京滬高速鐵路(磁懸浮) 在液化和軟土路段的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn),提出了其在軟化路段的基礎(chǔ)型式。
關(guān)鍵詞:高速鐵路;磁懸浮;液化;軟土;基礎(chǔ)型式
　　京滬高速鐵路(磁懸浮) 線路[1 ] 跨越7 個(gè)省市,行經(jīng)河北、山東、安徽、江蘇4 省, 聯(lián)系北京、天津、上海3 個(gè)直轄市, 全長約1308km , 設(shè)計(jì)速度初定為350kmΠh。若初期高速列車的最高速度達(dá)到250kmΠh , 則旅行速度可達(dá)200kmΠh 左右,全線運(yùn)行時(shí)間可縮短到6. 5～7. 0h 。經(jīng)過大量的資料查詢和調(diào)研,京滬線路途徑地區(qū)的工程地質(zhì)條件復(fù)雜,要穿越幾種不同的地質(zhì)條件地區(qū),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(nèi),其工程性質(zhì)與生成條件、環(huán)境條件有關(guān); ② 濕陷性黃土:主要分布在山東境內(nèi),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(qū)的飽和粉、細(xì)砂和粉土。大多數(shù)液化土層埋深在15m 以內(nèi)(局部深達(dá)20m) ,其厚度以2～ 8m 居多,液化等級以中等和嚴(yán)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(jìn)行專門研究; ④ 出露巖石:局部少量地區(qū)有巖石出露。如在蚌埠附近的丘陵地區(qū)有花崗巖、灰?guī)r、安山巖等巖石出露; ⑤ 軟土:主要在江蘇、上海地區(qū)和其它河口三角洲、湖盆地周圍分布, 類別多為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,也有淤泥質(zhì)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(jù)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(chǔ)型式。

1 　京滬高速鐵路和磁懸浮對路基、橋梁變形控制標(biāo)準(zhǔn)
1.1. 1 　京滬高速鐵路路基、橋梁變形控制標(biāo)準(zhǔn)
《京滬高速鐵路線橋隧站設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(以下簡稱“ 暫規(guī)”) 對路基的工后沉降提出了嚴(yán)格的要求, 明確規(guī)定工后沉降< 10cm , 沉降速率< 3cm/ 年的雙重控制指標(biāo)。
1. 1. 2 　橋梁控制標(biāo)準(zhǔn)
(1) 梁體豎向撓度。
① 跨度L ≤80m 的梁部結(jié)構(gòu),在ZK 列車靜、活載作用下,梁體的豎向撓度不應(yīng)大于表1 所列數(shù)值?！　、?跨度L > 80m 的梁部結(jié)構(gòu),在ZK 列車靜、活載作用下,梁體的豎向撓度不應(yīng)大于梁體計(jì)算跨度的1/ 1000 ; 梁端折角應(yīng)
① 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863) 資助課題≤2. 0 ‰ 。
(2) 在列車搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下,梁體的水平撓度應(yīng)小于或等于梁體計(jì)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(jié)構(gòu)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(cuò)位) 應(yīng)小于表2 數(shù)值。當(dāng)為道碴橋面時(shí),一般可不進(jìn)行錯(cuò)位驗(yàn)算。

