京滬高速鐵路(磁懸浮) 在液化和軟土路段的基礎型式
摘 要:介紹了京滬高速鐵路和磁懸浮對路基、橋梁變形的控制標準,提出了其在軟化路段的基礎型式。
關鍵詞:高速鐵路;磁懸浮;液化;軟土;基礎型式
京滬高速鐵路(磁懸浮) 線路[1 ] 跨越7 個省市,行經河北、山東、安徽、江蘇4 省, 聯系北京、天津、上海3 個直轄市, 全長約1308km , 設計速度初定為350kmΠh。若初期高速列車的最高速度達到250kmΠh , 則旅行速度可達200kmΠh 左右,全線運行時間可縮短到6. 5～7. 0h 。經過大量的資料查詢和調研,京滬線路途徑地區的工程地質條件復雜,要穿越幾種不同的地質條件地區,將遇到下述地層: ① 一般粘性土、砂土:主要分布在北京、天津、河北、安徽、江蘇境內,其工程性質與生成條件、環境條件有關; ② 濕陷性黃土:主要分布在山東境內,一般為非自重濕陷性黃土,厚度10～16m , 濕陷性黃土厚5～10m , 濕陷性弱,濕陷等級多為Ⅰ～ Ⅱ 級; ③ 可液化土:天津、徐州、南京等地區的飽和粉、細砂和粉土。大多數液化土層埋深在15m 以內(局部深達20m) ,其厚度以2～ 8m 居多,液化等級以中等和嚴重液化為主。南京砂中含有片狀顆粒,若采用常用的含有粒狀石英顆粒砂的判別方法,有可能高估其抗液化能力[2 ] 。因此,對含有片狀顆粒的南京砂的液化特性宜進行專門研究; ④ 出露巖石:局部少量地區有巖石出露。如在蚌埠附近的丘陵地區有花崗巖、灰巖、安山巖等巖石出露; ⑤ 軟土:主要在江蘇、上海地區和其它河口三角洲、湖盆地周圍分布, 類別多為淤泥、淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土,也有淤泥質混砂層存在,地下水位埋藏較淺。
由于還沒有最終確定京滬線是采用高速輪軌還是磁懸浮方案,本文僅根據高速輪軌和磁懸浮對變形的不同要求,分別提出針對液化和軟土地段的基礎型式。
1 京滬高速鐵路和磁懸浮對路基、橋梁變形控制標準
1.1. 1 京滬高速鐵路路基、橋梁變形控制標準
《京滬高速鐵路線橋隧站設計暫行規定》(以下簡稱“ 暫規”) 對路基的工后沉降提出了嚴格的要求, 明確規定工后沉降< 10cm , 沉降速率< 3cm/ 年的雙重控制指標。
1. 1. 2 橋梁控制標準
(1) 梁體豎向撓度。
① 跨度L ≤80m 的梁部結構,在ZK 列車靜、活載作用下,梁體的豎向撓度不應大于表1 所列數值。 ② 跨度L > 80m 的梁部結構,在ZK 列車靜、活載作用下,梁體的豎向撓度不應大于梁體計算跨度的1/ 1000 ; 梁端折角應
① 國家高技術研究發展計劃(863) 資助課題≤2. 0 ‰ 。
(2) 在列車搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下,梁體的水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/ 4000 。
(3) 橋上軌道面相對變位。列車活載作用下,因橋梁結構及地基變形、變位引起的橋上軌道面的不同變位量(折角和錯位) 應小于表2 數值。當為道碴橋面時,一般可不進行錯位驗算。
表1 梁體的豎向撓度限值
