深厚岩溶区抗沉降高速铁路多层框架桥结构受力特性研究

摘要：结合池黄高铁工程，针对深厚岩溶区高速铁路桥梁沉降控制难点，提出了一种新型多层框架结合筏板式基础结构体系，同时比选简支梁和矮塔斜拉桥方案。为了研究其沉降规律，采用小应变土体硬化本构模型，考虑剪切硬化、压缩硬化及土体刚度的应力相关性，考虑桩、土及筏板共同受力，系统分析了分级加载条件下结构在板厚、桩径及桩长等不同因素下的沉降及底板应力的变化。研究结果表明：多层框架桥底板板厚加厚能够显著控制沉降，但会引起底板应力增加；1.5m的钻孔桩梅花型布置是基础的最优布置。研究成果能够为高速铁路深厚岩溶区工程的桥梁建设提供参考。

关键词：多层框架桥；深厚岩溶区；沉降控制；桩筏结构基础

0 " 引言

桥梁的沉降与桩基布置形式、桩底土层的压缩性密切相关。一般来说，沉降控制最有效的方法是将桩基础持力层放置在压缩模量值较高的土层[1]。岩溶区桥梁地质复杂多变，岩层起伏、无底板等情况时有发生。为了控制沉降，在地质条件允许的情况下（即岩溶区存在底板）通常采用嵌岩桩。

在无底板情况下，常规结构无法满足要求，公路及市政工程中常采用压浆技术加固周边土体，改善岩溶区的土体力学性质，从而减少桥梁桩基沉降。其压浆效果通常与溶腔大小、周边土体力学性质、施工工艺、施工水平等相关。高速铁路桥梁对沉降控制要求极为严格，目前压浆技术对铁路桥梁沉降控制尚处在研究阶段，未有明确的规范条文给出具体的数值成果[2-6]。

岩溶区高铁桥梁设计仍将桩基嵌入岩溶底板作为主要手段，但由于深厚岩溶区填充物压缩模量值较小且无稳定溶洞底板，很难通过增加桩长达到控制沉降目的，无法满足无砟轨道对桥梁沉降的要求。针对该问题，本文以池黄铁路墩上深厚岩溶区桥梁设计为背景，突破以往梁式桥设计理念，提出了多层框架式新结构穿越深厚岩溶区，是一种新型的桥梁地段基础处理技术与岩溶整治方法，为以后类似工程建设提供了一种新的思路。

1 " 基于沉降控制的桥梁总体方案

1.1 " 地质概况

池黄铁路线路展布于皖南山区，沿线山势挺拔、群峰竞秀。墩上特大桥位于山前平原地带区，地形平坦开阔，桥址处地层从上之下为第四系全新统和第四系上更新统，主要为素填土、种植土、粉质黏土，厚度约11～60m，无法作为桩基持力层。下伏基岩主要为奥陶纪仑山组灰岩，燕山期花岗岩。桥址处地质构造复杂，受构造影响岩体普遍较破碎，为岩溶的发育提供了构造条件，尤其是DK18+100～DK18+300背斜核部，百米内未找到稳定的底板。钻孔见洞率为92.48%，线溶率49.06%，岩溶强烈发育。此段岩溶发育情况地质纵断面如图1所示。

部分钻孔揭露中风化灰岩，岩层厚度大于10m，最小埋深仅11.2m。岩溶发育强烈的钻孔，溶洞揭露浅为11.8m，最大超过90.0m，揭示最大高度39.4m。

1.2 " 桥梁设计方案比选

池黄铁路墩上特大桥墩上镇段为开放性溶腔区，且下伏多层溶洞，溶洞中填充层呈松散状态。在保证结构安全及工期的前提下，如何选取合理的桥梁结构方案，才能满足高速铁路对沉降控制的严格要求，是方案设计的重难点。本文选取了常规简支梁、矮塔斜拉桥及多层框架桥三种设计方案来解决此难题。

