软土地区非埋式桩板路基适用性分析

廖知勇，白　皓，苏　谦，刘　亭

（1.四川高速公路建设开发总公司工程建设部，四川成都　610041；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都　610031）



软土地区非埋式桩板路基适用性分析

廖知勇1，白皓1，苏谦2，刘亭2

（1.四川高速公路建设开发总公司工程建设部，四川成都610041；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）

摘要选取沪杭客运专线桩板结构路基工程典型断面，建立现场观测系统，并进行长期观测。根据桩板结构的平面计算分析模型，对深厚软土地区非埋式桩板结构内力进行分析。结果表明：承台板及托梁主筋内力实测值与计算值相差不大，实测弯矩与计算弯矩吻合，且实测值远低于结构抵抗弯矩值；桩基的分散传递作用改善了深厚软土地基受力特性，板土接触应力较小，最大值为0. 13 MPa；非埋式桩板结构在软土地区具有较好的适用性。

关键词软土地基；非埋式桩板路基；适用性

软土广泛分布于我国东南沿海及内陆湖泊地区。软土主要由淤泥、淤泥质黏土和淤泥质砂层等软弱土层构成，由于其具有高含水率、高液限、高压缩性、透水性差、孔隙比大、欠固结、力学强度低等特点［1-5］，故该区域内建设高速铁路面临诸多新问题。上海至杭州客运专线（以下简称沪杭客运专线）是在深厚软土地区建设的高标准客运专线，地表以下软土埋深超过60 m，厚度可达10～20 m。其中，沪杭客运专线DK3 + 343. 4—DK3 + 522. 0段下穿沪青平高速公路立交桥［6］，铁路路基坡脚侵入立交桥限界，无法进行大面积开挖施工，同时路基荷载会导致立交桥墩台倾斜，危及立交桥的安全。

桩板结构路基是一种新型路基结构形式，能有效控制沉降，目前已经成功运用于郑西、遂渝等客运专线，成效显著［7-10］。在深厚软土地基以及大量邻近既有结构物区段采用桩板结构尚属首次，本文结合沪杭客运专线对深厚软土地区桩板结构路基进行静态测试，并与其设计时采用的理论计算结果进行对比分析，探讨桩板结构在深厚软基地区的适用性。

1　工程概况

沪杭客运专线所经区域为滨海平原，地势平坦开阔。其中左线中线距公路桥梁墩台边缘为2. 60～ 3. 05 m，DK5 + 402. 8处距离最近，为2. 6 m，线位处公路桥梁底最低处标高为11. 4 m。若采用传统路基结构，由于受高度限制，需要进行地基开挖，但受到邻近立交桥墩台影响，施工困难，故不适用。场区地表水为沟渠水，水深约0. 5～1. 5 m；地下水为孔隙潜水，埋深约0. 5～2. 0 m，水量丰富。地表水无侵蚀性，地下水氯盐环境作用等级为L1。在下穿沪青平高速公路立交桥工点采用非埋式桩板结构，其由钢筋混凝土承台板、钢筋混凝土托梁和钻孔灌注桩构成。承台板上铺设混凝土支承层及Ⅱ型轨道板。

桩板结构采用等跨布置的标准联，每联30 m，每跨10 m。承台板采用分幅设计，单幅宽4. 4 m，板厚1 m，托梁长9. 64 m，宽1. 5 m，高1. 6 m，桩基直径1. 25 m，桩长45 m，见图1。试验段结构下部地基土主要为软黏土、粉土等。地质勘查资料显示，地表以下60 m范围内，地基土承载力普遍较低，最大承载层基本承载力仅为160 kPa。立交桥测试工点处土层物理力学指标见表1。

2　现场测试方案

为了研究桩板结构的内力特征、荷载传递规律、静荷载工况下的工作状态，在桩板结构下穿沪青平高速公路立交桥处建立现场观测系统。主要测试承台板内力、托梁内力、板土接触应力等。测试元器件的布置见图2。其中：P1～P14为承台板钢筋计测试点；B1～B4为托梁钢筋计测试点；S1～S4为沉降观测点；T1～T2为土压力盒测试点。

