孫 勇，黃俊杰，任正能，楊雪峰，王武斌

(1．中石化天然氣川氣東送管道分公司 鄂西輸氣管理處，湖北 宜昌 443001;2．西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031;3．昆明鐵路局 工務(wù)機(jī)械段，云南 昆明 650200;4．神華新準(zhǔn)鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

跨越溶洞上方埋入式樁板梁結(jié)構(gòu)路基選型分析

孫 勇1，黃俊杰2，任正能3，楊雪峰4，王武斌2

(1．中石化天然氣川氣東送管道分公司 鄂西輸氣管理處，湖北 宜昌 443001;2．西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031;3．昆明鐵路局 工務(wù)機(jī)械段，云南 昆明 650200;4．神華新準(zhǔn)鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

針對巖溶的特點(diǎn)，提出2種中等跨度埋入式樁板梁結(jié)構(gòu)路基，分別為托梁式和板梁式，跨越淺埋隱伏型縱向?qū)挾葹?4.0的溶洞。首先采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，得出在路堤填土、軌道和列車等荷載作用下，2種路基結(jié)構(gòu)形式的變形規(guī)律;同時，將2種不同結(jié)構(gòu)形式的路基與直接在溶洞上方填筑路基進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：直接在巖溶地基上填筑路基時，地基最大沉降達(dá)到了112.5 mm;托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基承臺板縱向中心最大沉降分別為19.6 mm和12.4 mm，與地基的最大接觸應(yīng)力分別為13.6 kPa和7.2 kPa，有效地將上方荷載通過樁板梁結(jié)構(gòu)傳到溶洞兩側(cè)的穩(wěn)定基巖上，控制了路基面的沉降;從路基沉降和溶洞頂板受力控制方面進(jìn)行比較，板梁式更優(yōu)于托梁式結(jié)構(gòu)路基。

溶洞 樁板梁結(jié)構(gòu)路基 結(jié)構(gòu)選型

在鐵路建設(shè)中，由于巖溶地質(zhì)分布的廣泛性和隱蔽性，許多路基段不可避免地要建在巖溶地基之上，在路基自重和交通荷載作用下，導(dǎo)致溶洞坍塌，引起路基塌陷、下沉或開裂，影響線路正常使用。巖溶路基穩(wěn)定性與溶洞頂板厚度、圍巖的特性和巖溶發(fā)育程度等有關(guān)，當(dāng)溶洞頂板安全厚度不足時，必須對溶洞進(jìn)行加固處理［1-3］。

目前，巖溶路基加固方法有多種，比較常用的方法主要有注漿充填、開挖充填等，鉆孔注漿充填是目前應(yīng)用得比較廣泛的加固方法之一，如武廣客專新耒陽站和部分路段巖溶路基整治［4-5］，及洛湛鐵路益婁段溶洞加固［6］等。但常規(guī)巖溶路基處理方法存在需要填筑材料多、填充效果不可見、破壞巖洞結(jié)構(gòu)和水系統(tǒng)等問題，尤其是在涌水溶洞處理中，破壞巖洞結(jié)構(gòu)和水系統(tǒng)可能引起新的巖溶災(zāi)害。因此，本文針對縱向跨度約為14.0 m的淺埋溶洞，提出了中等跨度埋入式托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基跨越溶洞地基，并對其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對比分析，同時采用數(shù)值軟件，計(jì)算分析了這2種路基結(jié)構(gòu)形式的變形規(guī)律，并將其與直接在溶洞上方填筑路基進(jìn)行了對比。

1 工程概況

雙線無砟軌道鐵路路基高度為3.0 m，路面寬為13.6 m，經(jīng)勘探發(fā)現(xiàn)該段路基下伏溶洞，由多條相互貫通的巖溶管道構(gòu)成，橫向貫穿線路，管道內(nèi)常年有強(qiáng)流水，如圖1所示。表層為厚度2.5 m的黏土層，巖溶管道頂板為厚度約3.8 m的強(qiáng)風(fēng)化白云巖，巖溶管道分布區(qū)域高度和跨度分別為6.0 m和14.0 m，頂板安全厚度不滿足上部荷載要求，巖溶管道以下為中風(fēng)化白云巖和微風(fēng)化白云巖。經(jīng)專家討論決定其不宜鉆孔注漿或開挖回填封堵，提出采用工程結(jié)構(gòu)物跨越形式，確保原有巖溶管道和及其水系不受破壞，避免溶洞水系強(qiáng)制截流后引發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害。

圖1 巖溶管道發(fā)育區(qū)布置

2 埋入式樁板梁結(jié)構(gòu)

借鑒高速鐵路小跨度樁板梁結(jié)構(gòu)路基的經(jīng)驗(yàn)和成果［7-9］，提出跨度為20 m的埋入式托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基跨越淺埋隱伏型溶洞地基2種方案，目前，這種結(jié)構(gòu)形式用于處理巖溶地基的研究極少。在本文中將埋入式托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基統(tǒng)稱為埋入式樁板梁結(jié)構(gòu)路基。

2.1 托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)

中等跨度托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)如圖2所示，其具體尺寸參數(shù)和設(shè)計(jì)材料見表1。首先鉆孔澆注樁基，然后于巖溶地基表層挖與托梁相同尺寸的坑槽以及整理地表立模，設(shè)置鋼筋后托梁和承臺板一次澆注形成，即樁與托梁、托梁與承臺板固接。

