樁板結(jié)構(gòu)受力及變形特性研究

1、樁板結(jié)構(gòu)受力及變形特性研究1緒論1.1研究背景與意義鐵路是我國國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，2004年1月，國務(wù)院審議通過了我國鐵路史上第一個(gè)中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，確定到2020年，我國鐵路營業(yè)里程將達(dá)到10萬km，其中客運(yùn)專線1.2萬km;復(fù)線率和電氣化率均達(dá)50%。自1964年日本修建世界上第一條高速鐵路東海道新干線以來，高速鐵路成為世界鐵路行業(yè)發(fā)展的方向。高速鐵路是一個(gè)系統(tǒng)工程。列車與線路是相互依存、相互適應(yīng)的關(guān)系，列車是載體，線路是基礎(chǔ)。高速運(yùn)行的列車要求線路具有高平順性、高穩(wěn)定性、高精度、小殘變、少維修以及良好的環(huán)境保護(hù)等。路基是承受軌道結(jié)構(gòu)重量和列車荷載的基礎(chǔ)，是鐵路線路工程的一個(gè)重要組成部分。高

2、速鐵路對(duì)軌道的平順性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。與此相應(yīng)，高速鐵路路基除應(yīng)具備一般鐵路路基的基本性能之外，還需要滿足高速鐵路軌道對(duì)基礎(chǔ)提出的性能要求。這些性能概括起來有以下幾點(diǎn):1、足夠的剛度列車速度越高，就要求路基的剛度越大，彈性變形越小。當(dāng)然，剛度也不能過大，過大了會(huì)使列車振動(dòng)加大，也不能做到平穩(wěn)運(yùn)行。2、穩(wěn)固、耐久、少維修要求路基在列車荷載的長期作用下，塑性累積變形小。3、高平順性不僅要求靜態(tài)條件下平順，而且還要求動(dòng)態(tài)條件下平順。穩(wěn)定、沉降小且沉降均勻的平順路基是高平順性軌道的基礎(chǔ)。穩(wěn)定性好的路基，主要是靠控制路基工后沉降和不均勻沉降，以及控制路基頂面的初始不平順來保證。這正是高速鐵路路基

3、設(shè)計(jì)、施工與普通鐵路的主要區(qū)別。路基工后沉降一般由三部分組成:地基在軌道、路堤自重及列車動(dòng)力作用下的壓密沉降;路基填土(包括基床與路堤本體)在自重作用下產(chǎn)生的壓密沉降:基床表層在動(dòng)荷載作用下的塑性累積變形。其中控制地基沉降是最為關(guān)鍵的。通常采用地基處理來提高地基強(qiáng)度、剛度，減少沉降。高速鐵路建設(shè)中最為常見的特殊土路基包括濕陷性黃土、軟土等。常規(guī)地基處理方式有換填法、強(qiáng)夯法、復(fù)合地基法、排水固結(jié)法等，前三者的處理深度或受限于處理原理，或受限于施工設(shè)備，處理深度一般不超過3Om，后者的處理時(shí)間較長，不能滿足當(dāng)前建設(shè)要求。當(dāng)遇到深厚軟弱地基時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是將路基方案改為橋梁方案，以橋代路。在挖方

4、地段和站場，橋梁方案并不適用，而且橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性方面較差，在曲線段上，橫向穩(wěn)定性問題成為設(shè)計(jì)考慮的主要因素。我國高速鐵路建設(shè)規(guī)模大、線路長，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，深厚軟弱地基較多，在財(cái)力有限的前提下，迫切需要尋求一種強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好，并且建筑成本適當(dāng)、施工工藝簡單的高速鐵路路基新型結(jié)構(gòu)。基于以上因素提出的樁板結(jié)構(gòu)路基是高速鐵路的一種新路基結(jié)構(gòu)形式，它具有地基處理和路基結(jié)構(gòu)兩種功能，它由鋼筋混凝土的樁基、托梁、承臺(tái)板及土質(zhì)路基組成，樁板結(jié)構(gòu)路基的承臺(tái)板直接與軌道結(jié)構(gòu)連接，樁一梁和樁一板固結(jié)與土路基共同組成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)體系。樁板結(jié)構(gòu)路基有別于傳統(tǒng)土工結(jié)構(gòu)物的概念，傳統(tǒng)土路基承受荷

5、載的豎向體系是基床路堤一地基，而樁板結(jié)構(gòu)路基承受荷載的體系為板一梁一樁一地基，并且利用樁一土、板一土、梁一土之間的共同作用來提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足高速鐵路的沉降要求。樁板結(jié)構(gòu)路基一般采用鉆孔灌注樁，目前最大處理深度可達(dá)60m，處理深度大是相比于傳統(tǒng)地基處理的最大優(yōu)勢。在國內(nèi)外，樁板結(jié)構(gòu)路基的理論探討與應(yīng)用研究基本上是一個(gè)新課題，其有限的應(yīng)用卻顯示出非常良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，有開展進(jìn)一步深入研究的巨大價(jià)值。傳統(tǒng)土路基的動(dòng)力學(xué)研究開展較多，也進(jìn)行了大量現(xiàn)場行車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。樁板結(jié)構(gòu)是一種新型路基結(jié)構(gòu)，動(dòng)力學(xué)研究和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)較少，試驗(yàn)手段也單一。文獻(xiàn)26通過遂渝線樁板結(jié)構(gòu)路基大比例動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)，研究了樁基

6、的荷載傳遞;文獻(xiàn)27針對(duì)鄭西客運(yùn)專線某濕陷性黃土樁板結(jié)構(gòu)，通過模型試驗(yàn)，綜合研究了樁板結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性;模型試驗(yàn)受限于模型尺寸和邊界條件，得出的結(jié)果與工程實(shí)際還有一定差距。文獻(xiàn)5測試了CRHZ行車時(shí)樁板結(jié)構(gòu)路基的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。高速鐵路必須考慮列車重復(fù)荷載作用下路基的疲勞特性，包括強(qiáng)度疲勞失穩(wěn)和變形疲勞失穩(wěn)兩方面。土質(zhì)路基基床在重復(fù)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生累積下沉，樁板結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載作用下的研究尚未見報(bào)道，需要進(jìn)行現(xiàn)場激振試驗(yàn)，研究樁板結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和疲勞特性。1.2樁板結(jié)構(gòu)路基概述 1.2.1樁板結(jié)構(gòu)路基應(yīng)用現(xiàn)狀“樁一板結(jié)構(gòu)”在歐洲已有上千年歷史，在英國、比利時(shí)、荷蘭等國家都發(fā)現(xiàn)該技術(shù)修建的道路。當(dāng)高速鐵路開

7、始采用無碎軌道技術(shù)之后，由于無柞軌道對(duì)工后沉降有極其嚴(yán)格的要求，在一些地質(zhì)條件較為惡劣的地段，常規(guī)地基處理工藝難以滿足要求，工程界研發(fā)出現(xiàn)代鋼筋混凝土樁一板結(jié)構(gòu)。“樁一板結(jié)構(gòu)”在控制沉降方面具有相當(dāng)優(yōu)越性能，我國工程技術(shù)人員獨(dú)立自主研發(fā)出多種結(jié)構(gòu)形式已應(yīng)用在多條客運(yùn)專線上。德國紐倫堡一英戈?duì)柺┧鼐€共修建“樁一板結(jié)構(gòu)”路基3.543km。新建線的北段地基由第四紀(jì)上層和下面的中侏羅紀(jì)早期土層組成，層厚為520m不等，黏性土內(nèi)部有砂質(zhì)土。這種黏土易于下沉，還具有膨膚性。該地區(qū)的線路采用了“樁一板結(jié)構(gòu)”，鉆孔樁直徑0.9m，樁頂現(xiàn)澆0.6m厚鋼筋混凝土板。為了樁板路基盡可能均勻過渡到土質(zhì)路基，采用了

