岩溶地基桩板结构设计实例

王　亮

(中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550002)

岩溶在我国西南地区广泛分布，工程设计中应尽量绕避岩溶发育地区，当绕避困难时，对影响地基稳定性的岩溶，可根据其大小、埋深、围岩稳定性及水文地质条件等综合分析采取不同的处理措施。桩板结构刚度大，承载力高，可有效控制路基的沉降及不均匀沉降，所以对于洞口较大的岩溶洞隙，可考虑使用桩板结构进行处理。岩溶地区往往地层变化很大，造成桩周岩土体对各个桩基的侧向抗力差别很大，这就容易产生桩板结构的刚度分配不均匀，结构变形不易协调，很容易在各种荷载特别是温度荷载的作用下发生应力集中和局部裂缝的问题，对桩板结构的正常使用及耐久性等造成影响。本文结合一工程实例探讨桩板结构在岩溶地基处理中的一些问题。

1　工程实例概况

某新建铁路设计速度目标值120 km/h，按铺设有碴轨道标准设计，路基设计中有一长约20 m的路堑地段，上覆土层为软塑状黏土、红黏土互层，其中软塑状黏土分布于局部地面表层(厚4～7 m)和基岩接触面(厚1～4 m)，红黏土普遍分布于地表，厚约10 m，局部具有弱膨胀性。下伏基岩为弱风化白云岩、灰岩夹页岩，薄层至中层状为主，岩质较坚硬，节理较发育。基岩内钻孔揭示有串珠状溶洞，溶洞高度11 m左右，周边地表见岩溶泉水、洼地发育，岩溶发育强烈。经过方案会审，该段路基采用埋入式桩板结构跨越溶洞处理。设计中考虑到本段路基地质条件较差，为改善桩板结构的受力条件，提高桩板结构的安全储备，桩板结构加固范围内的土层采用旋喷桩加固，加固深度至基岩强(弱)风化层以下0.5 m。桩板结构承载板采用C35混凝土，板长24 m，宽4.5 m，高0.6 m。桩基采用C30混凝土，与承台板固结，桩嵌入承台板内不小于10 cm，共10根桩，桩径1.2 m，横向桩间距2.5 m，纵向桩间距5 m(图1)。

图1　桩板结构加固示意(单位：m)

2　桩板结构的受力分析

2.1　模型的建立和计算参数的选取

将桩板结构简化为二维框架结构，承载板及桩基混凝土的相关参数根据现行混凝土结构设计规范[1]进行取值。计算中假定桩顶与承载板及桩底与基岩的连接形式均为固结，岩层的地基系数为200 000 kN/m3，假设溶洞及溶蚀破碎带不对桩产生抗力，桩顶处土层的地基系数取为30 000 kN/m3，地基系数随深度变化的比例系数取为2 500 kN/m4[2]。

2.2　静荷载作用下桩板结构的受力分析

桩板结构受到诸多荷载的影响，由于该桩板结构设置在普通铁路上，且为埋入式，所以除温度荷载外，桩板结构主要受到列车荷载、轨道结构及桩板结构上部垫层静荷载的影响。将上述荷载简化为均布荷载作用在板面上，约为60 kN/m2。计算结果表明，产生的弯矩主要由承载板承担，最大弯矩出现在1#桩与板连接处，为468.0 kN·m，其次为5#桩与板链接处产生的弯矩为440.0 kN·m，其余桩与板连接处产生的弯矩为303.9～391.8 kN·m，总体来说弯矩相差不大。产生弯矩大小不等的原因主要是由于各个桩基的刚度不均造成的。相比其他桩，1#桩和5#桩较短且桩周岩土体的抗力较大，特别是1#桩大部分处于基岩中，所以刚度明显大于其余桩，因此在均布荷载作用下产生了较大的弯矩。

2.3　温度荷载作用下桩板结构的受力分析

混凝土结构在浇筑完成后会产生收缩，混凝土收缩的影响，可按降低温度的方法来计算，对于整体浇筑的混凝土结构，可取降低温度20 ℃。外界环境温度的变化也会使该桩板结构产生温度应力，外界温度变化主要指季节性整体温度升降和日照温差。由于桩基埋置较深，上述两种温差变化都不大，所以在计算中忽略桩基温度变化的影响。在计算中对承载板施加的温度荷载为：(1)板均匀温度变化30 ℃；(2)板顶面与底面温差6 ℃。以上温差的取值是根据工程所在地区的气候特点及桩板结构的埋深大致估算的，其中对板施加的30 ℃的均匀温度荷载包括季节温差和混凝土收缩等效温差之和，实际上收缩等效温差是由小到大单调变化的，而季节温差是周期变化的，两者不能简单叠加，计算中对此做了适当的简化。

当对承载板整体施加-30 ℃的温度荷载时，算得板的轴力分布大致呈中部大而逐渐向两端减小的趋势，桩顶位移呈由内到外逐渐增大的趋势，1#桩的水平位移为1.7 mm，5#的水平位移为3.8 mm，位移没有对称分布显然是刚度差异造成的。桩板结构的弯矩示意图见图2。

图2　对承载板施加-30℃的温度荷载时桩板结构弯矩示意

由图2可知桩板结构的弯矩分布极不均匀，可见整体温度升降时桩板结构产生的应力大小受各刚度差异的影响是很大的， 1#桩、4#桩和5#桩上及这三根桩与承载板连接处产生的较大的弯矩，其中最大弯矩产生在4#桩与承载板的连接处为1 280 kN·m。

当板顶面与底面温差6 ℃时，其主要影响是使承载板产生弯矩，跨中如图3所示。最大弯矩为330 kN·m。

图2　当板顶面与底面温差6℃时桩板结构弯矩示意

从以上的计算不难看出，按理论计算得到的连续式桩板结构温度应力是很大的，甚至数倍于普通荷载，而在工程实际中，由于混凝土的徐变松弛特性使得温度应力大大小于理论值，根据文献[3],可将有限元弹性计算的温度应力乘以系数0.3作为实际作用于结构上的温度应力。乘以该系数后的温度应力也是相当大的，尤其是结构各部分应力分布的不均匀造成了配筋设计的困难。如果将1#桩和5#桩与承载板的连接形式由固结改为简支的话可显著改善桩板结构的受力状况，特别是可以大大降低温度应力的影响。

各种荷载作用下往往会使混凝土结构产生徐变及微裂缝，是构件不断满足变形的要求，从而使应力得到很大的松弛，对结构受力是有利的，所以一般在混凝土工程中容许出现较小的无害裂缝而需要控制过大的有害裂缝。在诸如连续式桩板这种受温度荷载影响较大的超静定结构的设计及施工中更要注意裂缝的控制，在混凝土选材方面主要从降低收缩、降低水化热及提高抗拉性能方面确定混凝土的配合比、掺合料及外加剂，在施工方面要严格控制施工质量，提高混凝土结构的均匀程度，降低混凝土裂缝的离散型和随机性，达到显著提高结构抵抗温度荷载能力的目的。

3　结论与建议

在岩溶地区的桩板结构设计中要注意结构各部分刚度分配是否合理的问题，必要时改变部分桩与板的连接形式，达到结构的变形协调、减少应力集中，提高承载力目的。温度荷载对连续式桩板结构的影响很大的，除了在结构设计中尽量减少温度应力外，还要严格控制施工质量，以提高结构抵抗温度荷载的能力。