表1 　梁體的豎向撓度限值

(4) 墩臺基礎(chǔ)沉降。墩臺基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計(jì)算。對于外部靜定結(jié)構(gòu),其總沉降量與墩臺施工期間沉降量之差不應(yīng)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(jié)構(gòu),其相鄰墩臺均勻沉降量之差的容許值,應(yīng)根據(jù)沉降時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響而定。
1. 2 　磁懸浮沉降控制標(biāo)準(zhǔn)
磁懸浮鐵路對沉降的要求比高速輪軌鐵路嚴(yán)格得多,如按每30m 一個(gè)支墩計(jì)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(shí)性沉降和最大永久性沉降要求很高。根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn),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(chǔ)型式
2. 1 　高速鐵路在液化路段的基礎(chǔ)型式
2.1. 1　路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)
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(yīng)的基礎(chǔ)型式有: ①與采用樁墩等穿越可液化土層相應(yīng)的基礎(chǔ)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(yīng)的基礎(chǔ)型式; ③與采取部分消除液化方法相對應(yīng)的基礎(chǔ)型式。
(1) 穿越可液化土層的基礎(chǔ)型式 樁墩基礎(chǔ)。
用預(yù)制樁或灌注樁(墩) 穿過可液化層,其樁墩端全斷面進(jìn)入液化深度以下非液化穩(wěn)定土層一定長度,對風(fēng)化巖石、碎石土、礫砂、粗砂、中砂、孔隙比≤0. 6 的粉土和堅(jiān)硬粘性土應(yīng)≥0. 5m ,對其他非巖石土應(yīng)≥1. 5m 和2 倍樁徑。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)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(chǔ)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(qiáng)夯系列,主要包括單一強(qiáng)夯、強(qiáng)夯+ 袋裝沙井以及強(qiáng)夯碎石樁(墩); ④長短樁即預(yù)制樁+ 碎石樁; ⑤樁夯結(jié)合(先樁后夯或先夯后樁),先樁是先設(shè)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(yīng)達(dá)到液化深度下界,要求處理后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的實(shí)測值(未修正) 應(yīng)大于相應(yīng)臨界值。對具體場地應(yīng)對各種措施方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,同時(shí)考慮施工對周圍環(huán)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(dāng)液化土層較薄且埋深較淺時(shí),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(shí)。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(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮液化的影響,按常規(guī)的設(shè)計(jì)方法(有碴或無碴軌道) 進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(3) 部分消除液化的基礎(chǔ)型式。所謂部分消除液化是因?yàn)橐夯翆雍穸容^大,現(xiàn)有的加密等方法不能消除液化深度內(nèi)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(shù)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(qiáng)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(chǔ)須采取下述相應(yīng)措施,以滿足變形和強(qiáng)度要求。
①筏板基礎(chǔ)。筏板基礎(chǔ)是整塊的鋼筋混凝土板,能提高地基承載力和增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體剛度,調(diào)整不均勻沉降。在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用簡化方法,即假設(shè)筏板基礎(chǔ)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(jì)算。需要確定的參數(shù)有筏板的面積、厚度、配筋及沉降等。
②箱形基礎(chǔ)。箱基礎(chǔ)具有很大的剛度和整體性,能有效地調(diào)節(jié)基礎(chǔ)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(qiáng)的抗震能力,尤其是對液化產(chǎn)生的地基失效具有較好的抵抗效果。另外,由于箱型基礎(chǔ)是由頂板、底板、側(cè)墻及內(nèi)隔墻組成的中空結(jié)構(gòu),加之埋深較大,因此,減少了基底的附加應(yīng)力,從而減少了沉降,是理想的補(bǔ)償基礎(chǔ)。箱型基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)較復(fù)雜,須按有關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)。
③樁箱基礎(chǔ)。當(dāng)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(yán)格時(shí),一般筏板基礎(chǔ)不能滿足要求時(shí),可選擇樁箱基礎(chǔ)。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(wěn)定密實(shí)土層中,同時(shí)利用箱基礎(chǔ)的埋深大、中空的補(bǔ)償作用,即提高地基的承載力,又減少沉降,同時(shí)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(chǔ)型式。
(4) 地基的處理寬度。大量的震害、室內(nèi)試驗(yàn)[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(xiàn)明顯不同的結(jié)果,基礎(chǔ)底的孔壓小,基礎(chǔ)外鄰近區(qū)域的孔壓比最大,遠(yuǎn)處次之,即說明建筑物存在有抑制基礎(chǔ)下的土壤液化的作用,但同時(shí)增加了基礎(chǔ)外鄰近區(qū)域的液化危險(xiǎn)性,因此,在進(jìn)行液化地基處理時(shí),除處理基礎(chǔ)范圍以內(nèi)的地基土外,尚應(yīng)處理基礎(chǔ)邊緣以外一定范圍內(nèi)的土層,從而達(dá)到防患于未然。致于處理基礎(chǔ)外多大范圍,宜通過試驗(yàn)和計(jì)算確定。“暫規(guī)中規(guī)定的路基基床結(jié)構(gòu)采用級配砂礫石或級配碎石填筑。由于高速列車運(yùn)行所產(chǎn)生的動應(yīng)力只影響基床表層,當(dāng)動荷載隨深度的衰減曲線與路基土動強(qiáng)度隨深度增加的曲線相交,交點(diǎn)所對應(yīng)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(yùn)行所產(chǎn)生的動荷載只影響到路軌下0. 7m ,因此在計(jì)算由地震引起的液化時(shí)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(chǔ)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(yīng)采取以橋代路的方案。橋下基礎(chǔ)宜采用輕型墩臺,特別是對于多跨聯(lián)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(qū)外,宜優(yōu)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(xué)性能上優(yōu)于板式墩; 造價(jià)低于板式墩。因此,建議選用雙柱墩。對軟土厚度不大,經(jīng)地基處理可滿足變形要求的,為降低工程造價(jià),應(yīng)盡量采用路基。

3 　磁懸浮基礎(chǔ)型式
由于磁懸浮鐵路對軌下基礎(chǔ)變形要求更嚴(yán)格,正線絕大部分應(yīng)采用橋梁型式。而基礎(chǔ)型式,可根據(jù)地基土特性確定。
3. 1 　液化路段的磁懸浮基礎(chǔ)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(chǔ)型式只能采用樁基礎(chǔ)、墩基礎(chǔ)穿越液化層,將荷載傳至下部密實(shí)非液化土層。墩基礎(chǔ)可做擴(kuò)底墩和直底墩,也可將墩身做成中空,發(fā)揮其補(bǔ)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(chǔ)型式
磁懸浮在軟土地基的適用基礎(chǔ)型式有:樁基礎(chǔ)、補(bǔ)償式樁箱基礎(chǔ)。

4 　結(jié)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(chǔ)形式只是初步的、定性的,設(shè)計(jì)前還需更深入的量化研究。

參考文獻(xiàn)
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