8、厚度漸變的素混凝土板來減小剛度的差異，素混凝土板長20m。荷比高速鐵路阿姆斯特丹至布魯塞爾線，全線鋪設(shè)無柞軌道，大量采用了“無沉降樁板結(jié)構(gòu)”?！盁o沉降樁板結(jié)構(gòu)”由鉆孔灌注樁和現(xiàn)澆鋼筋混凝土板構(gòu)成，一聯(lián)共6跨，每跨4m，全長26m，橫向樁間距3m。設(shè)計(jì)方對(duì)樁板結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)Rheda2000型無柞軌道進(jìn)行優(yōu)化，最終選擇超長連續(xù)型軌道板。英法海底隧道連接線在穿越一個(gè)沼澤地區(qū)時(shí)有7km路基采用了“樁板結(jié)構(gòu)”，這種樁板結(jié)構(gòu)由樁基礎(chǔ)和鋼筋混凝土板構(gòu)成，橫向分布4排樁，樁間距為2.5m。我國遂渝線無柞軌道綜合試驗(yàn)段地基沉降及工后沉降的控制技術(shù)采用鋼筋混凝土樁板結(jié)構(gòu)的地基處理措施。樁板結(jié)構(gòu)路基是高速鐵路無碎軌道

9、一種新的路基結(jié)構(gòu)形式，它由下部鋼筋混凝土樁基、路基本體與上部鋼筋混凝土承載板組成，承載板直接與軌道結(jié)構(gòu)連接。樁板結(jié)構(gòu)路基主要適用范圍為己建路堤的補(bǔ)強(qiáng)加固，工程地質(zhì)條件復(fù)雜的路塹地段、既有線有柞改無柞軌道工程，以及兩橋(隧)之間短路基、道岔區(qū)路基等。承載板的尺寸為4.4mx0.6mx3Om，一聯(lián)六跨，跨度為5m，橫向樁間距2.5m，在相鄰聯(lián)處由托梁支承。文獻(xiàn)11通過借鑒國內(nèi)外客運(yùn)專線經(jīng)驗(yàn)，提出建設(shè)客運(yùn)專線時(shí)采用支承于樁基礎(chǔ)上的彈性地基梁來代替土質(zhì)路堤是控制沉降的有效方法。文獻(xiàn)【12從控制低矮路堤沉降和減少路堤動(dòng)力影響的角度，提出一種新型路基建筑形式樁筏結(jié)構(gòu)。樁筏結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力管樁和現(xiàn)澆鋼筋混凝土筏

10、板構(gòu)成。樁徑0.5m，樁長50m;筏板厚度 1.2m，一聯(lián)長18.2m，縱向排樁，縱向樁間距m，橫向分布6排樁，橫向樁間距1.72m。文獻(xiàn)13介紹了鄭西客運(yùn)專線某站場工點(diǎn)地基存在較深的濕陷性黃土，對(duì)路基沉降控制提出嚴(yán)峻要求。作者提出一種新型地基處理方式連續(xù)埋入式無限長樁板結(jié)構(gòu)。這種樁板結(jié)構(gòu)由鉆孔灌注樁和現(xiàn)澆鋼筋混凝土承臺(tái)板構(gòu)成，承臺(tái)板上填筑0.7m厚級(jí)配碎石基床表層。上部承臺(tái)板厚0.60.8m，寬10.5m(除道岔區(qū))，下部基礎(chǔ)采用直徑1.0m或直徑1.25m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橫向分布2排，間距5.Om，縱向樁間距一般為 7.09.om。埋入式無限長樁板結(jié)構(gòu)一聯(lián)長度可達(dá)100Om。1.2.2樁板

11、結(jié)構(gòu)路基研究現(xiàn)狀樁板結(jié)構(gòu)是一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，我國工程界已經(jīng)進(jìn)行了一定研究，包括設(shè)計(jì)理論、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。文獻(xiàn)l4系統(tǒng)闡述樁板結(jié)構(gòu)路基的研究技術(shù)路線，分析了樁板結(jié)構(gòu)路基的經(jīng)濟(jì)效益，與橋梁方案相比，低路堤情況可節(jié)省工程造價(jià)20%一40%，指出樁板結(jié)構(gòu)路基最適宜于新建客運(yùn)專線鐵路工程地質(zhì)條件復(fù)雜的路塹和低路堤段。文獻(xiàn)l518提出將承載板當(dāng)作連續(xù)梁處理，按影響線法計(jì)算活載作用的內(nèi)力，最終確定板的翹曲變形能否滿足土質(zhì)路基上鋪設(shè)無碴軌道容許撓度及視覺高差的要求。文獻(xiàn)【16探討了樁板結(jié)構(gòu)路基的設(shè)計(jì)理論，運(yùn)用解析算法和有限元分析了樁板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。文獻(xiàn)l7提出樁板結(jié)構(gòu)路基的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。文獻(xiàn)1

12、3將樁板結(jié)構(gòu)簡化為平面剛架，運(yùn)用力法求解，并且編制了計(jì)算程序。文獻(xiàn)【19分析了板、梁和樁對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基造價(jià)的影響，進(jìn)行了不同跨度方案的比選。文獻(xiàn)ll分析了樁間距對(duì)樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，得出了最優(yōu)方案。文獻(xiàn)21以樁板結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)法為研究對(duì)象，對(duì)比了容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法，得出極限狀態(tài)法有一定優(yōu)勢。文獻(xiàn)27闡述了鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論。文獻(xiàn)20對(duì)豎向荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，得到樁板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。文獻(xiàn)【22運(yùn)用有限元軟件ANsys分析了諸多參數(shù)對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基沉降的影響，荷載、樁長和地基土模量的影響最大。文獻(xiàn)【23運(yùn)用動(dòng)力有限元分析了樁板結(jié)構(gòu)路基在地震波作用下的動(dòng)力響

13、應(yīng)，分析結(jié)果表明樁截面處的承載板受力最不利。文獻(xiàn)10建立樁板結(jié)構(gòu)路基整體有限元模型，包括軌道、樁板結(jié)構(gòu)和地基，分析了列車荷載作用下整體模型的動(dòng)力響應(yīng)。文獻(xiàn)【2425針對(duì)遂渝線樁板結(jié)構(gòu)路基某工點(diǎn)，進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，研究了樁板結(jié)構(gòu)路基的沉降。文獻(xiàn)【26通過遂渝線樁板結(jié)構(gòu)路基大比例動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)，研究了樁基的荷載傳遞。文獻(xiàn)27針對(duì)鄭西客運(yùn)專線某濕陷性黃土樁板結(jié)構(gòu)，通過模型試驗(yàn)，綜合研究了樁板結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性。文獻(xiàn)5測試了CRHZ行車時(shí)樁板結(jié)構(gòu)路基的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。1.2.3樁板結(jié)構(gòu)路基的特點(diǎn)1.2.1節(jié)中列舉了大量國內(nèi)外高速鐵路中樁板結(jié)構(gòu)路基的實(shí)際應(yīng)用，這些結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案、跨度布置、構(gòu)造形式、施工工藝各有不同

