝土收缩徐变，列车动力作用，不同桩位发生支座下沉，采用6种工况组合分别计算，得出不同差异沉降对结构内力的影响。

高速铁路；桩板结构；差异沉降限值；内力变化

1 概述

桩板结构路基具有构造机动灵活、适应性强、施工方便、工作效率高，施工难度低，工后沉降较易控制等优点，已经使用于客运专线的某些地基处理中。由于桩板结构是一种新型超静定结构，各种规范对其提及较少，而设计过程中又迫切需要验算其要求的各种指标[1-3]，因此结合实际工作对各项设计限值进行探讨非常必要。

2 问题的提出

桩板结构兼具路基和桥涵结构的特征，目前仅在《铁路工程地基处理技术规范》(TB10106—2010)中明确提到此种结构的设计荷载，如表1所示[4]。

但规范没有提出与表1中所提及的设计荷载相对应的设计安全限值，例如规范要求计算横向的离心力、摇摆力、地震力，但并未对结构的横向位移提出设计限值；规范要求考虑纵向的牵引力和制动力，但也没有纵向位移设计限值方面的要求。对于桩板结构最主要的沉降问题，规范要求依据《铁路桥涵地基和基础设计规范》进行计算。

查阅《铁路桥涵地基和基础设计规范》：超静定结构相邻墩台沉降量之差的容许值应根据沉降差对结构产生的附加应力的影响确定。也就是说规范并没有明确沉降差是多少，需要结合结构内力自行确定。

表1 桩板结构设计荷载

3 相关规范的理解

如果按照《铁路桥涵地基和基础设计规范》6.3.2条基桩的构造要求，“钻孔灌注摩擦桩中心距不小于2.5倍成孔桩径”[5]。6.3.5条承台板的厚度和配筋应根据受力情况按照计算确定。

可以理解为如果桩间距大于2.5倍的成桩直径，则可能产生对结构不利的内力，也就是说当桩间距大于2.5倍的成桩直径时，需要考虑差异沉降产生的内力。此时不按照构造配筋，而是按照计算配筋，但6.3.5条文解释中说目前还没有较好用于分析承台板的计算方法。

目前所使用的桩板结构沿线路纵向桩间距与桩径的比例介于5～7倍，横向桩间距与桩径的比例3～5倍，均需要考虑差异沉降。

如果依据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)，桩基础需要“按照桩径和桩间距的关系[6]，分为单桩(单排桩或疏桩)和群桩分别计算：对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基，按照群桩考虑，对于桩中心距大于6倍桩径的桩基，按照单桩或单排桩计算”。

目前所使用的桩板结构沿线路纵向桩间距与桩径的比例介于5～7倍，处于临界状态。横向桩间距与桩径的比例3～5倍，可以比照群桩计算，不考虑差异沉降。

4 对结构的试算

由于规范对此类结构并没有具体的规定，为此本次研究结合工点设计，按照沉降差5 mm和2 mm分别试算结构内力，结合计算结果提出修订沉降差限值的推荐意见。

4.1 设计基础条件

按照《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》，行车速度200 km/h，双线，线间距4.60 m，铺设有砟轨道，轨道荷载：钢轨0.606 4 kN/m，轨枕及扣件3.7 kN/根，每千米铺设1 667根[7]；道床厚度30 cm，容重γ=20 kN/m3，每延米铺设2.11 m3。

单线轨道荷载p=0.604 6×2+20×2.11+3.7×1.667=49.6 kN/m

列车荷载采用ZK荷载，荷载动力系数[8]

0.1(Hc-1.0)=1.3

(其中Lφ=6×1.3=7.8，Hc=1.186)

桩板结构尺寸：

承载板长度23 m，宽10.5 m，板厚0.8 m，板采用C40钢筋混凝土浇筑，容重γ=25 kN/m3，弹性模量E=3.40×104MPa；桩径1.0 m，纵向设桩4排，跨度(2.5+6+6+6+2.5) m=23 m，横向设3根桩，跨度(1.25+4+4+1.25)=10.5 m；桩长15 m，桩采用C35钢筋混凝土灌注，弹性模量E=3.30×104MPa；板上级配碎石厚度0.7 m，容重γ=22 kN/m。

其基本横断面结构形式和平面布置见图1。

图1 桩板结构横断面和平面布置(单位：m)

