京沪高速铁路(磁悬浮) 在液化和软土路段的基础型式
摘 要:介绍了京沪高速铁路和磁悬浮对路基、桥梁变形的控制标准,提出了其在软化路段的基础型式。
关键词:高速铁路;磁悬浮;液化;软土;基础型式
京沪高速铁路(磁悬浮) 线路[1 ] 跨越7 个省市,行经河北、山东、安徽、江苏4 省, 联系北京、天津、上海3 个直辖市, 全长约1308km , 设计速度初定为350kmΠh。若初期高速列车的最高速度达到250kmΠh , 则旅行速度可达200kmΠh 左右,全线运行时间可缩短到6. 5～7. 0h 。经过大量的资料查询和调研,京沪线路途径地区的工程地质条件复杂,要穿越几种不同的地质条件地区,将遇到下述地层: ① 一般粘性土、砂土:主要分布在北京、天津、河北、安徽、江苏境内,其工程性质与生成条件、环境条件有关; ② 湿陷性黄土:主要分布在山东境内,一般为非自重湿陷性黄土,厚度10～16m , 湿陷性黄土厚5～10m , 湿陷性弱,湿陷等级多为Ⅰ～ Ⅱ 级; ③ 可液化土:天津、徐州、南京等地区的饱和粉、细砂和粉土。大多数液化土层埋深在15m 以内(局部深达20m) ,其厚度以2～ 8m 居多,液化等级以中等和严重液化为主。南京砂中含有片状颗粒,若采用常用的含有粒状石英颗粒砂的判别方法,有可能高估其抗液化能力[2 ] 。因此,对含有片状颗粒的南京砂的液化特性宜进行专门研究; ④ 出露岩石:局部少量地区有岩石出露。如在蚌埠附近的丘陵地区有花岗岩、灰岩、安山岩等岩石出露; ⑤ 软土:主要在江苏、上海地区和其它河口三角洲、湖盆地周围分布, 类别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土,也有淤泥质混砂层存在,地下水位埋藏较浅。
由于还没有最终确定京沪线是采用高速轮轨还是磁悬浮方案,本文仅根据高速轮轨和磁悬浮对变形的不同要求,分别提出针对液化和软土地段的基础型式。
1 京沪高速铁路和磁悬浮对路基、桥梁变形控制标准
1.1. 1 京沪高速铁路路基、桥梁变形控制标准
《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》(以下简称“ 暂规”) 对路基的工后沉降提出了严格的要求, 明确规定工后沉降< 10cm , 沉降速率< 3cm/ 年的双重控制指标。
1. 1. 2 桥梁控制标准
(1) 梁体竖向挠度。
① 跨度L ≤80m 的梁部结构,在ZK 列车静、活载作用下,梁体的竖向挠度不应大于表1 所列数值。 ② 跨度L > 80m 的梁部结构,在ZK 列车静、活载作用下,梁体的竖向挠度不应大于梁体计算跨度的1/ 1000 ; 梁端折角应
① 国家高技术研究发展计划(863) 资助课题≤2. 0 ‰ 。
(2) 在列车摇摆力、离心力、风力和温度的作用下,梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1/ 4000 。
(3) 桥上轨道面相对变位。列车活载作用下,因桥梁结构及地基变形、变位引起的桥上轨道面的不同变位量(折角和错位) 应小于表2 数值。当为道碴桥面时,一般可不进行错位验算。
表1 梁体的竖向挠度限值
(4) 墩台基础沉降。墩台基础的沉降应按恒载计算。对于外部静定结构,其总沉降量与墩台施工期间沉降量之差不应超过下列容许值:
① 墩台均匀沉降量≤50mm ;
② 相邻墩台沉降量之差≤20mm 。
对于外部超静定结构,其相邻墩台均匀沉降量之差的容许值,应根据沉降时结构产生的附加应力的影响而定。
