委内瑞拉铁路车站硬横跨基础选型及计算研究

徐 燃

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

委内瑞拉铁路车站硬横跨基础选型及计算研究

徐 燃

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

委内瑞拉北部铁路是中国中铁EPC总承包的重要海外项目之一，设计运营速度为220 km/h。在车站范围内接触网支柱基础采用旋挖钻钻孔灌注桩基础，设计计算相应的基础的埋深、基础尺寸、锚栓埋深、基础抗倾覆等均满足规范要求。车站硬横跨支柱基础选用旋挖钻钻孔灌注桩进行设计和施工，能达到事半功倍的效果；在进行结构计算时，要考虑美国标准以及委内瑞拉当地规范(如荷载系数的取值、单位差异、风荷载)，以及使用的计算软件、计算方法，还要考虑材料强度等级等。本文所论述的车站内接触网硬横跨基础的选型及计算，可供参与海外电力及电气化工程的同行们参考。

基础选型； 桩基础； 规范差异； 计算

委内瑞拉铁路项目是目前中国中铁海外的主要工程项目之一。整个工程受当地国情、技术规范、法律法规等多方面因素的制约，再加上设计理念和语言环境的不同，在设计上形成了很多问题。一些国内的通用的设计资料和文件，在委内瑞拉当地必须改变设计思路，重新对设计文件及图纸进行全方位的优化，并且需要得到监理工程师的认可和批准后才能施工。

1 基础选型

我国在车站范围内采用硬横跨支柱通常为圆形钢管柱和角钢格构式支柱，与支柱配套的接触网硬横跨基础一般是根据地质专业提供的相关土壤参数和地基承载力，在满足地基承载力的相关计算要求和GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》刚性角要求的情况下，根据支柱法兰盘的尺寸选用预埋锚栓形式的扩大式刚性基础。设计计算相应的刚性基础(无筋扩展基础)的埋深、基础尺寸、锚栓埋深、基础抗倾覆等要求时，很少采用钢筋混凝土扩大基础，仅仅是在特殊地质区段配置构造钢筋或加入部分钢筋笼以加强基础的刚度。而且刚性基础作为扩大基础的一种形式，施工时是需要大开挖和深开挖的。扩大基础的施工存在以下几个缺点：(1)大部分基坑需要人工开挖，需要耗费大量的人力资源；(2)基础容易产生滑移或倾斜；(3)基坑坑壁由于开挖较深，在重力或其他外力的作用下使土壤剪切力增加，以及地表水作用下土层湿滑承载力降低等原因会导致边坡失稳并坍塌；(4)后期还需要对基坑进行原状土回填并夯实；(5)高速铁路路基为整体路基，大开挖容易对路基整体产生扰动。

委内瑞拉施工法规相对禁止施工基础时采用大量人力资源进行基坑开挖和基础浇筑的，因为一条铁路的接触网基础非常之多，委内瑞拉当地降水比较频繁，扩大基础基坑开挖过后势必会引起积水，加上基坑坑壁容易坍塌，很容易造成人员伤亡事故的发生。而且大量的人工费会导致一个基础最终的费用很高，甚至超过桩基础的材料费用。

旋挖钻钻孔灌注桩由于采用机械施工，相对于扩展基础的施工具有以下几个优点：(1)易操作性，工作效率高，钻孔速度快，人工费相应节省；(2)孔壁稳定性好，成孔后清孔彻底；(3)在孔壁上会形成较明显的螺旋线，有助于提高桩的摩阻力；(4)在地下水位比较低的区域，可以不考虑排水对基础施工造成的影响，钻孔成型后可直接安放钢筋笼并在水下用钢导管灌注混凝土。但灌注桩也存在以下缺点：(1)造价高，基础深度更深，在施工完成后如基础存在缺陷检测很麻烦，很多时候需要废弃重新浇筑；(2)需要二次清孔，安放钢筋笼前容易造成沉渣，比较麻烦；(3)接触网桩基础的尺寸为1.8 m和2.0 m，因为需要和上部钢结构硬横跨支柱的地脚螺栓尺寸配套，所以比一般的桩径都大，为非常规尺寸，在购买旋挖钻钻头的时候需要特殊定制。在与监理工程师的数次讨论及研究过后，为避免对路基产生扰动以及为克服上述扩大基础的问题及缺点，同时在保证施工可靠性和安全性的基础上，委内瑞拉北部铁路车站硬横跨支柱基础选型最终定为用旋挖钻钻孔灌注桩进行设计和施工。

