下伏岩溶条件下桩板结构的跨距优化研究

杜一鸣，张鑫犇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

桩板结构是一种较为新型的路基结构型式[1]，目前已经逐渐在高铁、有轨电车等工程项目中所应用。该结构由钢筋混凝土桩、托梁、承载板组成。由于竖向荷载可以通过板-桩体系传递至持力层，桩板结构在控制沉降方面有非常好的效果，主要用于软土地基等不良地质或有重要浅埋管线需要保护等情况。

实际上，列车、轨道等竖向荷载是由板土相互作用以及桩这两部分共同承担的。虽然工程中桩板结构已有诸多应用，但是目前仍然对桩-板-土相互作用的机制无法解释清楚。肖宏[2]等对桩板结构桩-板-土相互作用模型进行了研究，并进行了一系列试验，考察了桩与土的相互作用特性、板下土体的支撑作用，但是其结论过于复杂，且并未考虑长期受荷载作用下土体产生固结等因素的影响，故其应用于工程实践还需要更深入的研究。

在工程实践中，可以通过简化的桩-板-土相互作用模型，并考虑土自身的特点，以确定最为经济合理的跨距。本文以某有轨电车项目为例，对桩板结构跨距比选过程进行介绍。

1 工程概况

某现代有轨电车示范线项目位于广东省，共设置10座车站，约有2.2 km长的线路沿既有道路路中绿化带敷设，有4.4 km长线路沿现有河道边坡敷设。正线段采用整体道床，路基结构主要采用桩板结构。其地质下伏存在灰岩，部分区段岩溶发育强烈。为了考虑工期与造价，在对桩板结构计算模型分析比选的基础上，对桩板结构的跨距进行优化研究。

2 工程地质

根据地质报告，该区域典型地质土层自上而下分布如下：

（1）1-1-1人工填土，主要为杂填土，局部夹素填土，厚 2～3 m；

（2）2-1B淤泥质土，流塑，含大量有机质，孔隙比约1.605，压缩模量2.2 MPa，属于高压缩性土层，厚度 2～18.4 m；

（3）2-4粉质黏土，饱和流塑，该段平均约3 m，压缩模量6 MPa；

（4）3-1粉细砂、3-2中粗砂、3-3砾砂，线路南段靠近起点附近揭示，厚度约14 m；

（5）各风化岩层。根据地质报告，本层存在岩溶发育不良地质。

路基承载板板底埋深0.98 m，位于1-1-1人工填土内，板底距离2-1B淤泥质土土层顶部约1～2 m。

3 桩板结构计算模型

为了研究桩-板-土共同作用的规律，考察简化模型假定条件的合理性，需要建立基于不同假定条件的模型，并对计算结果加以分析，以确定合理的计算模型。

3.1 模型一（不考虑土反力）

假定承载板不受土反力作用，承载板按连续梁考虑。所研究区段的桩基大部分以风化岩层作为持力层，南侧局部区段是以中粗砂、砾砂作为持力层。因此桩端承载力比例大，从而桩基沉降较小，故在计算模型中将桩基按照刚性支座来考虑。

计算模型如图1所示，按标准4跨一联承载板，活荷载为车辆移动荷载，恒荷载为道床、轨道及覆土荷载。

图1 模型一（不考虑板底土反力）

在该模型下，承载板挠度为Δ1，土反力f1=0。

3.2 模型二（考虑土反力，不考虑土的固结）

假定承载板受土反力作用，将桩基简化为刚性支座，土简化为弹簧，不考虑土的固结。计算模型如图2所示，按标准4跨一联承载板底部持力层为1-1-1人工填土，基床反力系数k取8 000 kN/m3，活荷载为车辆移动荷载，恒荷载为道床、轨道及覆土荷载。

图2 模型二（考虑土反力，不考虑土的固结）

在该模型下，承载板挠度为Δ2，相应位置土反力 f2=kΔ2。

3.3 模型三（考虑土反力和土的固结）

考虑土反力并考虑土的固结；将桩基视为刚性支座，将土视为弹簧。计算模型如图3所示，按标准4跨一联承载板底部持力层为1-1-1人工填土，基床反力系数k取8 000 kN/m3，活荷载为车辆移动荷载，恒荷载为道床、轨道及覆土荷载。

图3 模型三（考虑土反力和土的固结）

由于土有固结的特性，其对板的支撑作用随着时间的推移而逐渐减弱，且随着时间的推移，靠近刚性支座（桩）位置土与板脱开，支撑作用到的范围逐渐向板跨中收缩。该模型是最接近实际状况的模型。

在该模型下，承载板挠度近似取Δ2，土固结变形为Δ3，相应位置土反力为f3=k（Δ2-Δ3）。

假设施工前土处于正常固结状态，那么根据附加荷载作用下土反力p来计算土的固结变形Δ3：

式中：Δs为在附加荷载作用下土承受的荷载，附加荷载作用下土承受的荷载近似取初始值p=8 kPa；TV为时间因数（无量纲

系数，t为固结历时。

3.4 计算结果与分析

3.4.1 计算结果

根据上节基于不同假定所建立的模型进行计算，相应的变形、内力等计算结果见表1。

表1 各模型计算结果

3.4.2 模型的确定

对于尺寸为2 800 mm×450 mm的四跨一联承载板，在标准跨距为7.5 m时，在不考虑土的固结作用的前提下，考虑土的支撑作用（模型二）比不考虑土的支撑作用（模型一）跨中弯矩减小20%，支座弯矩减小13%。