14、，而且這些結(jié)構(gòu)的名稱也各不相同。為了便于學(xué)術(shù)交流，本文嘗試給這類結(jié)構(gòu)下一個(gè)定義，這些結(jié)構(gòu)具有以下四個(gè)特征:結(jié)構(gòu)的大部分構(gòu)件埋入地基或路基;以鋼筋混凝土為材料;以板一樁為荷載傳遞體系;以控制沉降為主要目的;滿足以上四個(gè)特征的結(jié)構(gòu)可以較為形象地統(tǒng)稱為樁板結(jié)構(gòu)路基，亦可簡稱樁板路基。樁板路基與線路的其它形式對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)若干不同。樁板路基埋入地基，有別于橋梁跨越空間障礙的形式，這是樁板路基之所以稱為路基的原因;樁板路基的材料為鋼筋混凝土，有別于傳統(tǒng)土路基以土石等松散介質(zhì)為材料;樁板路基以板一樁為荷載傳遞體系，有別于傳統(tǒng)土路基的基床一路堤一地基體系。優(yōu)點(diǎn):處理深度大，強(qiáng)度高，剛度大，工后沉降小，施工便

15、捷快速。缺點(diǎn):造價(jià)高，不易維修，抗裂性差。適用范圍:低矮路堤、路塹、站場、既有線改建加固。1.2.4樁板結(jié)構(gòu)路基的分類從使用功能的角度，可以分為地基處理式和路基結(jié)構(gòu)式，通常地基處理式的樁板結(jié)構(gòu)埋入路基下，設(shè)計(jì)有土質(zhì)基床，這類樁板結(jié)構(gòu)路基受列車動(dòng)力影響較小;路基結(jié)構(gòu)式兼有地基處理和路基結(jié)構(gòu)兩種功能，樁板結(jié)構(gòu)的板承擔(dān)了基床的功能。從埋入深度的角度，可分為上承式和埋入式，上承式直接鋪設(shè)軌道結(jié)構(gòu)，受外界自然條件的影響，樁板結(jié)構(gòu)大多是超靜定結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)溫度變化敏感。埋入式埋入地下，受外界因素影響較小。從結(jié)構(gòu)是否超靜定，可分為靜定式和超靜定式，由于超靜定結(jié)構(gòu)有剛度大，內(nèi)力小的優(yōu)點(diǎn)，通常樁板結(jié)構(gòu)為超靜定式。

16、從跨度布置可分為連續(xù)式和分聯(lián)式，連續(xù)式樁板結(jié)構(gòu)中構(gòu)造措施中不設(shè)溫度縫和沉降縫，一聯(lián)結(jié)構(gòu)的跨數(shù)可超過100跨，長度超過千米;分聯(lián)式樁板結(jié)構(gòu)一聯(lián)的跨數(shù)為3一6跨，聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)構(gòu)造縫，減少溫度變化和樁基不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。從結(jié)構(gòu)上線路的數(shù)量，可分為單線式、雙線式和多線式，結(jié)構(gòu)的一塊板上只鋪設(shè)一條線路，稱為單線式，雙線式和多線式依次類推。由于列車荷載的動(dòng)力作用，雙線式樁板結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生翹曲和扭轉(zhuǎn)等較為復(fù)雜的受力現(xiàn)象，所以單線式應(yīng)用較多。多線式通常用于站場。從樁基的施工工藝上，可以分為打入樁式和鉆孔樁式。從板的力學(xué)特性，可分為單向板式和雙向板式。樁基點(diǎn)支承的板在兩個(gè)方向上受彎，按雙向板分析。有托梁對(duì)

17、邊支承的板為單向板32，按梁分析。從構(gòu)造縫的形式，可分為托梁式和懸臂式，托梁式在構(gòu)造縫處設(shè)置有一樁基支承托梁，板支承在托梁上;懸臂式是指兩側(cè)板懸挑出，中間有一構(gòu)造縫。1.2.5樁板結(jié)構(gòu)路基的破壞模式文獻(xiàn)【27進(jìn)行了樁板結(jié)構(gòu)路基大比例模型破壞試驗(yàn)，加載位置為跨中截面，當(dāng)加載6t時(shí)，承臺(tái)板開始進(jìn)入破壞階段，當(dāng)加載達(dá)到7t時(shí)，承臺(tái)板跨中下表面開始出現(xiàn)肉眼可識(shí)別的裂縫，試驗(yàn)結(jié)束后，取出模型，承臺(tái)板跨中截面上側(cè)混凝土壓碎，下側(cè)受拉鋼筋屈服，下表面上破壞裂紋橫向貫通。測試過程表明，托梁鋼筋進(jìn)入屈服階段。承臺(tái)板破壞時(shí)，樁基未達(dá)到破壞狀態(tài)。樁板結(jié)構(gòu)路基的破壞標(biāo)準(zhǔn)為承臺(tái)板跨中截面、托梁支座截面破壞，達(dá)到承載力極

18、限狀態(tài)，屬于適筋梁破壞。1.2.6樁板結(jié)構(gòu)路基的結(jié)構(gòu)分析與力學(xué)模型結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖是進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)用以代表實(shí)際結(jié)構(gòu)的經(jīng)過簡化的模型。選擇計(jì)算簡圖的原則是:(l)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的工作性能;(2)便于計(jì)算。選取計(jì)算簡圖時(shí)，必須分清主次，抓住本質(zhì)和主流，略去不重要的細(xì)節(jié)。計(jì)算簡圖的選擇是力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)，極為重要。計(jì)算簡圖一經(jīng)確定，就需采取適當(dāng)構(gòu)造措施使實(shí)際結(jié)構(gòu)盡量符合簡圖的特點(diǎn)。因此，選定符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖和在構(gòu)造上采取措施保證其簡圖特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)問題的兩個(gè)方面，必須統(tǒng)籌考慮。1.2.6.1構(gòu)件的力學(xué)特點(diǎn)樁板路基是軌道的基礎(chǔ)，也是一種鋼筋混凝土建筑物。樁板路基中有若干構(gòu)件，構(gòu)件的受力分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

19、的基礎(chǔ)。下面介紹主要構(gòu)件的受力特點(diǎn)。承臺(tái)板，承受軌道靜荷載和列車動(dòng)荷載。荷載作用方向垂直軸線，產(chǎn)生彎曲變形，內(nèi)力以彎矩及剪力為主。屬于平面受彎構(gòu)件。承臺(tái)板和樁基剛接，構(gòu)成線路縱向方向上的剛架。托梁，承受上部結(jié)構(gòu)靜荷載和列車動(dòng)荷載。荷載作用方向垂直軸線，產(chǎn)生彎曲變形，內(nèi)力以彎矩及剪力為主。屬于平面受彎構(gòu)件。托梁和樁基剛接，構(gòu)成線路橫向方向上的剛架。樁，受力狀態(tài)較復(fù)雜，承受了豎向荷載和水平荷載。一是承受上部結(jié)構(gòu)傳來的壓力和自重，荷載方向平行于軸線;二是承受列車制動(dòng)力或牽引力，以及橫向搖擺力和離心力，荷載方向垂直于軸線;樁是偏心受壓構(gòu)件。1.2.6.2結(jié)構(gòu)體系的簡化承臺(tái)板和樁基剛接接，構(gòu)成線路縱向方