1. 2 磁悬浮沉降控制标准
磁悬浮铁路对沉降的要求比高速轮轨铁路严格得多,如按每30m 一个支墩计算,每2 座桥梁间的最大偏差只允许有2mm , 对支墩的允许最大临时性沉降和最大永久性沉降要求很高。根据德国标准,若采用31m 长的梁,纵向弹性变形≤3. 5mm , 横向弹性变形≤40mm , 横向塑性变形≤5. 2mm , 竖向弹塑性变形梁端≤ 5. 2mm , 竖向弹塑性变形梁跨中≤6. 9mm 。
2 高速铁路基础型式
2. 1 高速铁路在液化路段的基础型式
2.1. 1 路基变形控制标准
与磁悬浮相比,高速铁路对路基的变形要求不是太高,因此, 可选择下述三种处理方法,相应的基础型式有: ①与采用桩墩等穿越可液化土层相应的基础型式; ②与采用加密等地基处理方法全部消除可液化土层相应的基础型式; ③与采取部分消除液化方法相对应的基础型式。
(1) 穿越可液化土层的基础型式 桩墩基础。
用预制桩或灌注桩(墩) 穿过可液化层,其桩墩端全断面进入液化深度以下非液化稳定土层一定长度,对风化岩石、碎石土、砾砂、粗砂、中砂、孔隙比≤0. 6 的粉土和坚硬粘性土应≥0. 5m ,对其他非岩石土应≥1. 5m 和2 倍桩径。设计时需根据荷载大小确定桩长、桩型、桩径及单桩承载力等。
(2) 全部消除液化的基础型式。有效的处理方法有:
①挤密砂桩; ②振动Π冲碎石桩; ③强夯系列,主要包括单一强夯、强夯+ 袋装沙井以及强夯碎石桩(墩); ④长短桩即预制桩+ 碎石桩; ⑤桩夯结合(先桩后夯或先夯后桩),先桩是先设置挤密碎石桩,后桩是指夯后再打沉管灌注桩。有效处理深度应达到液化深度下界,要求处理后的标准贯入试验的实测值(未修正) 应大于相应临界值。对具体场地应对各种措施方案进行技术经济比较,同时考虑施工对周围环境的影响(如振动、噪声及泥浆排放等),最后确定所选处理方案。当液化土层较薄且埋深较浅时,可将其全部挖除,然后分层回填砂、砾、碎石、矿渣等并逐层夯实。由于已全部消除可液化土层的液化势,因此,在高速铁路的基础设计时可不考虑液化的影响,按常规的设计方法(有碴或无碴轨道) 进行设计。
(3) 部分消除液化的基础型式。所谓部分消除液化是因为液化土层厚度较大,现有的加密等方法不能消除液化深度内所有的液化层,形成处理后的地基下部仍然存在可液化土层;从而使得处理后地基土的液化指数仍≤4 ,即仍然为轻微液化地基。这些问题的处理方法与全部消除液化的处理方法大致相同,只不过处理的深度较小,如强夯的有效处理深度小于液化层的层底埋深。由于地基土液化势没有完全消除,所以位于其上的基础须采取下述相应措施,以满足变形和强度要求。
①筏板基础。筏板基础是整块的钢筋混凝土板,能提高地基承载力和增强基础的整体刚度,调整不均匀沉降。在设计时通常采用简化方法,即假设筏板基础是绝对刚性的,基底反力呈平面分布,将筏板视为倒置的楼盖,基底反力为荷载,按“倒楼盖法计算。需要确定的参数有筏板的面积、厚度、配筋及沉降等。
②箱形基础。箱基础具有很大的刚度和整体性,能有效地调节基础的不均匀沉降,常用于荷载大而地基特别软弱的情形。由于其埋深较大,可降低荷载重心,因此具有较强的抗震能力,尤其是对液化产生的地基失效具有较好的抵抗效果。另外,由于箱型基础是由顶板、底板、侧墙及内隔墙组成的中空结构,加之埋深较大,因此,减少了基底的附加应力,从而减少了沉降,是理想的补偿基础。箱型基础的设计较复杂,须按有关规范设计。
