梁筏结构在岩溶地区铁路路基中的应用研究

黄学杰

我国岩溶地区面积较大,主要分布在南方。这些地区人类工程活动强烈,岩溶灾害问题也非常突出,已引起工程界普遍关注[1-2]。特别是在铁路建设领域,岩溶问题已成为南方岩溶地区突飞猛进的高速铁路建设面临的主要地质问题之一[3-4]。

在岩溶地区，铁路路基地基通常采用岩溶注浆或桩板结构来处理。目前注浆是岩溶地区铁路路基最常见的地基处理方式，但是注浆已经暴露出越来越多的缺点和局限性。在一些岩溶强烈发育区，岩溶空洞大、溶蚀面低，有些段落岩溶空洞深度达到20～30 m。采用注浆方案处理岩溶时，注浆后的注浆体收缩大且浆液的灌注不易控制,进而难以保证路基的稳定性和轨道的平顺性[5]，因此在这些溶洞较大的地区，采用注浆处理岩溶地基有一定的缺陷。实践证明水泥浆中含有的Cr6+会对环境造成严重污染，在环境保护要求较高的地区不能采取注浆方式。如某工程位于水源地附近，在注浆处理地基时Cr6+渗入水源中，导致水源受到严重污染，不得不中断注浆。

在岩溶强烈发育地段铁路路基通常以桩板结构的形式通过。桩板结构用于岩溶地基处理时为防止在溶洞顶板堆土加速溶洞顶板破坏，一般将板设置在地面处，即由桩板结构来承担全部的路堤填土的重量。当路堤填土较高时由于桩板结构承受的荷载较大，需要较厚的板来防止桩板结构的冲切破坏，材料浪费较大，地基处理造价较高[5]。为克服桩板结构的这些缺点提出梁筏结构。梁筏结构是梁和结构板现浇在一起，共同承担上部荷载的结构形式。由于梁筏结构的梁和结构板之间的抗冲切面积较大，板的抗冲切承载力较大，板厚可以减薄。这种结构传力途径清晰，受力方式明确，理论可靠，可以用有限元分析，也可以用简单的超静定结构的模型进行分析。本文结合黔张常铁路路基岩溶地基处理工程介绍梁筏结构在高铁路基岩溶地基处理中的应用。

1 工程概况及工程方案

1.1 工程概况

黔张常铁路路基工点DK46+840—DK47+247段，长度为407.00 m，路堤填高最高为9.0 m，位于一级水源地保护地区，山势陡峭。工点处地层主要为第四系坡积粉质黏土及寒武系中统高台组灰岩，不良地质主要为岩溶，工点处钻孔揭示溶洞强烈发育，溶洞高度0.2～24.0 m。溶洞埋深2～20 m，多为黏性土及碎石类土半填或无充填。

1.2 工程方案及结构计算模型选取

该工点位于一级水源保护地，由于注浆会污染水源且注浆后浆液凝固收缩量大影响路基的稳定性和轨道的平顺性，为将来通车埋下安全隐患，故不宜采用岩溶注浆的方式，提出桩板结构和梁筏结构这2种比选方案。

为防止在溶洞顶板堆土加速溶洞顶板塌陷，路堤填土荷载全部由结构板来承担，故结构板需要设置在地面处。该工点路堤高度为9 m，在路堤底面处列车的冲击效应已经衰减完，可不考虑列车的冲击作用。土重度γ取20 kN/m3，板顶处土压力为180 kPa,列车及轨道荷载在结构板顶处扩散为20.2 kPa。为防止溶洞顶板在增加荷载后塌陷，地基土对板的支撑作用丧失造成结构破坏，选取结构计算模型时不考虑地基土对板的支撑作用，按照板底悬空计算。桩底嵌入微风化岩层内，变形较小，桩可以作为上部结构的不动铰支撑点。桩板结构的计算模型采用等效框架梁模型进行受力分析，梁筏结构采用梁板结构模型进行受力分析。

2种比选方案采用的设计桩径均为1 m，桩间距均采用5.5 m×7.0 m。桩及上部结构的混凝土强度均为C40。为减小地基处理宽度，取得经济合理的效果，路基两侧均采用挡土墙收坡。结构断面形式如图1所示。

图1 结构断面形式示意

1.2.1 桩板结构方案计算分析

1)抗冲切分析及板厚取值

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》按照以下公式进行抗冲切计算[6]

Fl≤0.7βhftηumh0

(1)

式中：Fl为结构的设计荷载；βh为板抗冲切系数，板厚h≤800 mm时取1.0，h≥2 000 mm 时取0.9；ft为混凝土抗拉强度；η为η1与η2两者的较小值；um为计算截面的周长；h0为板的计算高度，取h0=h-as,as为板面至钢筋重心的距离。

η1,η2计算式为

式中：η1为局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数；η2为计算截面周长与板截面有效高度之比的影响系数；βs为局部荷载或集中反力作用面积为矩形时的长边与短边尺寸的比值，取2；αs为桩位置影响系数，中桩取40。

根据式(1)进行抗冲切承载力验算。按照板厚1.3 m计算，βh=0.96，每个桩对板的冲切力为 9 342 kN,抗冲切承载力 9 525 kN,满足规范要求，且稍有富余。证明板厚取1.3 m合适。