20、向上的剛架，限制了樁板路基縱向位移。托梁和樁基剛接，構(gòu)成線路橫向方向上的剛架，限制了樁板路基橫向位移，保證了橫向穩(wěn)定性。板、梁、樁構(gòu)成了空間剛架體系，具有較大的剛度，在列車荷載作用下有較大的縱橫向穩(wěn)定性，限制了樁板路基縱橫向的水平位移。樁板結(jié)構(gòu)實(shí)際上是空間剛架結(jié)構(gòu)，直接分析較為困難，為了簡化計(jì)算可以分解為平面結(jié)構(gòu)。分解方法是沿縱向和橫向分布按平面結(jié)構(gòu)計(jì)算。承臺(tái)板和托梁有類似主次梁的支承關(guān)系，板、梁、樁構(gòu)成一個(gè)交叉體系。首先可把空間剛架看做雙向正交剛架體系:然后把空間剛架分解為平面剛架;再選擇計(jì)算兩個(gè)平面，得到縱向體系和橫向體系。如圖1.2一23，建立空間坐標(biāo)系來分析樁板結(jié)構(gòu)。線路縱向?yàn)閄軸，橫

21、向?yàn)閅軸，地基豎向?yàn)閆軸，以重力方向?yàn)檎?，整個(gè)坐標(biāo)系符合右手定則。樁板結(jié)構(gòu)荷載可分為體力和面力，體力即自重和溫度作用。面力按荷載作用方向可分為豎向荷載、橫向荷載、縱向荷載。豎向荷載的傳遞路徑從上至下，承臺(tái)板傳遞至托梁，托梁傳遞至樁，最終由樁基傳遞至地基土。中跨四樁的主筋錨固在承臺(tái)板中，邊跨支承允許承臺(tái)板有微小橫縱向位移，故認(rèn)為橫縱向荷載由板、梁傳遞至中跨四樁。樁板結(jié)構(gòu)是空間超靜定結(jié)構(gòu)，必須經(jīng)過簡化后才能用解析法分析。承臺(tái)板為對(duì)邊支承，可以看做連續(xù)單向板，主要發(fā)生X一Z平面內(nèi)彎曲。托梁發(fā)生Y一Z平面內(nèi)的彎曲，單線列車荷載作用時(shí)，托梁也有扭轉(zhuǎn)變形。邊跨四樁只受軸力，而中跨四樁還受到水平荷載作用。目

22、前在列車荷載累計(jì)作用下，承臺(tái)板與地基土是否會(huì)脫開尚無試驗(yàn)資料，計(jì)算中不考慮地基對(duì)承臺(tái)板和托梁的反力。以上荷載傳遞和結(jié)構(gòu)變形的分析表明，樁板結(jié)構(gòu)可以分解為X一Z縱向平面模型和Y一Z橫向平面模型。如圖1.2一24縱向平面模型選單線模型，托梁在縱向平面的彎曲剛度為無窮大，當(dāng)豎向力和彎矩作用時(shí)，縱向撓度為零，則縱向分析時(shí)忽略托梁，只分析承臺(tái)板和樁組合的剛架。邊跨支承簡化為活動(dòng)鉸支座。如圖1.2一25橫向平面模型分析托梁和樁組合的剛架。1.2.6.3結(jié)構(gòu)受力的分析超靜定樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)按彈性理論計(jì)算(可不計(jì)法向力及剪力對(duì)變形的影響)，同時(shí)應(yīng)考慮基礎(chǔ)不均勻變位(線位移和角位移)、溫度變化及混凝土收縮、徐變的影響

23、。樁板結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)計(jì)算強(qiáng)度時(shí)，不應(yīng)考慮混凝土承受拉力(除主拉應(yīng)力檢算外)，拉力應(yīng)完全由鋼筋承受。對(duì)樁板結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力驗(yàn)算。在列車豎向靜活載作用下，承臺(tái)板體的豎向撓度不應(yīng)大于鐵路橋規(guī)的規(guī)定。在ZK活載靜力作用下，承臺(tái)板板端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于鐵路橋規(guī)的規(guī)定。無柞軌道承臺(tái)板板縫兩側(cè)鋼軌支承點(diǎn)間的相對(duì)豎向位移不應(yīng)大于1mm；對(duì)于設(shè)有縱向坡度的承臺(tái)板，還應(yīng)考慮由于活動(dòng)支座縱向水平位移引起的板縫兩側(cè)鋼軌支承點(diǎn)間的相對(duì)豎向位移。應(yīng)進(jìn)行單樁豎向承載力驗(yàn)算和樁基沉降分析，樁基的工后均勻沉降以及相鄰樁基沉降之差(差異沉降)不應(yīng)大于表的規(guī)定。1.2.7樁板結(jié)構(gòu)路基的荷載鐵

24、路網(wǎng)中客貨列車共線運(yùn)行，旅客列車設(shè)計(jì)時(shí)速等于或小于160km、貨物列車時(shí)速等于或小于120km，列車豎向活載必須采用中華人民共和國鐵路標(biāo)準(zhǔn)荷載，即“中一活載”，見圖1.2一26一1.2一28。設(shè)計(jì)時(shí)速200250km和300350km客運(yùn)專線鐵路列車豎向活載必須采用ZK活載。1.2.8樁板結(jié)構(gòu)路基的軌道結(jié)構(gòu)形式目前具有高速鐵路實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的樁板結(jié)構(gòu)路基軌道結(jié)構(gòu)形式主要有軌枕埋入式無碴軌道和柔性填充層板式無碴軌道兩大類。如圖1一2和圖1一3所示。軌枕埋入式無碴軌道具有結(jié)構(gòu)的高度整體性，對(duì)有碴軌道結(jié)構(gòu)概念的良好繼承性和混凝土工程的本質(zhì)性等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工上都可以借鑒橋梁工程、混凝土工程和有碴

25、軌道積累的經(jīng)驗(yàn)，使之具有對(duì)橋上、隧道內(nèi)、路基上、道岔區(qū)等具有廣泛的適用性。其最大缺點(diǎn)是可修復(fù)性差，同時(shí)在橋上和單線隧道內(nèi)鋪設(shè)時(shí)，施工性受到影響。板式無碴軌道具有結(jié)構(gòu)高度低、重量輕、施工機(jī)械化程度高、施工進(jìn)度快和可修復(fù)性好等特點(diǎn)，更適合于橋梁和隧道內(nèi)使用，板式軌道由于結(jié)構(gòu)單元比較大，適應(yīng)曲線布置能力差，在道岔區(qū)使用難度很大，由于存在縱向的周期性間斷，對(duì)路基不均勻沉降適應(yīng)性差，如果在路基上使用，需要增強(qiáng)其縱向連續(xù)性。1.3樁板結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢、適用場合及其存在的問題1.3.1樁板結(jié)構(gòu)路基的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢由樁板結(jié)構(gòu)路基的結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)可知，這種結(jié)構(gòu)第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，堅(jiān)固耐用，軌道變

26、形小，且變形累積緩慢等優(yōu)點(diǎn)，有利于高速行車，可大大減少養(yǎng)護(hù)維修工作量、降低作業(yè)強(qiáng)度和改善作業(yè)條件。第二，樁板結(jié)構(gòu)路基在構(gòu)造上十分機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。上部鋼筋混凝土承載板可以適應(yīng)各種線路情況的，做成任何形狀的特殊異形板，設(shè)計(jì)施工并不增加多少困難。下部樁基礎(chǔ)可以結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件合理布置。第三，施工方便。由于承載板是實(shí)心板，外形簡單，而且直接澆筑在路基上，只需要側(cè)模，加工制作簡易。內(nèi)部縱橫雙向布置鋼筋，鋼筋類型最少，加工和布設(shè)也簡易，無須布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋。澆筑混凝土可以大面積進(jìn)行，一氣呵成，振搗方便，因此深受施工人員歡迎。第四，隨之而來的優(yōu)點(diǎn)是:設(shè)計(jì)省事，無論什么特殊的平面形狀都只不過是用板單元下面布設(shè)一些