(4) 墩臺基礎沉降。墩臺基礎的沉降應按恒載計算。對于外部靜定結構,其總沉降量與墩臺施工期間沉降量之差不應超過下列容許值:
① 墩臺均勻沉降量≤50mm ;
② 相鄰墩臺沉降量之差≤20mm 。
對于外部超靜定結構,其相鄰墩臺均勻沉降量之差的容許值,應根據沉降時結構產生的附加應力的影響而定。
1. 2 磁懸浮沉降控制標準
磁懸浮鐵路對沉降的要求比高速輪軌鐵路嚴格得多,如按每30m 一個支墩計算,每2 座橋梁間的最大偏差只允許有2mm , 對支墩的允許最大臨時性沉降和最大永久性沉降要求很高。根據德國標準,若采用31m 長的梁,縱向彈性變形≤3. 5mm , 橫向彈性變形≤40mm , 橫向塑性變形≤5. 2mm , 豎向彈塑性變形梁端≤ 5. 2mm , 豎向彈塑性變形梁跨中≤6. 9mm 。
2 高速鐵路基礎型式
2. 1 高速鐵路在液化路段的基礎型式
2.1. 1 路基變形控制標準
與磁懸浮相比,高速鐵路對路基的變形要求不是太高,因此, 可選擇下述三種處理方法,相應的基礎型式有: ①與采用樁墩等穿越可液化土層相應的基礎型式; ②與采用加密等地基處理方法全部消除可液化土層相應的基礎型式; ③與采取部分消除液化方法相對應的基礎型式。
(1) 穿越可液化土層的基礎型式 樁墩基礎。
用預制樁或灌注樁(墩) 穿過可液化層,其樁墩端全斷面進入液化深度以下非液化穩定土層一定長度,對風化巖石、碎石土、礫砂、粗砂、中砂、孔隙比≤0. 6 的粉土和堅硬粘性土應≥0. 5m ,對其他非巖石土應≥1. 5m 和2 倍樁徑。設計時需根據荷載大小確定樁長、樁型、樁徑及單樁承載力等。
(2) 全部消除液化的基礎型式。有效的處理方法有:
①擠密砂樁; ②振動Π沖碎石樁; ③強夯系列,主要包括單一強夯、強夯+ 袋裝沙井以及強夯碎石樁(墩); ④長短樁即預制樁+ 碎石樁; ⑤樁夯結合(先樁后夯或先夯后樁),先樁是先設置擠密碎石樁,后樁是指夯后再打沉管灌注樁。有效處理深度應達到液化深度下界,要求處理后的標準貫入試驗的實測值(未修正) 應大于相應臨界值。對具體場地應對各種措施方案進行技術經濟比較,同時考慮施工對周圍環境的影響(如振動、噪聲及泥漿排放等),最后確定所選處理方案。當液化土層較薄且埋深較淺時,可將其全部挖除,然后分層回填砂、礫、碎石、礦渣等并逐層夯實。由于已全部消除可液化土層的液化勢,因此,在高速鐵路的基礎設計時可不考慮液化的影響,按常規的設計方法(有碴或無碴軌道) 進行設計。
(3) 部分消除液化的基礎型式。所謂部分消除液化是因為液化土層厚度較大,現有的加密等方法不能消除液化深度內所有的液化層,形成處理后的地基下部仍然存在可液化土層;從而使得處理后地基土的液化指數仍≤4 ,即仍然為輕微液化地基。這些問題的處理方法與全部消除液化的處理方法大致相同,只不過處理的深度較小,如強夯的有效處理深度小于液化層的層底埋深。由于地基土液化勢沒有完全消除,所以位于其上的基礎須采取下述相應措施,以滿足變形和強度要求。
①筏板基礎。筏板基礎是整塊的鋼筋混凝土板,能提高地基承載力和增強基礎的整體剛度,調整不均勻沉降。在設計時通常采用簡化方法,即假設筏板基礎是絕對剛性的,基底反力呈平面分布,將筏板視為倒置的樓蓋,基底反力為荷載,按“倒樓蓋法計算。需要確定的參數有筏板的面積、厚度、配筋及沉降等。