圖2 托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)形式(單位:cm)

表1 托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)

基于托梁式樁板結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，增加間距為4.0 m的板梁(縱向梁)，提高縱向剛度，樁—托梁—板梁(縱向梁)—承臺板相互固接，形成一個整體。在本文中將其稱為板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)材料和參數(shù)見圖3和表2。

圖3 板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)形式(單位:cm)

表2 板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 經(jīng)濟(jì)性比較分析

托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)均有相同尺寸的樁和托梁，主要區(qū)別是承臺板部分的結(jié)構(gòu)形式，即承臺板厚度不相同，以及板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)有板梁(即縱向梁)，而托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)無板梁。這2種結(jié)構(gòu)形式主要工程量和造價見表3。

從表3可知，板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，其工程量和造價比托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)分別少了10.96%和6.99%，說明板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)除了自重較輕外，其在中等跨度結(jié)構(gòu)中有較好的適用性。

表3 托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 假設(shè)條件

1)模型材料均為均質(zhì)各向同性的彈塑性材料，采用Drucker-Prager模型。

2)非封閉式溶洞的填充物及其高度對于巖溶地基極限承載力的影響不大［10-11］，所以溶洞按空溶洞進(jìn)行計(jì)算，不考慮溶洞內(nèi)充填物的影響，簡化為高6.0 m，長為14.0 m的矩形空洞。

3)不考慮圍巖自重應(yīng)力的變化對跨越溶洞上方埋入式樁板梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，所以在用三維有限元法計(jì)算的過程中，不考慮自重應(yīng)力的變化，故將自重應(yīng)力取為一個定值。

巖溶上方填筑路基。其中埋入式板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基模型如圖4所示。列車荷載采用ZK活載，將軌道和列車荷載換算為重度為20 kN/m3的土柱，土柱高度和寬度分別為2.7 m和3.4 m。樁板梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)為厚度3.0 m的換填層，模型計(jì)算參數(shù)見表4。

圖4 埋入式樁板梁結(jié)構(gòu)路基模型

表4 模型計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算模型的確定

建立3組模型:①埋入式托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基;②埋入式板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基;③承臺板、縱向梁、托梁和巖土體相互綁定，樁土接觸模型采用庫侖摩擦模型，其剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系為

式中，τ為剪切應(yīng)力;KS為剪切剛度;ω為接觸面間的相對位移;μ為接觸面間的摩擦系數(shù)，本文取0.25;p為法向應(yīng)力;ωS為彈性極限相對位移。

3.3 模型邊界條件和分析步

底部采用位移邊界條件，即水平和垂直方向的位移均約束;側(cè)向則為水平方向位移約束。有限元模擬分2步進(jìn)行:首先施加初始應(yīng)力場;然后施加路堤填土自重、軌道和列車荷載。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)在上部荷載作用下，其承臺板頂面縱向中心沉降規(guī)律如圖5所示，豎向變形云圖如圖6所示。

托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)承臺板頂面縱向中心最大沉降分別為19.6 mm和12.4 mm，樁底沉降分別為0.3 mm和0.5 mm，跨中位置與地基的最大接觸應(yīng)力分別為13.6 kPa和7.2 kPa。而直接在巖溶地基上填筑路基時，地基面最大沉降為112.5 mm，溶洞跨中位置路基地面與地基的基礎(chǔ)最大接觸應(yīng)力為86.1 kPa。這說明了托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)有效地將上方荷載通過樁板梁結(jié)構(gòu)傳到溶洞兩側(cè)的穩(wěn)定基巖，確保了多條巖溶管道構(gòu)成的溶洞的穩(wěn)定性，控制了路基面的沉降。

圖5 托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)承臺板縱向中心沉降

圖6 樁板梁結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

板梁式與托梁式樁板梁結(jié)構(gòu)相比，板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)跨中承臺板最大沉降及與地基的接觸應(yīng)力比托梁式分別減小了36.7%和417.1%，可知板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基傳載特性和沉降控制效果比托梁式更好。

4 結(jié)論

針對路基下伏溶洞的地質(zhì)特征，提出了托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)2種路基結(jié)構(gòu)形式，并對其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較分析，以及采用 ABAQUS軟件，對其進(jìn)行了計(jì)算分析，得到以下結(jié)論。

1)托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)2種路基結(jié)構(gòu)形式跨越溶洞，確保了原有巖洞和水系統(tǒng)不受破壞，避免溶洞水系強(qiáng)制截流后引發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害。

2)板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)工程量和造價比托梁式分別少了10.96%和6.99%，表明板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)除了自重較輕外，還具有較好的適用性。

3)托梁式和板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)有效地將上方荷載通過樁板梁結(jié)構(gòu)傳到溶洞兩側(cè)的穩(wěn)定基巖，保持了溶洞的穩(wěn)定性，有效地控制了路基面的沉降。但板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)傳載特性和沉降控制效果比托梁式更好。

綜上結(jié)果，驗(yàn)證了本工程采用埋入式板梁式樁板梁結(jié)構(gòu)路基跨越巖溶地基的合理性。本研究結(jié)果可為類似巖溶地基處理工程提供參考。

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A

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1003-1995(2013)04-0094-04

2012-09-10;

2013-01-20

孫勇(1965— )，男，山東棗莊人，工程師。

(責(zé)任審編 王 紅)