27、固結(jié)或簡支的支承點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)值分析，而且混凝土為實(shí)心雙向布筋，出圖也極度簡化。第五，與橋梁結(jié)構(gòu)相比，樁與板之間通過鋼筋固結(jié)，可以節(jié)省昂貴的支座，溫度和收縮應(yīng)力較小，只需在板與板連接處設(shè)置伸縮縫。第六，與普通路基結(jié)構(gòu)相比，由于板下是樁基礎(chǔ)，對(duì)路基填料要求不高，可以就地取材，且沉降相對(duì)小而快，工后沉降較易控制，可縮短工期，相對(duì)加快工程進(jìn)度。1.3.2樁板結(jié)構(gòu)路基的適用場合根據(jù)目前的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，樁板結(jié)構(gòu)路基主要適用范圍為:已建路堤的補(bǔ)強(qiáng)加固、舊線改造工程、工程地質(zhì)條件復(fù)雜的路塹地段、既有線有碴改無碴軌道工程、以及兩橋(隧)之間短路基、道岔區(qū)路基等，樁板結(jié)構(gòu)路基具有良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，是宜于推廣的新型

28、無碴軌道路基結(jié)構(gòu)形式。1.3.3樁板結(jié)構(gòu)路基存在的問題(l)初期投資和綜合效益問題與其他無碴軌道路基結(jié)構(gòu)相比，樁板結(jié)構(gòu)路基初期投資較大是影響其推廣應(yīng)用的重要問題，但是投資分析本身就是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。通過對(duì)遂渝線樁板結(jié)構(gòu)與橋進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，得出在相同縱向長度范圍內(nèi)，樁板結(jié)構(gòu)路基造價(jià)僅為橋梁結(jié)構(gòu)造價(jià)的一半，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益。一般要能控制其初期投資在橋梁以下，相對(duì)于其他無碴軌道路基，略高或相差不大，相對(duì)于有碴軌道來說，按結(jié)構(gòu)生命周期60年計(jì)算，一般能在ro一12年實(shí)現(xiàn)收支平衡，樁板結(jié)構(gòu)路基便具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。(2)實(shí)測資料的缺乏由于對(duì)樁板結(jié)構(gòu)路基的研究才剛起步，對(duì)深厚軟層地區(qū)及特殊土地區(qū)的設(shè)計(jì)

29、缺乏有科學(xué)依據(jù)的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)樁板結(jié)構(gòu)加固的抗震、抗液化理論方面有待進(jìn)一步的研究。(3)噪音問題一般無碴軌道剛度較大，彈性較差，增加了輪軌的振動(dòng)及輻射噪聲。無碴軌道的混凝土構(gòu)件形成了較強(qiáng)的聲反射剛性表面，加強(qiáng)了噪聲的混響作用和噪聲向兩側(cè)的輻射，使噪聲強(qiáng)度增大。由于上述兩者結(jié)構(gòu)特征的影響，一般無碴軌道線路的噪聲和振動(dòng)都大于有碴軌道，噪聲約高5dB左右。而對(duì)于同一種軌道結(jié)構(gòu)其噪音的大小是:橋梁>樁板結(jié)構(gòu)路基>土質(zhì)路基，所以控制噪音是今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。(4)軌道彈性問題樁板結(jié)構(gòu)路基的彈性主要由扣件及軌下橡膠墊板提供，橡膠墊板可以增加軌道的整體彈性，減少輪軌作用向板下的傳遞，起到隔振的作用

30、;在扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上嚴(yán)格要求，實(shí)現(xiàn)軌道彈性的均衡穩(wěn)定。(5)修理與修復(fù)問題樁板結(jié)構(gòu)作為剛性結(jié)構(gòu)，在后期運(yùn)營階段僅允許少量的改善，如調(diào)整軌道幾何形態(tài)，一般只能靠扣件來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生較大變化時(shí)，調(diào)整十分困難，特別是鋼筋混凝土承載板，達(dá)到承載強(qiáng)度極限時(shí)將產(chǎn)生斷裂，軌道幾何尺寸將發(fā)生急劇惡化，這些問題都為樁板結(jié)構(gòu)路基維修工作提供新的課題。2 鉆孔灌注樁單樁豎向承載力的確定方法單樁豎向承載力是指樁所具有的承受豎向荷載的能力，其最大值稱為極限承載力。它通常指受壓承載力，抗拔承載力、單樁的荷載傳遞規(guī)律、承載力時(shí)間效應(yīng)及負(fù)摩阻力等。單樁豎向承載力包括地基對(duì)樁的支撐能力和樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所允許的最大

31、軸向荷載兩個(gè)方面的含義，以其小值控制樁的承載性能。通常情況下，地基土的承載能力一般先達(dá)到極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有較大的安全度，本文將在此前提下進(jìn)行分析討論。單樁豎向承載力分為樁端阻力和樁側(cè)摩阻力，前者主要受到樁的設(shè)置方法、土的種類、樁的入土深度、制樁材料、樁土間的相對(duì)位移、成樁后的時(shí)間等因素影響，后者主要受樁進(jìn)入持力層的深度、樁的尺寸、加載速率等因素的影響。加之施工工藝的優(yōu)劣，影響因素眾多，因而選用合適的方法顯得尤為重要。目前，常用方法可分為兩大類，一類是直接法，通過試驗(yàn)來確定樁的承載力，包括靜載荷試驗(yàn)法、動(dòng)力測試法、原位測試法等；另一類是間接法，包括靜力計(jì)算法、規(guī)范經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法、有限元法、神經(jīng)網(wǎng)

32、絡(luò)法等。2 .1靜載試驗(yàn)法確定單樁豎向受壓承載力垂直靜載試驗(yàn)法即在樁頂逐級(jí)施壓軸向荷載，直至樁頂達(dá)到破壞為止，并在試驗(yàn)過程中測量每級(jí)荷載下不同時(shí)間的樁頂沉降，根據(jù)沉降與荷載及時(shí)間的關(guān)系，分析確定單樁軸向容許承載力。試樁可在已打好的工程樁中選定，也可專門設(shè)置與工程樁相同的試驗(yàn)樁?？紤]到試驗(yàn)場地的差異及試驗(yàn)的離散性，試樁數(shù)目應(yīng)不小于基樁總數(shù)的2%，且不應(yīng)小于2根；試樁的施工方法以及試樁的材料和尺寸、入土深度均應(yīng)與設(shè)計(jì)相同。2.1.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置主要由加載系統(tǒng)與觀測系統(tǒng)兩部分組成。加載方法有堆載法與錨樁法兩種。堆載法是在荷載平臺(tái)上堆放重物，一般為鋼錠或砂包，也有在荷載平臺(tái)上置放水箱，向水箱中沖

33、水作為荷載。堆載法適用于極限承載力較小的樁。錨樁法是在試樁周圍布置46根錨樁，常利用工程群樁。錨樁深度不宜小于試樁深度，且與試樁有一定距離，一般應(yīng)大于3且不小于1.5m（為試樁直徑或邊長），以減小錨樁對(duì)試樁承載力的影響。觀測系統(tǒng)主要對(duì)樁頂位移和加載數(shù)值進(jìn)行觀測，位移通過安裝在基準(zhǔn)梁上的位移計(jì)或百分表量測，加載數(shù)值通過油壓表或壓力傳感器觀測。每根基準(zhǔn)梁固定在兩個(gè)無位移影響的支點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)上，支點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)與試樁中心距應(yīng)大于4且不小于2m（為試樁直徑或邊長）。錨樁法的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)范圍廣，當(dāng)試樁極限承載力較大時(shí)，加荷系統(tǒng)相對(duì)簡單。但錨樁一般須事先確定，因?yàn)殄^樁一般需要通長配筋，且配筋總抗拉強(qiáng)度要大于其負(fù)擔(dān)