然而，模型三更接近于真实状况。由于土自身的固结，随着时间的推移，土对于板的支撑作用逐渐减弱，支撑范围逐渐减小。对于正常固结土，模型三比模型一弯矩仅仅减少3.5%（支座）和6%（跨中）。如果当土原先就是处于欠固结状态时，这一差值还要减小，甚至趋于0，那么实际固结变形会大于该方法所得到的变形值，附加荷载将全部转移至承载板上。

基于以上分析，在此地质情况下，采用模型一进行分析，土的支撑作用仅作为安全储备。

4 跨距的比选

该项目设计过程中，为了节约投资，对7.5 m跨以及11.25 m跨两种方案进行了比选。根据上节的结论，采用基于模型一假定条件的简化计算模型。

该工程桩板结构工程量主要由以下两部分组成：（1）钢筋混凝土结构；（2）岩溶处理费用。分别统计如下。

4.1 钢筋混凝土结构工程量

（1）结构尺寸和配筋

承载板的厚度、配筋受承载力要求以及裂缝限值控制，桩长受承载力要求控制。根据计算的结果，两种跨距下的结构尺寸和配筋情况见表2。

表2 结构尺寸与配筋

（2）造价比较

在不考虑岩溶的情况下，以每22.5 m桩板结构各项价格，比较承载板和桩的混凝土、钢筋用量（见表 3、表 4）。

表3 方案一钢筋混凝土工程费用

表4 方案二钢筋混凝土工程费用

在不考虑岩溶相关费用的情况下，方案一比方案二单线每延米低约224元。

4.2 岩溶处理费用比较

4.2.1 岩溶处理方法

根据该工程的特点以及地质情况，确定以下原则：当溶洞范围不大，洞高较小（小于3 m），溶洞内有填充物或部分填充物，溶洞不连通时，采用片石、黏土抛填法。当溶洞很高（高度3 m以上），溶洞可能与周围的溶洞连成溶洞群时，为防止施工过程出现塌孔、埋锤或偏孔，采用片石、黏土抛填法[3]的同时加振钢护筒[4]。

4.2.2 桩长与遇溶洞概率的关系

在岩溶发育较为强烈区段，经过统计分析，不同方案桩长与遇溶洞概率的情况如下：

（1）由于部分桩桩端持力层范围岩溶顶板稳定性不够，需要增加桩长。7.5 m跨距平均桩长从20 m增加至22 m，增加了2 m；11.25 m跨距平均桩长从25 m增加至28 m，增加了3 m。

（2）随着跨度的增加导致了遇到岩溶的概率的增加。7.5 m跨需要处理的岩溶为 12/18=66.6%，11.25 m跨方案需要处理的岩溶为94.4%。

4.2.3 岩溶处理措施费用

该项目岩溶发育区典型纵剖面如图4所示。

该段溶洞高约3.5 m，按照平均填充率40%，采取率15%，采用钢护筒及抛填黏土片石作为措施，每个溶洞处理费用平均估计见表5。

在岩溶发育区，单个岩溶处理费用经估算为2 897元。根据上节的统计结果，7.5 m跨距方案需要处理66.6%的溶洞，11.25 m跨方案需要处理94.4%地勘所揭示的溶洞，则：7.5m跨方案单线每米岩溶处理费用约2 897×2×0.666/7.5=514元；11.25 m跨方案单线每米岩溶处理费用约2 897×2×0.944/11.25=486元。

图4 典型地质纵剖面(单位:

表5 单个岩溶处理费用

岩溶处理费用方案一比方案二高出约28元/每延米。

4.2.4 遇岩溶增加桩长费用

由于遇到岩溶后，桩长需要增加，故还要考虑这部分增加的费用。在岩溶发育区段，方案一（跨距7.5 m）的平均桩长由20 m增加至22 m；方案二（跨距11.25 m）平均桩长由25 m增加至28 m。岩溶导致的桩长增加的费用比较明细见表6。

表6 岩溶导致桩长增加的费用

这部分费用两个方案持平。

4.3 综合比较

综合考虑钢筋混凝土结构及岩溶处理措施这两部分费用后，方案一（跨距7.5 m）与方案二（跨距11.25 m）比较如下：

（1）在不考虑岩溶的情况下，方案一比方案二每延米造价低224元。

（2）在考虑岩溶存在的情况下，方案一比方案二每延米造价低196元。虽然方案一桩的数量是方案二的1.5倍，但是桩长减小了遇溶岩概率也显著地减小，所以岩溶处理费用没有增加。

根据以上分析，7.5 m跨距方案总投资更为经济，确定采用7.5 m跨距的方案。

5 结论与建议

（1）在考虑计算模型中，采用不考虑土反力作用下，是比较合理的，也是目前大多数工程采用的方式；

（2）考虑溶洞所需处理的概率，经过对板厚、桩长及桩数的综合分析，案例的结论是采用7.5 m桩跨方案更有利于控制成本。

（3）应考虑桩板结构所处的地质条件、桩的承载条件、板下土体的反力及固结等情况，综合确定桩板结构的计算模型；

（4）对于桩板结构的跨度，受地质影响，宜综合桩长、桩底承载力、溶洞的下伏层及填充情况，综合确定其跨度，在安全的前提下，确定跨距。

[1]王峰.高速铁路无砟轨道桩板结构路基理论与实践[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[2]肖宏，冯雁，龚小平.桩板结构桩-板-土相互作用模型试验研究[J].岩土力学,2013,34（2）:81-87.

[3]李荣锋，冲孔灌注桩施工遇到溶洞的处理方法及其施工质量控制措施[J].江西建材，2017（5）:106.

[4]翟向东，黄永泉，黄发源，等，复杂地质条件下溶洞处理的桩基施工技术[J].常州工学院学报，2015，28（3）:1-5.