②箱形基礎。箱基礎具有很大的剛度和整體性,能有效地調節基礎的不均勻沉降,常用于荷載大而地基特別軟弱的情形。由于其埋深較大,可降低荷載重心,因此具有較強的抗震能力,尤其是對液化產生的地基失效具有較好的抵抗效果。另外,由于箱型基礎是由頂板、底板、側墻及內隔墻組成的中空結構,加之埋深較大,因此,減少了基底的附加應力,從而減少了沉降,是理想的補償基礎。箱型基礎的設計較復雜,須按有關規范設計。
③樁箱基礎。當液化土層或軟弱層較厚、地下水位較高、豎向荷載和水平向荷載很大、沉降控制嚴格時,一般筏板基礎不能滿足要求時,可選擇樁箱基礎。同樣,通過樁穿越軟弱或可液化土層,將上部荷載傳至下部穩定密實土層中,同時利用箱基礎的埋深大、中空的補償作用,即提高地基的承載力,又減少沉降,同時利用樁的抗拔特性,對建筑物起到抗浮作用,是非常好的基礎型式。
(4) 地基的處理寬度。大量的震害、室內試驗[3～5 ] 與分析表明,有建筑物存在的場地和無建筑物存在的自由場地在地震中出現明顯不同的結果,基礎底的孔壓小,基礎外鄰近區域的孔壓比最大,遠處次之,即說明建筑物存在有抑制基礎下的土壤液化的作用,但同時增加了基礎外鄰近區域的液化危險性,因此,在進行液化地基處理時,除處理基礎范圍以內的地基土外,尚應處理基礎邊緣以外一定范圍內的土層,從而達到防患于未然。致于處理基礎外多大范圍,宜通過試驗和計算確定。“暫規中規定的路基基床結構采用級配砂礫石或級配碎石填筑。由于高速列車運行所產生的動應力只影響基床表層,當動荷載隨深度的衰減曲線與路基土動強度隨深度增加的曲線相交,交點所對應的深度則為基床表層厚度。對京滬高速基床表層厚度為0. 70m ,即由列車運行所產生的動荷載只影響到路軌下0. 7m ,因此在計算由地震引起的液化時不考慮列車的動荷載的影響。
2. 2 高速鐵路在軟土路段的基礎型式
對厚度大(如> 20m) 、壓縮性高的軟土地基,由于以路基型式通過難以保證工后沉降的要求,應采取以橋代路的方案。橋下基礎宜采用輕型墩臺,特別是對于多跨聯孔的高架橋。耳墻式橋臺是目前鐵路輕型橋臺中的較好型式。所以,除高地震區外,宜優先采用耳墻式橋臺。目前,我國采用的輕型橋墩主要有雙柱式和板式兩種。雙柱墩在力學性能上優于板式墩; 造價低于板式墩。因此,建議選用雙柱墩。對軟土厚度不大,經地基處理可滿足變形要求的,為降低工程造價,應盡量采用路基。
3 磁懸浮基礎型式
由于磁懸浮鐵路對軌下基礎變形要求更嚴格,正線絕大部分應采用橋梁型式。而基礎型式,可根據地基土特性確定。
3. 1 液化路段的磁懸浮基礎型式
由于常用的加密等消除液化方法均不能滿足磁懸浮對變形要求,基礎型式只能采用樁基礎、墩基礎穿越液化層,將荷載傳至下部密實非液化土層。墩基礎可做擴底墩和直底墩,也可將墩身做成中空,發揮其補償作用,以滿足磁懸浮對變形的要求。
3. 2 軟土地基的磁懸浮基礎型式
磁懸浮在軟土地基的適用基礎型式有:樁基礎、補償式樁箱基礎。
4 結論
由于高速輪軌鐵路和磁懸浮對變形的要求不同,以及到目前也未確定京滬線是采用何種方案,因此,本文針對液化和軟土路段所提出的基礎形式只是初步的、定性的,設計前還需更深入的量化研究。
參考文獻
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