34、的上拔力的1.4倍。2.1.2 試驗(yàn)方法試樁加載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)荷載約為預(yù)估破壞荷載的1/101/15；有時(shí)也采用遞變加載方法，開始階段每級(jí)荷載取預(yù)估破壞荷載的1/2.51/5，終了階段取1/101/15。測讀沉降時(shí)間，在每級(jí)加載后的第一小時(shí)內(nèi)，在5、10、15、30、45、60時(shí)各測讀一次，以后每隔30測讀一次，直至沉降穩(wěn)定為止。沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，通常規(guī)定為對(duì)砂性土為30內(nèi)沉降不超過0.1mm，對(duì)粘性土為1內(nèi)不超過0.1mm。待沉降穩(wěn)定后，方可施加下一級(jí)荷載。循環(huán)加載觀測，直到樁達(dá)到破壞狀態(tài)，終止試驗(yàn)。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可終止加載：a某級(jí)荷載作用下，樁的沉降量為前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍

35、；b某級(jí)荷載作用下，樁的沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24小時(shí)尚未達(dá)到穩(wěn)定；c樁頂加載已達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的最大加載量；d異常情況經(jīng)委托方或設(shè)計(jì)方同意終止試驗(yàn)。終止加載后進(jìn)行卸載，每級(jí)基本卸載量按每級(jí)加載量的2倍控制，并按15、30、60測讀回彈量，然后進(jìn)行下一級(jí)的卸載。全部卸載后，隔34再測回彈量一次。2.1.3 極限荷載和軸向容許承載力的確定破壞荷載求得以后，可將其前一級(jí)荷載作為極限荷載，從而確定單樁軸向容許承載力： = 式中：單樁軸向受壓容許承載力（kN）；試樁的極限荷載（kN）；安全系數(shù)，一般為2。實(shí)際上，在破壞荷載下，處于不同土層中的樁，其沉降量及沉降速率是不同的，人為地統(tǒng)一

36、規(guī)定某沉降值或沉降速率作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，難以正確評(píng)價(jià)基樁的極限承載力。因此，宜根據(jù)試樁曲線采用多種方法分析，以綜合評(píng)定基樁的極限承載力。(1)-曲線明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)法在-曲線上，以曲線出現(xiàn)明顯下彎轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載作為極限荷載。因?yàn)楫?dāng)荷載超過該荷載后，樁底下土體達(dá)到破壞階段發(fā)生大量塑性變形，引發(fā)樁發(fā)生較大或較長時(shí)間仍不停滯的沉降，所以在-曲線上呈現(xiàn)出明顯的下彎轉(zhuǎn)折點(diǎn)。然而，若-曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)不明顯，則極限荷載難以確定，需借助其它方法輔助確定，例如用對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制曲線，可能使轉(zhuǎn)折點(diǎn)顯得明顯些。(2)法（沉降速率法）該方法是根據(jù)沉降隨時(shí)間的變化特征來確定極限荷載，大量試樁資料分析表明，樁在破壞荷載以前的每級(jí)下沉量

37、（）與時(shí)間（）的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，可用公式表示為： = 直線的斜率在某種程度上反映了樁的沉降速率。值不是常數(shù)，它隨著樁頂荷載的增加而增大，越大則樁的沉降速率越大。當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大時(shí)，如發(fā)現(xiàn)繪得的線不是直線而是折線時(shí)，則說明在該級(jí)荷載作用下樁沉降驟增，即地基土塑性變形驟增，樁破壞。因此可將相應(yīng)于線形由直線變?yōu)檎劬€的那一級(jí)荷載定位該樁的破壞荷載，其前一級(jí)荷載即為樁的極限荷載。2.1.4 從成樁到開始試驗(yàn)的時(shí)間間歇對(duì)灌注樁應(yīng)滿足混凝土養(yǎng)護(hù)所需的時(shí)間，一般宜為成樁后28天。對(duì)預(yù)制樁，盡管施工時(shí)樁身強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但由于單樁承載力時(shí)間效應(yīng)，試樁時(shí)間也應(yīng)該距沉樁時(shí)間有盡可能長的休止期，否則試驗(yàn)得到的單

38、樁承載力明顯偏小。一般要求，對(duì)于砂性土，不應(yīng)小于10天；對(duì)于粉土和粘性土，不應(yīng)小于15天；對(duì)于淤泥或淤泥質(zhì)土，不應(yīng)小于25天。2.1.5 小結(jié)采用靜載試驗(yàn)法確定單樁容許承載力直觀可靠，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，通常只在大型重要工程或地基較復(fù)雜的樁基工程中進(jìn)行試驗(yàn)。配合其它測試設(shè)備，也能直接了解樁的荷載傳遞特征，提供有關(guān)資料，因此靜載試驗(yàn)法是樁基礎(chǔ)研究分析最常用的方法。李建強(qiáng)、張季超1對(duì)樁基靜載試驗(yàn)中存在的一些技術(shù)問題進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實(shí)際工程給出了自己的見解。陸肖春、郭洪濤2研究了自平衡試樁法，它是一種新的靜載試驗(yàn)方法，避免了傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)的很多缺點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，尤其適合超長樁體檢測。2.2 規(guī)范法確定

39、單樁豎向受壓承載力根據(jù)靜力試樁結(jié)果與樁側(cè)、樁端阻力和物理土性指標(biāo)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，從而預(yù)估單樁承載力的規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法是一種沿用多年的傳統(tǒng)方法，樁基規(guī)范在地基規(guī)范的基礎(chǔ)上，積累了更為豐富的資料，使這種方法適用于各類型的樁，并用極限設(shè)計(jì)的形式表示。根據(jù)靜力平衡條件可得： = + 式中：單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；單樁總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。為了便于計(jì)算，常常假定同一土層中的單位側(cè)摩阻力是均勻分布的，于是可得到根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，而確定承載力標(biāo)準(zhǔn)值公式。樁基規(guī)范針對(duì)不同的常用樁型，推薦了不同的估算表達(dá)式。（1）一般預(yù)制樁及灌注樁： = + 式中，、

40、分別為樁側(cè)第層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），其余符號(hào)意義同前。（2）大直徑樁對(duì)于直徑大于0.8m的大直徑樁，其側(cè)阻與端阻要考慮尺寸效應(yīng)。側(cè)阻的尺寸效應(yīng)主要發(fā)生在砂、碎石類土中，這是因?yàn)榇笾睆綐兑话銥殂@、挖、沖空灌注樁，在無粘性土成空過程中將會(huì)出現(xiàn)孔壁土的松弛效應(yīng)，從而導(dǎo)致側(cè)阻力降低?？讖皆酱?，降幅越大。大直徑樁的極限端阻力也存在著隨樁徑增大而呈雙曲線關(guān)系下降的現(xiàn)象，這主要是由于大直徑樁，特別是擴(kuò)底樁，其靜載試驗(yàn)的曲線一般呈緩變型，單樁承載力的取值常以沉降控制。根據(jù)計(jì)算沉降的彈性力學(xué)公式可知，當(dāng)變形相同時(shí)，樁端承載力與樁徑成反比，實(shí)際上由于樁端荷載不是作用于地基表面而是作用于