4.2 计算单元划分

假设上部荷载均匀分配，取3.5 m宽度的纵向板和下部的1列桩为1个计算单元，单元划分见图2[9-11]。(横向计算单元类似，包含一块6.0 m宽的荷载板和下部3根桩，附图略)。

图2 纵向计算单元(单位：m)

4.3 荷载分析

参照涵洞的设计荷载，考虑结构自重、上部级配碎石和双线轨道竖向荷载、双线列车荷载及动力作用，均匀温度变化和混凝土收缩徐变的影响，不计横向冲击力、摇摆力和列车制动力[12]。温度变化：假设工点位于吉林省吉林市，一月份平均气温-20 ℃，七月份平均气温+20 ℃，假设施工合龙温度为+10 ℃，即升温10 ℃和降温30 ℃。混凝土收缩徐变(施工方法按照整体浇筑钢筋混凝土，降温15 ℃)，温度变化和混凝土收缩徐变同时考虑，即温度变化为降温5～45 ℃。

4.4 支座位移

取5 mm。

4.5 设计工况组合(表2)

表2 设计工况组合(5 mm支座沉降)

4.6 荷载影响线

因荷载对称，结构也是对称结构，故图3单元中点为控制截面，最大荷载对称布置在(3)单元中点两侧即可。纵向荷载对弯矩影响线见图3。

图3 对(3)单元中点弯矩影响线

加载形式见图4。

图4 加载形式(荷载单位：N)

图4各杆件荷载：

1、2、4、5单元均布荷载 (70.0+53.9+33.067+55.5) kN/m=212.467 kN/m；

3单元均布荷载(70.0+53.9+33.067) kN/m=156.967 kN/m；

3单元作用4个集中力荷载173.333 kN(横向间距1.6 m)。

4.7 计算结果

按照上述基础数据，承载板纵横向设计内力计算结果见表3、表4。

再次取2 mm差异沉降进行试算(荷载和温度变化同支座位移5 mm的情况，所以工况1，2同表2中工况1，2条件相同)，工况组合见表5，纵向板计算结果见表6。

表3 承载板纵向设计内力(差异沉降5 mm)

表4 承载板横向设计内力(差异沉降5 mm)

表5 设计工况组合(2 mm支座沉降)

表6 承载板纵向设计内力(差异沉降2 mm)

采用结构力学求解，板纵向代表性内力见图5、图6(以设计工况2-6为例)。

板纵向工况2-6内力计算结果数据及板横向设计内力取值，见表7、表8。

图6 工况2-6剪力图

图5 工况2-6弯矩图

杆端1杆端2单元码轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)1-0.000000020.000000000.00000000-0.00000002-531167.500-663959.3752371878.781602565.62740858.8278371878.781-672236.372-168153.4073591129.219496353.392374786.120591129.219-1138747.60-1543842.764496279.9491002410.17-1702810.65496279.949-272391.820487244.42250.00000004531167.500-663959.3750.000000040.000000000.000000006-1133733.12371878.781-704818.202-1133733.12371878.7811154575.707-1168589.76219250.438-542939.527-1168589.76219250.438553312.6638-2141157.78-94849.2700158967.883-2141157.78-94849.2700-315278.4669-803559.320-496279.9491151203.79-803559.320-496279.949-1330195.95

表8 板横向设计内力取值(差异沉降2 mm)

板横向代表性内力图见图7、图8(以设计工况2-6为例)。

图7 工况2-6弯矩图

图8 工况2-6剪力图

板横向工况2-6内力计算结果数据，见表9。

将5 mm和2 mm支座位移的计算结果汇总，见表10。

分析上述计算结果可以总结出以下几点：

(1)在5 mm的差异沉降情况下，板纵向弯矩提高2.28～2.71倍，剪力提高1.77倍，板横向弯矩提高5.49～6.72倍，剪力提高2.57倍；在2 mm的差异沉降情况下，板纵向弯矩提高1.18～1.45倍，剪力提高1.25倍，板横向弯矩提高2.48～2.76倍，剪力提高1.54倍。

表9 板横向内力计算结果(设计工况2-6)

(2)工况1-2内力大于工况1-1，工况2-2内力大于工况2-1，说明在其他情形相同时，温度变化越大，产生的结构内力越大。

表10 5 mm和2 mm支座位移对应的板设计内力取值

(3)在相同的差异沉降下，板横向应力明显高于纵向应力，内力提高倍数横向也明显大于纵向，主要是因为横、纵向取的板带宽度和桩间距(横向板宽6 m，桩间距4 m；纵向板宽3.5 m，桩间距6 m)不同，板横向抗弯刚度明显大于纵向，在相同的差异沉降下，造成的横向内力大于纵向内力，内力提高效果也明显大于纵向。