1.2.1 " 简支梁方案

本方案采用4-31.5m双线简支箱梁+2-23.5m双线简支箱梁跨越深厚溶腔区，同时采用桩底及桩侧注浆方案控制墩间不均匀沉降，深厚岩溶区桩长平均60m。

简支梁方案上部结构简单，施工简便，工程造价低。但由于下部采用注浆方案，施工接口多，对技术要求高吗，施工周期长，且需通过静载试验及长期沉降观测验证理论结果，存在工期风险。同时该地段属开放性溶腔，地下水丰富，注浆后的注浆体收缩大且浆液的灌注不易控制，存在一定工程隐患。

1.2.2 " 矮塔斜拉桥方案

本方案采用（114+228+114）m矮塔斜拉桥跨越深厚溶腔区，矮塔斜拉桥主墩均采用12-φ3m钻孔灌注桩基础，桩长为35～84.5m、47m，桩底均位于弱风化灰岩中，为嵌岩桩。

采用大跨度的矮塔斜拉桥方案使桩基成功避开了深厚岩溶区，桩基础可按常规工法施工，能够有效地控制工后沉降。但是大跨度结构复杂，工程造价高。因纵断面限制，上跨越邻近公路处的桥梁结构高度近8m，为满足通行净空要求地面道路需下挖改造2.5m，影响周边近200m道路，对周边交通影响较大。

1.2.3 " 多层框架桥方案

本方案采用8孔多层框架（编号A-H）+筏板基础通过深厚岩溶底板区。除A框架为嵌岩桩外，B-H框架基础均终孔在溶洞填充物内，桩长48～69.5m，通过堆载预压消除松软土体压缩沉降，以解决沉降超限问题。

多层框架桥方案上部结构施工工艺简便。堆载预压方案提前完成了框架沉降，且预压工期不受架梁、铺轨等影响，同时可以根据沉降观测情况实时调整。但是相较常规桥梁方案桩基数量较多，如采用传统冲击钻+黏土片石回填施工工艺，下部结构施工时间较长，对此可以引入旋挖钻+履带起重机+全回转钻机全套管跟进的施工工艺加快施工进度。

1.2.4 " 方案比选与确定

针对高速铁路跨越深厚岩溶区，考虑了常规简支梁、矮塔斜拉桥及多层框架桥3种方案，从沉降控制、施工难度、施工工期及工程影响四个方案进行比选，比选结果如表1所示。

从表1中可以看出，多层框架方案采用框架内堆载预压法控制沉降，该工法在高速铁路路基段施工中应用广、效果好；同时可以根据沉降观测情况调整确定预压工期，不影响全线架梁、运营节点。虽然岩溶桩基数目较多，但可以通过旋挖钻+履带起重机+全回转钻机全套管跟进施工工艺，可缩短工期。经过综合比选，推荐采用多层框架桥方案跨越深厚岩溶区。

1.3 " 多层框架桥方案分析

1.3.1 " 总体思路

本方案的研究思路是将筏板结构引入到桥梁设计中，将筏板结构作为地基处理和岩溶整治的结构型式，结合预压处理，提前固结桩底土层，消除覆盖土层的压缩沉降，使得施工期内的沉降得以稳定，减少岩溶塌陷影响行车安全的风险，从而达到控制沉降与变形的目的。

较传统的桥梁结构而言，框架与筏板组合结构不仅是无砟轨道一种新的桥梁结构形式，也是一种新型的地基处理技术与岩溶整治方法，是介于桥梁与传统路基之间的一种特殊的结构形式。

1.3.2 " 框架构造

多层框架均为分离式框架，孔跨布置为（1-17.5m+6-

15.5m+1-20.06m）框架桥，框架之间设置2cm的沉降缝。框架结构总高16～20.5m不等，框架顶底板及边墙厚1m，中隔板厚0.5m。

框架顶板宽度及构造与高铁简支箱梁通用图保持一致，两侧悬臂长度均为130cm。A、H框架接简支梁侧边墙设置牛腿，牛腿长250cm，牛腿端部厚度250cm，根部厚度125cm。A框架构造如图2所示。