图1　非埋式桩板路基

表1　土层物理力学指标

图2　测试元器件布置

3　设计计算方法

3. 1设计思路

目前，桩板结构的设计方法主要有容许应力法和概率极限状态法两种。前者取统一的安全系数，设计偏保守；而后者采用不同的分项系数，更符合变量的客观实际。理论上，概率极限状态法优于容许应力法，但由于铁路列车荷载的特殊性，目前对其动力特性认知不足，概率极限状态法的可靠度尚不高，故本次设计仍采用容许应力法设计。

桩板结构是空间超静定结构，须简化后才能用解析法分析。由于桩板结构的荷载属于带状荷载，承台板采用分幅设计，两端支承于板下托梁，满足单向板构造要求，故可简化为纵向及横向模型进行分析。

3. 2计算方法

将三维空间的桩板结构依据等刚度原则，简化为纵向及横向平面结构，同时把结构荷载按相应荷载标准施加到简化结构上，详细推算过程见文献［10］。

3. 3荷载情况

桩板结构路基的设计必须考虑施工及使用期限内永久荷载、变化荷载和偶然荷载的作用，根据临界状态和验算事项进行适当的荷载组合。桩板结构的设计荷载在时间上可分为永久荷载（恒载）和可变荷载（列车活载、温度荷载等），在空间上可分为竖向荷载（结构自重、列车活载）和水平荷载（离心力、摇摆力、扣件阻力等）。

由于本次测试属于静态测试研究，测试期间不考虑列车活载作用，故设计计算荷载为结构恒载及结构上部轨道结构恒载。

4　测试与计算结果对比分析

4. 1承台板主筋内力

桩板结构承台板承受轨道结构传来的恒载和列车活载，然后将荷载传递给托梁及板下土体，托梁再将荷载传递到桩基，进而传递给下部持力土层。承台板与托梁铰接或刚性连接，托梁与桩基刚性连接，由于托梁的横向作用，且承台板长边与短边之比＞2，故承台板可按单向板计算。承台板主筋内力测试结果见图3，图中内力值以受拉为正，受压为负。

图3　承台板主筋内力时程曲线

由图3可知：承台板处于双筋梁工作状态，其支座处主筋最大拉应力为27. 6 MPa，最大压应力为24. 0 MPa；跨中处主筋最大拉应力为17. 9 MPa，最大压应力为30. 8 MPa，数值均小于钢筋抗拉或抗压强度。路基及轨道工程施工结束后，主筋内力先趋于稳定，后稍许降低并再次趋于平缓。这是由于桩板结构沉降，地基土体发挥支承作用所致。

根据各测试断面钢筋计受力均值，按双筋梁容许应力法换算为承台板的实测弯矩，按第3. 2节的计算方法和第3. 3节的荷载情况得出承台板的计算弯矩（即理论弯矩），两种结果对比情况见图4。

图4　承台板弯矩实测值与计算值对比

由图4可知，承台板弯矩的实测值与计算值比较接近。本文第3. 2节所述计算方法将边跨支座按铰接进行考虑，实际上由于托梁存在一定宽度，换算得出边跨支座处有一定负弯矩，因此需要对承台板端部进行特殊设计。实测弯矩与计算弯矩吻合良好，且数值远小于抵抗弯矩，说明设计承载力是安全可靠的。

4. 2托梁主筋内力

托梁主筋内力测试结果见图5。图中内力值以受拉为正，受压为负。

图5　托梁主筋内力时程曲线

根据各测试断面钢筋计受力均值，按双筋梁容许应力法换算为托梁的实测弯矩，按第3. 2节的计算方法和第3. 3节的荷载情况得出托梁的计算弯矩（即理论弯矩）。托梁实际受荷情况与计算值的受弯方向一致，且数值远小于抵抗弯矩，说明设计承载力是安全可靠的。

4. 3板土接触应力

随着地基土对承台板的支承作用越强，即地基系数K越大，板的沉降越小。由于理论计算时不考虑地基土对板的支承作用，故为了得到地基土对承台板的支承作用，可根据承台板与地基土的接触应力测试值反算地基系数K。因此，在桩板结构边跨及中跨跨中处，承台板与土体之间埋设土压力盒，且每个断面均在左线左轨（代号zz）下侧及左线中心（代号zx）下侧沿横向布置2个土压力盒。测试结果见图6。