2 中外规范差异

由于委内瑞拉监理工程师要求设计时按照委内瑞拉当地规范或美国规范进行基础设计。经认真对比和分析，下面对中外规范的一些差异进行阐述。

2.1 美国混凝土建筑规范ACI318和AASHTO材料规范的差异

(1)荷载系数的取值与我国GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》的取值方法不尽相同，AASHTO中对极限状态分为强度极限状态、极端事件极限状态和使用极限状态。其中强度极限状态分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等5种情况，极端事件极限状态分为Ⅰ、Ⅱ两种情况，使用极限状态分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4种情况，在结构计算时相应的荷载组合有很多种，还有其他荷载分项系数需要考虑并代入计算公式中(具体见AASHTO LRFD SI-2007.3 3.4节)。我国(GB 50009-2012)《建筑结构荷载规范》中3.1节规定“建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应取各自最不利的组合进行设计”。没有美标材料规范中那么复杂，而且3.2.4中规定“基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：永久荷载的分项系数应符合下列规定：当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2 ，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35;当永久荷载效应对结构有利时，不应大于1.0。可变荷载的分项系数应符合下列规定：对标准值大于4 kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，应取1.3；其他情况应取1.4”。

(2)单位差异：如混凝土和土壤，国内更多的采用的是材料重度(kN/m3)，而美国材料规范中用的是材料密度(kg/m3)；我国采用的钢筋尺寸单位为毫米(mm)，而美国规范采用的钢筋尺寸单位是(英寸)。

(3)风荷载：接触网硬横跨计算时需计算风荷载，我国GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》和TB 10009-2005《铁路电力牵引供电设计规范》中对风压的计算、风压高度变化系数及风压体型系数均有要求，而AASHTO LRFD SI-2007《美国桥梁设计规范》中提出“规定的压力应假定是由基本设计风速VB=160 km/h引起的”，其他风压的计算都必须体现出VB这个值，对于接触网硬横跨这种钢桁架结构，风压的取值也不同。其次，AASHTO中还要求了风压的攻击角度，这与国内的做法也不尽相同。

2．2 计算软件及计算方法

委内瑞拉结构监理接受SAP 2000计算软件的计算结果。计算方法上面，美国规范ACI318中对基础受力的计算公式基本没有，而中国GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》以及欧洲岩土工程设计标准中对基础的计算计算公式比较详细，最终计算要求还是同时按照BS EN1997-1：2004( Eurocode 7：Geotechnical design-Part 1)和JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》，以及土弹簧SAP2000建模得来。

2．3 材料

按照我国GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》混凝土的强度按照混凝土的轴心抗压强度分为C15～C80共14个等级，而美国混凝土规范中的混凝土等级fcc来取值(单位我国规范是Mpa，美国规范是psi)。钢筋我国采用的一、三、四等级的钢筋，在文件和图纸中标明的是钢筋代号(如HPB300，HRB400等)，一般用抗拉强度设计值fy来表示；而美国规范采用钢筋的屈服强度fy，比中国的钢筋强度要高出很多。所以，美国标准规定的混凝土抗压强度与钢筋屈服强度fy是配套使用的, 美国标准是用混凝土标准强度进行设计, 中国标准是用混凝土设计强度进行设计。

3 桩基设计研究

(1)主要按照JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》和BS EN1997-1：2004( Eurocode 7：Geotechnical design-Part 1)技术规范进行计算。

(2)土弹簧：由于岩土材料结构本身的复杂性，以及桩-土耦合结构接触面上应力分布的复杂性，导致使用有限元软件很难模拟出这种耦合结构的实际情况。土弹簧法是工程中的一种常用方法，只要选择的土弹簧个数合适，使用土弹簧的弹力来代替土体抗力是一种切实可行且非常简便的方法。委内瑞拉国监理工程师比较认可SAP2000的计算结果。为了较准确地计算横向荷载作用下桩-土耦合作用下的土弹簧刚度，我们对Mindlin公式进行了研究，得到了力与变形量的关系。因接触网支柱基础的桩深较小，在计算中，我们简化认为深度对土弹簧刚度的影响较小，只与土体参数如泊松比、压缩模量等有关。

根据Mindlin公式，桩在水平荷载的作用下，桩土之间的相互作用力也是水平的，可视为半无限体中的点受横向荷载的作用。在采用Mindlin的位移解时，考虑将土体视为各向同性的均值弹性半无限体，压缩模量为Es，泊松比为υ。参考国内外一些文献及规范，不考虑土的非线性特征，于是面积S在均布荷载p作用下产生的土抗力(面力)可以用弹簧弹力(集中力)来代替。于是大面积上部均匀分布的面力可离散为数个集中力，如此只需要确定弹簧刚度K和弹簧变形量δ，便可求出每个土弹簧的力。