③桩箱基础。当液化土层或软弱层较厚、地下水位较高、竖向荷载和水平向荷载很大、沉降控制严格时,一般筏板基础不能满足要求时,可选择桩箱基础。同样,通过桩穿越软弱或可液化土层,将上部荷载传至下部稳定密实土层中,同时利用箱基础的埋深大、中空的补偿作用,即提高地基的承载力,又减少沉降,同时利用桩的抗拔特性,对建筑物起到抗浮作用,是非常好的基础型式。
(4) 地基的处理宽度。大量的震害、室内试验[3～5 ] 与分析表明,有建筑物存在的场地和无建筑物存在的自由场地在地震中出现明显不同的结果,基础底的孔压小,基础外邻近区域的孔压比最大,远处次之,即说明建筑物存在有抑制基础下的土壤液化的作用,但同时增加了基础外邻近区域的液化危险性,因此,在进行液化地基处理时,除处理基础范围以内的地基土外,尚应处理基础边缘以外一定范围内的土层,从而达到防患于未然。致于处理基础外多大范围,宜通过试验和计算确定。“暂规中规定的路基基床结构采用级配砂砾石或级配碎石填筑。由于高速列车运行所产生的动应力只影响基床表层,当动荷载随深度的衰减曲线与路基土动强度随深度增加的曲线相交,交点所对应的深度则为基床表层厚度。对京沪高速基床表层厚度为0. 70m ,即由列车运行所产生的动荷载只影响到路轨下0. 7m ,因此在计算由地震引起的液化时不考虑列车的动荷载的影响。
2. 2 高速铁路在软土路段的基础型式
对厚度大(如> 20m) 、压缩性高的软土地基,由于以路基型式通过难以保证工后沉降的要求,应采取以桥代路的方案。桥下基础宜采用轻型墩台,特别是对于多跨联孔的高架桥。耳墙式桥台是目前铁路轻型桥台中的较好型式。所以,除高地震区外,宜优先采用耳墙式桥台。目前,我国采用的轻型桥墩主要有双柱式和板式两种。双柱墩在力学性能上优于板式墩; 造价低于板式墩。因此,建议选用双柱墩。对软土厚度不大,经地基处理可满足变形要求的,为降低工程造价,应尽量采用路基。
3 磁悬浮基础型式
由于磁悬浮铁路对轨下基础变形要求更严格,正线绝大部分应采用桥梁型式。而基础型式,可根据地基土特性确定。
3. 1 液化路段的磁悬浮基础型式
由于常用的加密等消除液化方法均不能满足磁悬浮对变形要求,基础型式只能采用桩基础、墩基础穿越液化层,将荷载传至下部密实非液化土层。墩基础可做扩底墩和直底墩,也可将墩身做成中空,发挥其补偿作用,以满足磁悬浮对变形的要求。
3. 2 软土地基的磁悬浮基础型式
磁悬浮在软土地基的适用基础型式有:桩基础、补偿式桩箱基础。
4 结论
由于高速轮轨铁路和磁悬浮对变形的要求不同,以及到目前也未确定京沪线是采用何种方案,因此,本文针对液化和软土路段所提出的基础形式只是初步的、定性的,设计前还需更深入的量化研究。
参考文献
[ 1 ] 王其昌. 高速铁路土木工程[M] . 成都:西南交通大学出版社,19991
[ 2 ] 黄永林. 南京砂的液化与判别[J ] . 世界地震工程,2001 ,11
[ 3 ] Men Fulu and Cui Jie. Influence of Building Existence on Seismic Liquefac2 tion of Subsoils[J ] . Earthquake Engineering and Structural Dynamics ,1997 , Vol . 261
[4 ] 陈文化等. 有建筑物存在的饱和砂土地基液化振动台模拟实研究[J ] . 地震工程与工程振动,1998 ,41
[ 5 ] 顾宝和等. 地震液化效应的综合评价[J ] . 工程地质学报,1995 ,31