筏板厚度为1.3m，为控制板中应力和不均匀沉降，相较桥梁桩基础，适当加大了桩间距，顺桥向桩间距4～

4.55m，横桥向桩间距4.85～5m。筏板结构桩长46.5～69.5m不等。

2 " 框架桥沉降及受力性能分析

2.1 " 模型建立及计算参数

通过Plaxis 3D有限元分析软件，建立，采用多层框架结构进行岩溶区沉降控制验算的计算模型，如图3所示。模型中考虑了框架的自身质量、堆载预压和后期活载。路线前进方向截取的段落长度为10m，同时考虑到应力扩散的影响，在垂直路线方向土体两侧比板边缘宽出5m。

桩体为摩擦桩，主要承载力由桩侧摩阻力提供。计算分析中，将考虑不同底板厚度、不同桩径配置以及不同桩长配置对底板平均沉降、不均匀沉降（最大最小位移差）、中线弱轴变形程度以及板中最大应力的影响。土层参数见表2。

2.2 " 计算结果分析

2.2.1 " 底板厚度的影响

分析中考虑了底板厚度分别为0.8m、1.3m和1.8m工况下对平均沉降、不均匀沉降和最大应力的影响。不同底板厚度对不均匀沉降的影响如图4、图5所示。

从图4、图5可以看出当底板厚度增大后，底板的不均匀沉降和变形程度均有较大改善。这是由于当底板厚度较小时，底板的抗弯刚度不够，对上部荷载的分摊作用较差，框架两侧的集中荷载使底板受力不均匀，因此造成较大的不均匀沉降和变形。

不同底板厚度对最大应力的影响如图6所示。从图6可以看出底板的最大应力随着厚度的增加而增加，这是由于随着底板抗弯刚度的增加，底板中间的变形较小，底板下部土体受到的压力也因此减小，两侧桩体接收了更多的上部压力，当底板厚度从0.8m增厚至1.8m后，最大应力增长了3.76倍。

2.2.2 " 桩径的影响

计算中将底板厚度统一为1.3m，并考虑到桩径分别为1m、1.25m、1.5m和1.875m对底板不均匀沉降、平均沉降和最大应力的影响。为了保证桩侧摩阻力保持一致，按比例减少了桩数并布置了桩位。不同桩径工况示意如图7所示。

不同桩径对不均匀沉降的影响如图8所示。不同桩径对平均沉降的影响如图9所示。不同桩径对最大应力的影响如图10所示。分析图8、图9、图10可看出，随着桩径的增加，底板的不均匀沉降和平均沉降均有一定程度的改善效果，当桩径为1.5m时，底板的不均匀沉降和平均沉降达到最小值。

分析认为，由于底板的主要受力部位位于两侧，桩径的增加使其能够提供更大的承载力并承担了更多的竖向力，因此底板的最大应力也明显提升。此外，梅花式布桩也能够使应力更好地分散到底板上，从而使底板的整体变形较小，加强了不均匀沉降的改善效果。

4 " 结束语

本文通过桥梁方案比选和有限元模拟，研究了多层框架桥在深厚岩溶区高速铁路的应用，分析了结构不同工况下在自身质量、堆载和活载作用下的底板平均沉降、不均匀沉降、底板变形程度和板中最大主应力变化，得到以下结论：

多层框架方案较简支梁和矮塔斜拉桥方案，能够更加有效地控制沉降，施工工艺简单，可操作性强，且具有良好地经济和社会效益。

板厚的增加能够显著改善底板的不均匀沉降和变形程度，但会大幅增加板中最大主应力。

基础采用1.5m的钻孔桩梅花型布置，能够减小底板的平均沉降和不均匀沉降，并减小板中的最大应力。

参考文献

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