41、地基內(nèi)部，因此與并不是簡單的反比關(guān)系。樁基規(guī)范推薦用下式計(jì)算大直徑單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，即： = + 式中：樁側(cè)第層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；樁徑為0.8m時(shí)的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；、大直徑樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，按表1取值；樁底面積，。表1 大直徑樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)土類型粘性土、粉土砂土、碎石類土土類型粘性土、粉土砂土、碎石類土1注 D為樁端直徑（3）嵌巖樁隨著沿海開發(fā)區(qū)高層建筑的增多，嵌巖樁被大量應(yīng)用。過去對(duì)這些樁都是按純端承樁計(jì)算承載力的，近十多年的模型與原型試驗(yàn)研究都表明：一般情況下，嵌巖樁只要不是很短，上覆土層的側(cè)阻力能部分發(fā)揮作用。另外，嵌巖

42、深度內(nèi)也有側(cè)阻力作用，因而傳遞到樁端的阻力隨嵌巖深度的增加而遞減，當(dāng)嵌巖深度達(dá)到5倍樁徑時(shí)，傳遞到樁端的應(yīng)力已接近與零。這說明，樁端嵌巖深度一般不必過大，超過某一界限并無助于提高豎向承載力。因此嵌巖樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值由樁周土總側(cè)阻力、嵌巖段總側(cè)阻力和總端阻力三部分組成，并可按下式計(jì)算： = + + = = = 式中： 覆蓋層第層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，當(dāng)樁的長徑比不大（/d30），樁端置于新鮮或微風(fēng)化硬質(zhì)巖中，且樁底無沉渣時(shí)，對(duì)于粘性土、粉土取=0.8，砂類土及碎石類土=0.7，其它情況=1.0； 第層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa； 巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，kPa； 樁身嵌巖（中等風(fēng)化、微風(fēng)化、

43、新鮮基巖）深度，m；超過5d時(shí)，取=5d，當(dāng)巖層表面傾斜時(shí)，以坡下方的嵌巖深度為準(zhǔn)； 、嵌巖段側(cè)阻力和端阻力修正系數(shù)，與嵌巖深度比/d有關(guān)，按表2取值。其余符號(hào)意義同前。表2 嵌巖段側(cè)阻和端阻修正系數(shù)嵌巖深度比/d00.512345側(cè)阻修正系數(shù)00.0250.0550.0700.0650.0620.050端阻修正系數(shù)0.500.500.400.300.200.100注 當(dāng)嵌巖段為中等風(fēng)化時(shí)，表中數(shù)值乘以0.9折減。規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算簡便，且花費(fèi)費(fèi)用較小，因此應(yīng)用廣泛。但由于施工水平差異、地區(qū)環(huán)境不同，它的可靠性較低，用作地區(qū)性規(guī)范較為合宜。一般適用于初步設(shè)計(jì)階段和非重要工程，或與其他方法綜合使用，

44、比如徐新躍3用貝葉斯方法將試樁法和經(jīng)驗(yàn)法結(jié)合，大大提高了計(jì)算精度。徐新躍，陳顯新4基于灰色系統(tǒng)理論，提出了一種定量開發(fā)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的方法，并將其成功的用于樁基承載力的分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)方面，該法與目前廣泛使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法有異曲同工之妙。此外，該方法還具有簡單、方便和實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。2.3單樁豎向抗拔承載力的確定 樁基礎(chǔ)承受上拔力的結(jié)構(gòu)類型較多，主要有高壓輸電線路塔架、高聳建筑物、受地下水浮力的地下結(jié)構(gòu)物、水平荷載作用下出現(xiàn)上拔力的結(jié)構(gòu)物以及膨脹土地基上建筑物等。與單樁豎向抗壓荷載傳遞相比，對(duì)樁豎向上拔荷載傳遞機(jī)理的認(rèn)識(shí)還很不充分，其設(shè)計(jì)計(jì)算方法也很不成熟，因而需加深對(duì)影響單樁抗拔承

45、載力因素的研究。2.3.1 影響單樁抗拔承載力的因素影響單樁抗拔承載力的因素較多，主要包括以下幾方面：（1）樁的幾何特性，如樁長、樁斷面形狀及尺寸、樁端擴(kuò)底情況等；（2）樁的施工方法，不同的施工方法對(duì)地基的影響不同，導(dǎo)致樁側(cè)土體性質(zhì)的改變不同；（3）樁的材料特性，如材料類型、樁身強(qiáng)度等；（4）樁側(cè)土特性，如土的類型、軟硬或密實(shí)程度以及土層層位關(guān)系等；（5）樁上荷載特性，如樁的加載歷史以及樁上拔荷載大小及其他荷載組合情況等。2.3.2 確定單樁抗拔承載力的主要方法一般來講，樁在承受上拔荷載后，其抗力可來自三個(gè)方面，樁側(cè)向的摩擦力、樁重以及有擴(kuò)大端頭的樁端阻力。其中對(duì)直樁來講，樁側(cè)摩阻力是最主要的

46、。由于除樁重以外，對(duì)其他兩部分阻力的發(fā)揮機(jī)理和估算方法研究得還不夠，故以抗拔靜載試驗(yàn)確定單樁抗拔承載力是最主要而可靠的方法，因而重要工程均應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場抗拔試驗(yàn)。對(duì)次要工程或無條件進(jìn)行抗拔試驗(yàn)時(shí)，實(shí)用上可按經(jīng)驗(yàn)格式估算單樁抗拔承載力。（1）單樁抗拔靜載試驗(yàn)單樁抗拔靜載試驗(yàn)的設(shè)備與抗壓試驗(yàn)相似，加載分級(jí)、讀數(shù)時(shí)間及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)一般可參照抗壓試驗(yàn)慢速法進(jìn)行，但試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行到樁的上拔量不小于25mm。單樁抗拔極限承載力取上拔荷載T與上拔量s關(guān)系曲線上明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載。取安全系數(shù)2，可確定出單樁抗拔承載力特征值。（2）經(jīng)驗(yàn)公式法由于單樁抗拔荷傳遞機(jī)理的研究還不充分，一般經(jīng)驗(yàn)公式多按承壓樁摩阻力值打折扣并適當(dāng)

47、考慮樁體自重的有利作用來估算單樁抗拔極限承載力值，即： = + 式中：單樁抗拔極限承載力值，kN；單樁樁斷面周長，m；單樁穿越第層土內(nèi)的長度，m；第層土樁側(cè)抗壓極限摩阻力，kPa；G樁體自重，水下取有效重力，kN；抗拔系數(shù)，可參考表3；抗折系數(shù)，一般可取0.81.0。單樁抗拔承載力的特征值可為： = /式中：單樁抗拔承載力特征值，kN；抗拔安全系數(shù)，一般可取2.03.0。上式只適用于無擴(kuò)底的獨(dú)立單樁，對(duì)有擴(kuò)底的樁，其估算方法較復(fù)雜，參見文獻(xiàn)5。表3 我國有關(guān)行業(yè)部門經(jīng)驗(yàn)值行業(yè)、部門抗拔系數(shù)鐵路、公路0.6港口、電業(yè)0.60.8工業(yè)與民用建筑0.50.92.4單樁豎向負(fù)摩阻力的確定2.4.1 負(fù)