(4)由于选择的工点位于全风化基岩地区的短路基地段，各桩沉降相对易于控制，所以纵向选择2 mm作为差异沉降限值，横向桩间距大部分为3～4倍桩径，可不考虑差异沉降影响。

(5)关于横向布桩数的选择，当横向采用2根桩时，计算的各项指标差别不大，但结构的超静定次数减少，安全储备不如超静定次数较多的横向3根桩的布桩方式。但横向布桩数的增加导致施工孔数增加，费用增大，具体设计时需结合工点的具体情况选择横向布桩数量。

5 结论

(1)本文的计算对结构进行了一定的简化，尤其将空间结构简化为平面结构，对结果有一定影响，但正如《铁路桥涵地基和基础设计规范》6.3.5条文解释中所说，目前还没有较好用于分析承台板的计算方法，本文的简化计算可以看做是一种探索和尝试。

(2)通过具体工点设计，全面考虑温度变化，混凝土收缩徐变，列车动力作用，分别计算桩板结构在5 mm和2 mm支座位移降情况下的结构内力变化，得出了差异沉降对结构内力的影响，差异沉降越大，结构内力累计越多，过大的结构内力对上部承载板的结构设计提出较高要求，但并不是差异沉降越小越好，因为较小的差异沉降控制意味着需要通过大量工程措施来控制各桩之间的沉降差，导致桩基础工程费用的大幅度增加。

(3)合理差异沉降限值的选择，与多种因素密切相关，首先是地质情况，如果地层稳定，各桩的差异沉降控制较易实现，则选择2 mm等严格的指标，以节省板的费用。反之，地层多变，各桩沉降差控制难度大，则选择相对宽松的控制标准，节省桩的费用，通过加强板的结构设计来满足要求。

(4)构造方面的控制对结构非常必要，建议每3～4排桩设置1道伸缩缝，可以大幅避免不均匀沉降和温度应力的不利影响累积。

[1] 蒋关鲁，房立凤.无砟轨道跨涵洞桩板结构路基及过渡段设计[J].铁道标准设计，2009(9)：1-4．

[2] 肖宏,郭丽娜.桩板结构技术应用研究 [J].铁道标准设计，2010(2)：47-50.

[3] 王峰.高速铁路桩板结构应用现状及研究方向[J].铁道标准设计， 2011(6)：27-31．

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10106—2010 铁路工程地基处理技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2010．

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[6] 中国建筑科学研究院.JGJ94—2008 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008．

[7] 中华人民共和国铁道部.TB10106—2010 新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2009．

[8] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010．

[9] 肖宏，郭丽娜.桩板结构技术应用研究[J].铁道标准设计，2010(2)：47-50 ．

[10] 姚洪锡.武广客运专线软土地基桩板结构设计与应用研究[D].成都：西南交通大学，2006．

[11] 丁兆锋.郑西客运专线湿陷性黄土路基桩板结构分析与优化设计[D].成都：西南交通大学，2004．

[12] 中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2010．

Approach to Differential Settlement Limit Value of High-speed Railway Subgrade Pile-plank Structure

Lu Wei1， Tang Guanghui2， Ji Wenli2， Deng Shuai2， Zhang Xiongfeng2

(1.China Railway Group Co.， Ltd.， Beijing 100039, China; 2.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055, China)

Subgrade pile-plank structure belongs to hype static structure， and the differential settlement between piles will cause significant structural internal force. By means of structure simplification， the space structure can be approximately simplified into a plane structure. With structural mechanics analysis， the internal forces in 5 mm and 2 mm differential settlement are calculated respectively. Considering the temperature variation， shrinkage and creep of concrete， train dynamic action and support displacement of different piles related to calculation， the influences of various differential settlements on the structural internal forces are calculated respectively with respect to 6 kinds of working conditions。

High-speed railway; Pile-plank structure; Differential settlement limit value; Structural internal force variation

2014-03-31；

：2014-05-07

卢 炜(1977—)，男，高级工程师，2000年毕业于兰州交通大学，工学硕士。

1004-2954(2014)11-0057-05

U213.1+57

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.014