3.1 弹簧变形量的确定

根据微分原理，我们将桩面S分为无限小的ds。当面积ds上作用均布荷载p时，面ds上的各点的位移是不均匀的(如图1(a)所示)。在矩形上，4个角点的位移是最小的，矩形中心处的位移为最大，我们用角点位移的平均值ux来做弹簧变形量δ，显然会导致δ值偏小，最终得到的弹簧刚度值偏大。由图1(a)中我们可以看出，当矩形面积受到沿x方向水平均布荷载p的作用时，变形如图1(a)中右侧粗曲线所示，面ds在受到均布荷载的同时，另一侧仍会受到弹性力的抗力。此外，由于面s的受荷载侧并未与弹性体发生脱离，弹性体对它仍具有约束作用，故受荷载面上还受弹性体对它的拉力。但实际上桩土的接触面上并不能承受上述的拉力，一旦拉力大于0，桩就会和土发生脱离(见图1(b))，产生位移的不连续性，不会有拉力来约束ds面的位移。经过和委内瑞拉监理工程师的讨论，δ的值我们近似取ΔA(由于桩是圆形，ΔA=Δd×dh，h为基础埋深，dh为均分长度)。

图1 Mindlin解所用的模型及变形与桩土实际变形模型

桩的长度一般比宽度大很多，通常将桩沿长度方向(基础埋深)分成若干等份，每份桩对应的土体用一根弹簧代替，由Boussinesq公式和对IEEE桩基规范的研究，近似认为一个土弹簧在集中力F的作用下，分布于面积ΔA=d×dh上的均布压力：

(1)

由Boussinesq解得在集中力F作用下的位移：

(2)

式中ω为一个与d、b有关的形状系数，可以得出

(3)

(4)

4 计算实例

(1)荷载工况(见表1)

表1 GY1基础上部荷载

(2)桩顶以下岩土力学性能(见表2)

表2 桩顶以下岩土力学性能

说明：桩长5 m，外露0.2 m，基础埋深4.8 m.

(3)基础设计主要参数

首先由梅州市林业科学研究所专家组(共13位，其中正高1人，副高7人，中级职称5人)，各自评选出钟花樱6项指标的重要性序列值ei(表2)，然后对每位专家给出的重要性序列值ei进行两两对比设计：

本工程采用φ1800、φ2000(单位：mm)两种机械挖孔桩，桩顶标高+0.2 m，桩端一般在碎岩或页岩中，桩身混凝土等级C25，混凝土轴心抗压强度设计值fc=11.9 N/mm2，混凝土弹性模量Ec=2.8×104N/mm2；混凝土轴心抗拉强度设计值ft=1.27 N/mm2，桩长5 m，埋深4.8 m；钢筋采用W60钢筋，钢筋抗拉强度设计值fy=420 N/mm2，钢筋弹性模量Es=2.0×104N/mm2。钢筋参数如表3所示。

表3 钢筋表

(4)土弹簧计算

按照式(4)解导出弹簧刚度：

=2.44 N/cm3

=4.74 N/cm3

于是KR1=KB1×ΔA=2 200 kN/m；

KR2=KB2×ΔA=4 267 kN/m；

将上述参数代入SAP2000建模，分别在X向和Y向设置模拟土弹簧，在基础底部设置土弹簧(如图2所示)，将基础上部受力代入计算后得到的变形值、轴力图、弯矩图和剪力图,如图3～图8所示。

图2 基本模型及受力

5 结束语

目前随着对海外高速铁路工程项目的逐步深入了解，接触网支柱基础的选型尤为关键，桩基在安全性、经济性和可靠性的优势决定了我们的研究方向。大直径桩在上部荷载作用下的工作性状还需要深入研究。虽然土弹簧能很好的模拟桩基的部分工作性状和原理，但是在基础选型完成之后，我们还需要通过大量不同地区、不同条件下的现场或室内试验对上述结论进行修正，形成一个更为严格的技术体系，便于该理论更好的应用和发展。同时我们还需要不断摸索总结各方面的得失，不论设计还是施工，都还需要开拓适用于海外项目的全新理念和需求，并不断积累宝贵经验，加快海外项目建设的步伐。

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Research on Selection and Calculation of OCS Portal Structure in Venezuela Railway Station

XU Ran

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

Venezuela Northern Railway, with design speed of 220 km/h, is one of the key overseas EPC projects of China Railway Engineering Corporation. The rotary drilling bored pile foundation is designed and constructed for OCS post foundation structure in station. The burial depth and size of foundation, the anchor bolt burial depth and foundation antidumping meet the code requirements; and this design and construction method can get twofold results with half the effort. During the calculating of the structure, it is necessary to consider the foreign codes and standards of US, Venezuela local regulations (such as load coefficient values, the difference in units, and wind load), and the calculation software used, calculation methods, and also the materials strength grade. The demonstration of the selection and calculation for OCS portal structure in the paper provides reference for electric engineers both at home and abroad.

foundation selection; pile foundation; codes differences; calculation

2016-01-19

徐燃(1984-)，男，工程师。

1674—8247(2016)05—0020—05

TU47

A