2) 受弯承载力分析及钢筋布置

由于不考虑地面土的作用，板内力计算模型拟采用由文献[6-7]提出的等效框架梁法，把整个结构分别沿纵、 横2个方向的柱(桩)列划分为具有“等效框架柱”和“等效框架梁”的纵向等效框架和横向等效框架，按此计算得到的内力作为无梁板和柱(桩)的内力[8]。文献[9]用等效框架梁法模拟分析了某建于岩溶地基上的15层建筑的基础，实测结果与分析结果接近。理论及实践证明该模型用于岩溶地区地基桩板结构的地基处理是合适的。本工程中等效框架中纵梁的等效宽度取值为min(2Lx/3,Ly/2)=2.75 m，横梁的等效宽度取值为min(2Ly/3,Lx/2)=3.5 m，PKPM计算的弯矩云图见图2。

图2 桩板结构弯矩云图(单位:kNm)

由图2可知，纵向及横向跨中的正弯矩较小，最大弯矩均出现在等效框架梁上的桩顶部位，每延米板纵向最大弯矩设计值为-3 100 kNm,截面受压区相对高度ξ=0.093≤0.515，受弯承载能力有较大富余。在板面及板底双向布置直径25 mm、间距200 mm的通长钢筋,每个方向配筋率为0.25%，大于最小配筋率0.20%。在等效框架梁范围内上部增加直径32 mm、间距200 mm的附加钢筋，附加钢筋长度为3 m，附加钢筋与通长钢筋间隔布置。

1.2.2 梁筏结构方案

1)结构板受力分析

图3 梁筏结构板弯矩云图(单位：kNm)

梁筏结构是以结构板为主要的受力构件来承受上部路堤及轨道列车荷载，纵、横梁作为结构板支撑的一种结构形式。和桩板结构相比，梁筏结构板的支撑点由原来的桩变为纵、横梁，由原来的点支撑转变为线支撑。支撑数量大幅度增加可以使结构板的最大弯矩及剪力均大幅度降低、结构板的板厚及钢筋数量大大减小。本工程中采用的结构板厚为0.8 m，PKPM计算的弯矩云图见图3。可知，每延米结构板面的最大弯矩值为 1 050 kNm,为无纵、横梁支撑时弯矩的1/3。根据计算结果板面及板底双向配置直径22 mm、间距200 mm 的HRB400钢筋即可满足要求。最小配筋率为0.24%,大于0.20%。计算最大裂缝宽度0.05 mm,满足规范要求。根据计算每块板受到的冲切力为 7 370 kN,抗冲切承载力为 22 024.8 kN,抗冲切满足规范要求且有较大的安全富余度。

2)梁抗弯及抗剪分析

本工程中取梁截面为1.4 m×1.0 m,结构板厚0.8 m,每个板块长为7 m,宽为5.5 m，长宽比小于2，结构板为双向板。按照双向板塑性铰线理论，板上的荷载被塑性铰线分为4块，每块小板的荷载就近传递至支撑梁上，传力途径如图4所示。

图4 板荷载传递示意

图5 梁的弯矩及剪力包络图

图6 梁弯矩包络图(单位：kNm)

根纵梁承受的土压力及混凝土自重线荷载为589.8 kN/m,承受的列车及轨道压力荷载为48.6 kN/m。横梁承受的土压力及混凝土自重线荷载为445.6 kN/m，承受的列车及轨道压力线荷载为42.9 kN/m。采用《静力计算手册》算法分析得出的纵梁弯矩及剪力见图5。采用PKPM进行有限元分析得出的纵梁弯矩见图6。对比图5、图6可知，4跨框架梁的超静定结构分析结果和PKPM有限元分析结果相近，最大弯矩均为支座负弯矩。最大弯矩 4 460 kNm 出现在纵向第1跨中间支座处,按此弯矩确定的梁上部配筋 10 223 mm2，采用20根直径28 mm HRB400钢筋可满足要求。裂缝宽度为0.12 mm，满足GB 50010—2010三a类环境下裂缝宽度不大于0.2 mm的要求。抗剪箍筋采用间距200 mm，四肢箍,直径10 mm的HRB400钢筋。

1.2.3 方案对比

2 现场试验

梁筏结构施工前，选取3个试验断面布置构件，监测筏板底部土压力、关键部位钢筋应力及结构整体沉降。

2.1 筏板底部土压力

筏板底部的土压力分别为32.5，42.1，35.2 kPa，附加应力为12.5,22.1,15.2 kPa。附加应力增加较小，可有效防止溶洞顶板因地面附加应力过大造成溶洞顶板脱落的问题。

2.2 钢筋应力

由于结构计算时没有考虑土对筏板的支撑作用，因此钢筋应力实测值比计算值低。工程建成后3个试验断面纵梁支座处钢筋应力最大，分别为78,105,92 MPa，远远小于360 MPa，证明本结构有较高的安全储备。

2.3 地基沉降

路堤填土的大部分荷载都是由桩来直接传递到微风化岩石上，因此路堤沉降主要为桩及岩石的变形。由于桩及岩石均为刚体，在加载后梁筏结构的路基沉降会很快稳定下来，工后沉降可以得到有效控制。

图7 沉降时间关系曲线

3 结论

1)梁筏结构荷载传递途径明确，计算模型简单，可以采用简单的超静定结构模型计算，也可采用有限元计算分析，理论可靠。

2)按照文中方法计算的梁筏结构，具有很高的安全富余度。

3)与桩板结构相比，梁筏结构设计合理，可有效

减少混凝土用量，经济效益较好。

4)由于梁筏结构及基岩刚度较大、变形小，可有效减小溶洞顶板的附加荷载，保护溶洞顶板，且路基沉降可以很快稳定下来，有效控制路基工后沉降。