浅谈解决路基土体脱空问题的方法

浅谈解决路基土体脱空问题的方法

桩板结构路基是高速铁路无砟轨道一种新型路基结构形式。这种结构能充分利用桩体与桩间土各自的承载力，做到桩体协同受力，满足无砟轨道的强度、稳定性与沉降变形要求，并为轨道结构提供较高的平顺性。

桩板结构也是一种处理积厚松软黄土及湿陷性地基的方法，该结构通过承载板将上部荷载传递到桩体，再扩散到土体和基底，从而达到控制积厚松软黄土及湿陷性地基沉降与变形破坏的目的。

桩板结构路基较传统的路基形式而言，不仅是无砟轨道一种新的路基结构形式，也是一种新型的地基处理技术和加固方法，它是介于桥梁和路基之间的一种特殊的结构形式。桩板结构更适用于挖方以及低填方地段，也适用于既有软弱路基的提速加固处理，可严格控制路基沉降。

轨道结构由钢轨、扣件系統、轨道板、砂浆调整层、支撑层组成。轨道板承受钢轨传下来的荷载，且将荷载均匀传递到下部结构，砂浆调整层起到隔离和调整高度作用，同时提供部分弹性，支撑层也为连续结构，承受砂浆调整层传递的荷载。

桩板结构路基由于承载板部分位于轨道结构支撑层下，直接承担车辆、轨道结构的静力和动力作用，故桩板结构直接关系行车安全和稳定性，除了要有合适的施工精度控制和足够的刚度，还要满足动力作用下的稳定性和可靠性。

岩土工程中的接触问题非常普遍。在力的作用下，结构物与结构物之间、土体与结构物之间，除了力的传递外，还有可能产生相对位移等非连续变形，如相对错位、相对位移和开裂，这时接触面两侧相邻物体将不再保持一个变形连续整体。

桩板结构作为一个部分在基床表层级配碎石下，部分嵌入土体的结构物。在垂直方向上，荷载从轨道系统传到承载板上，承载板作用于桩与基床底层土体，桩再将荷载传递给桩侧土与桩底土层或岩层。在水平荷载下，传统无砟轨道路基轨道部分传递的纵向力和横向力主要依靠支撑层与土体的摩擦作用来传递，而在桩板结构中，荷载先传到承载板，引起承载板与其下部土体、侧向土体产生的轴向力与摩擦力，同时又与嵌入承载板的桩产生剪力，桩身通过轴向力和摩擦力传递给桩侧土。此外，承载板还承受温度力与稳定梯度的作用。

列车在桩板结构上制动时，钢轨、轨道板、支撑层和路基构成的纵连板式轨道桥上无缝线路体系纵向发生相互作用。列车制动在钢轨上产生的纵向作用力通过扣件传递于轨道板，轨道板传递于桩板结构，再通过承载板与桩传递到路基土体。

桩板结构作为一种混凝土结构，由于上部承载板较厚，除了受到列车荷载、轨道系统的重力作用，还承受温度荷载的作用。混凝土是热敏感性材料，同时热传导性能也比较差，温度荷载下会使混凝土承载板出现伸长、收缩和起曲变形。

在温度荷载的作用下，主要引起承载板的伸缩变形，从而对应产生均匀伸缩温度荷载。这些变形受到钢轨、扣件、轨道板、支撑层等轨道结构的约束以及板下土体、固结或搭接桩的约束，板内产生了温度力。温度力可以使混凝土承载板产生裂缝，引起轨道不平顺，给车辆行驶带来安全隐患。

混凝土收缩与混凝土有关，与配合比、材料组成、施工方法、养护条件有关。混凝土板浇筑后，水泥浆体的硬化和混凝土的失水平衡，会使混凝土板产生收缩变形。

承载板的纵向荷载包括制动力、稳定力和混凝土收缩力。承载板的约束包括桩体对承载板的约束、板下部和两侧与土体的摩擦。由于承载板的纵向约束不足以限制其伸缩位移，因此纵向荷载表现为板底与板侧的摩擦阻力、桩顶部剪力的合力作用。

横向力由离心力与摩擦力叠加。桩板结构在横向力作用下，承载板受到约束有固结于板内桩体和两侧搭接桩的约束、路基顶部土体的摩擦、承载板侧土的轴向支撑。

承载板在温度梯度荷载下的翘曲变形受到以下几方面的约束作用：

（1）轨道系统和承载板的重力，它约束板中部向上拱起。

（2）基床底层土体的反力，它约束板跨段的向下位移。

（3）板侧土体对板的约束作用。

（4）固结于板内的桩对承载板的约束作用，以及搭接桩的轴向力。

各种桩径的桩板结构在高速列车作用下振动响应差别不大，处于同一水平，都能满足高速车辆的行车要求。桩径增大，地基刚度也随之变大，车辆运行的稳定性也随之提高。

提高桩径能比较显著的降低高桩板结构的动力响应，桩径增大也使得垂向荷载更多由桩来承担，这点也能改善桩板结构路基长期使用下，出现板和基床底层土体脱空的问题。

桩径增加对于路基顶面的影响主要使动位移和动应力减小，且沿深度上动位移和动应力略有差别。可见，桩径对于土体的动力响应有限。

各跨径下的桩板结构在高速列车的作用下振动响应都能满足高速车辆的行车要求，但随着跨径增大，轨道刚度减小，车辆作用下轨道结构和稳定性有所降低。

桩板结构路基在一段时间运营后，必然会因为车辆动力作用，路基塑性变形、土体自然沉降、降水等作用，使得承载板与路基脱空，原本路基土体对于承载板的支撑力主要转移到了桩上，改变桩板结构路基的承载比例。

桩板结构在板和土不接触的情况下也满足高速列车运营的要求。但承载板与桩的振动都得到了较大的增加，同时原来基床底层土承担的纵向荷载主要转移到了桩底轴向承载力。

板土不接触的情况基床底层土体除动位移有一定影响外，其余都可忽略动力响应。

综上所述，解决路基桩板结构承载板和基床底层土体脱空问题的方法主要有适当增大桩基础的桩径和适当减小跨径。