由图6可知：混凝土浇筑完成初期，混凝土水化热对土压力盒的测试数值有一定影响，随着时间的发展逐渐趋于稳定。板土接触应力总体不大，最大值为0. 13 MPa。由于桩土刚度差异较大，随着桩板结构与地基土体耦合作用的增强，板下土体支承作用逐渐弱化，上部荷载逐渐转移到桩顶，故设计中不考虑板下土体支承作用是安全的。

图6　板土接触应力时程曲线

5　结论

1）桩板结构首次应用在深厚软土地区，其受力明确，传力路径清晰，具有良好的力学特性，能有效改善路基软弱土体受力状态，具有较好的适用性。

2）承台板实测值与计算值相符，且数值远小于抵抗弯矩，设计承载力安全可靠。

3）路基及轨道工程施工结束后，承台板主筋内力先趋于稳定，后稍许降低并再次趋于平缓。

例3：本研究采用质性个案研究方法，以两名大学英语教师为研究对象，从活动理论视角探究了教师实施教材任务的具体策略、动机以及动机形成的原因。

4）外荷载作用下桩板结构沉降，地基土体发挥部分支承作用，然后地基土发生沉降，上部荷载部分转移到桩顶，从而减弱板下土体受力，此即两者间的耦合作用。

参考文献

［1］李飞，程鹏环，单海银，等.软土路基侧向变形测试分析与限制研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（12）：2114-2117.

［2］徐芙蓉，吕秋鸿.广州市某轨道线淤泥软土物理力学指标选取试验研究［J］.铁道建筑，2012（6）：89-91.

［3］杨虹，万忠伦.淤泥质黏土地基加固处理技术［J］.铁道建筑，2007（12）：66-67.

［4］曾召田，吕海波，尹闯，等. CFG桩复合地基加固机理及工程实例分析［J］.铁道建筑，2014（1）：79-81.

［5］张世民，魏新江，秦建唐.长短桩在深厚软土中的应用研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（增2）：5428-5432.

［6］白皓，苏谦，梁龙标，等.新建铁路路基斜交超浅埋地铁的变形监控与安全评估［J］.中国安全科学学报，2011，21 （7）：144-150.

［7］苏谦，白皓，黄俊杰，等.埋入式桩板结构温度效应计算方法［J］.西南交通大学学报，2012，47（2）：181-186.

［8］白皓，苏谦，黄俊杰，等.非埋式桩板路基动力特性原位激振试验研究［J］.岩土力学，2012，33（12）：3753-3759.

［9］刘宝，苏谦，赵文辉，等.京沪高铁深埋式桩板结构设计计算方法分析［J］.铁道建筑，2015（4）：156-158.

［10］苏谦，王武斌，白皓，等.非埋式桩板结构路基承载机制［J］.交通运输工程学报，2012，12（1）：113-116.

（责任审编葛全红）

Applicability Analysis of Non-embedded Pile-Board Subgrade in Soft Soil Area

LIAO Zhiyong1，BAI Hao1，SU Qian2，LIU Ting2
（1. Engineering Construction Department，Sichuan Expressway Construction and Development Corporation，Chengdu Sichuan 610041，China；2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

AbstractT he paper put in place a long-term in-situ monitoring system for the chosen typical cross section of pileboard subgrade underpinning Shanghai-Hangzhou passenger dedicated line. W ith the help of plane calculation analysis model，it analysed the internal forces of the non-embedded pile-board structure in deep-thick soft soil areas. T he results show that no visible difference is noticed between the measured data and the calculated value for the internal forces of the bearing platform and the main reinforcement bearing. At the same time，the bending moment measured and that calculated stand consistent，and the measured data falls far below the bending resistance of the structure. T he pile subgrade changes the mode of force transfer，as the contact stress between plate and soil caps at 0. 13 M Pa，enhancing the force bearing performance of the deep-soft soil subgrade.

Key wordsSoft soil subgrade；Non-embedded pile-board subgrade；Applicability

中图分类号U213. 14

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 30

文章编号：1003-1995（2016）05-0135-04

收稿日期：2015-08-27；修回日期：2016-02-28

基金项目：国家自然科学基金（51378441）；教育部新世纪人才计划项目（NCET-12-0941）

作者简介：廖知勇（1970—），男，高级工程师，硕士。