48、摩阻力產(chǎn)生的原因在一般情況下，樁受軸向荷載作用后，樁相對(duì)于樁側(cè)土體作向下位移，使土對(duì)樁產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱為正摩阻力。但是，當(dāng)樁周土體因某種原因發(fā)生下沉，其沉降速率大于樁的下沉?xí)r，則樁側(cè)土體就相對(duì)于樁作向下位移，而使土對(duì)樁產(chǎn)生向下作用的摩阻力，即稱為負(fù)摩阻力。樁的負(fù)摩阻力的發(fā)生將使樁側(cè)土的部分重力傳遞給樁，因此，負(fù)摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載，對(duì)入土深度相同的樁來說，若有負(fù)摩阻力發(fā)生，則樁的外荷載增大，樁的承載力相對(duì)降低，樁基沉降加大，這在樁基設(shè)計(jì)中應(yīng)予以注意。樁的負(fù)摩阻力能否產(chǎn)生，主要看樁與樁周土的相對(duì)位移發(fā)展情況。樁的負(fù)摩阻力產(chǎn)生的原因有：（1）在樁基

49、礎(chǔ)地面附近有大面積堆載，引起地面沉降，對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力，對(duì)于橋臺(tái)路堤高填土的橋臺(tái)樁基礎(chǔ)、地坪大面積堆放重物的車間、倉庫建筑樁基礎(chǔ)，均要特別注意負(fù)摩阻力問題；（2）土層中抽取地下水或其他原因使地下水位下降，使土層產(chǎn)生自重固結(jié)下沉；（3）樁穿過欠固結(jié)土層（如填土）進(jìn)入硬持力層，土層產(chǎn)生自重固結(jié)下沉；（4）樁數(shù)很多的密集群樁打樁時(shí)，使樁周土中產(chǎn)生很大的超空隙水壓力，打樁停止后樁周土的再固結(jié)作用引起下沉；（5）在黃土、凍土中的樁，因黃土濕陷、凍土融化產(chǎn)生地面沉降。從上述可見，當(dāng)樁穿過軟弱高壓縮性土層而支撐在堅(jiān)硬的持力層上時(shí)，最易發(fā)生樁的負(fù)摩阻力問題。要確定樁身負(fù)摩阻力的大小，就要先確定土層產(chǎn)生負(fù)摩阻力

50、的范圍和負(fù)摩阻力強(qiáng)度的大小。2.4.2 中性點(diǎn)及其位置的確定樁身負(fù)摩阻力并不一定發(fā)生于整個(gè)軟弱壓縮性土層中，產(chǎn)生負(fù)摩阻力的范圍就是樁側(cè)土層對(duì)樁產(chǎn)生相對(duì)下沉的范圍。它與樁側(cè)土層的壓縮、樁身彈性壓縮變形和樁底下沉直接有關(guān)。樁側(cè)土層的壓縮決定于地表作用的荷載（或土的自重）和土的壓縮性質(zhì)，并隨深度逐漸減??；而樁在荷載作用下，樁底的下沉在樁身各截面都是定值；樁身壓縮變形隨深度逐漸減小。因此，樁側(cè)下沉量有可能在某一深度處與樁身的位移量相等。在此深度以上樁側(cè)土下沉大于樁的位移，樁身受到向下作用的負(fù)摩阻力；在此深度以下，樁的位移大于樁側(cè)土的下沉，樁身受到向上作用的正摩阻力。正、負(fù)摩阻力變換處的位置，即稱中性點(diǎn)

51、。中性點(diǎn)的位置取決于樁與樁側(cè)土的相對(duì)位移，與作用荷載和樁周土的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)樁側(cè)土層壓縮變形大，樁底下土層堅(jiān)硬，樁的下沉量小時(shí)，中性點(diǎn)位置就會(huì)下移。此外，由于樁側(cè)土層及樁底下土層的性質(zhì)和作用的荷載不同，其變形深度會(huì)不一樣，中性點(diǎn)位置隨著時(shí)間也會(huì)有變化。要精確地計(jì)算出中性點(diǎn)的位置是比較麻煩和困難的，目前可按表4的經(jīng)驗(yàn)值確定。表4 中性點(diǎn)深度持力層性質(zhì)粘性土、粉土中密以上砂礫石、卵石基巖中性點(diǎn)深度比/0.50.60.70.80.91.0注：1. 、分別為中性點(diǎn)深度和樁周沉降變形土層下限深度。2. 樁超越自重濕陷性黃土層時(shí)，按表列值增大10%（持力層為基巖除外）。2.4.3 負(fù)摩阻力的計(jì)算一般認(rèn)為，樁

52、土間的粘著力和樁的負(fù)摩阻力強(qiáng)度取決于土的抗剪強(qiáng)度；樁的負(fù)摩阻力雖有時(shí)效，但從安全考慮，可取用其最大值以土的強(qiáng)度來計(jì)算。單樁負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式為： = = 式中： 第層樁側(cè)土豎向有效應(yīng)力（kPa）；土的側(cè)壓力系數(shù)；計(jì)算處樁土界面的內(nèi)摩擦角；樁周土負(fù)摩阻力系數(shù)，可按表5取值。求得負(fù)摩阻力強(qiáng)度后，將其乘以產(chǎn)生負(fù)摩阻力深度范圍內(nèi)樁身表面積，則可得到作用于樁身總的負(fù)摩阻力。 表5 負(fù)摩阻力系數(shù)土類土類飽和軟土粘性土、粉土0.150.250.250.40砂土自重濕陷性黃土0.350.500.200.35注：1. 在同一類土中，對(duì)于打入樁或沉管灌注樁，取表中較大值，對(duì)于灌注樁，取表中較小值。2. 填土

53、按其組成取表中同類土的較大值。3. 當(dāng)計(jì)算值大于正摩阻力時(shí)，取正摩阻力值。2.5其他方法簡介2.5.1 動(dòng)力測試法 動(dòng)力測試法是根據(jù)樁體被激振以后的動(dòng)力響應(yīng)特征來估計(jì)單樁承載力的一種間接方法，包括打樁公式和動(dòng)測法。打樁公式只能近似地估算單樁承載力。動(dòng)測法具有快速、直接、簡便、價(jià)廉等突出優(yōu)點(diǎn)，故獲得廣泛應(yīng)用，方法亦多種多樣。趙柏冬6研究了一種新的動(dòng)測法，即采用炮筒內(nèi)放入火藥為動(dòng)力，使之作用在樁頂上產(chǎn)生推力，推樁向下測定樁的承載力。它因簡便易行、節(jié)省工時(shí)物料、試驗(yàn)費(fèi)用低廉等特點(diǎn)而受到基礎(chǔ)工程界的重視與歡迎。任齊、薛晶7推導(dǎo)了樁基入射應(yīng)力波和反射應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系，并且以此為依據(jù)，提出了利用樁尖反射信號(hào)

54、判斷樁基承載力的方法，實(shí)用價(jià)值很高。2.5.2 原位測試法原位測試法通過對(duì)樁位土的物理力學(xué)性能的試驗(yàn)，求得樁位上的阻力，通過公式推算樁的極限承載力。它相對(duì)靜載荷試驗(yàn)法比較經(jīng)濟(jì)，目前在國內(nèi)外已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。最常用的有靜力觸探試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)三種。靜力觸探試驗(yàn)高效、簡便、易行。我國從20世紀(jì)70年代正式將其列入建筑樁基技術(shù)規(guī)范。動(dòng)力觸探主要分為標(biāo)準(zhǔn)貫入與圓錐動(dòng)力兩大類，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在國內(nèi)外應(yīng)用均很廣泛，圓錐動(dòng)力觸探可以連續(xù)貫入，操作簡便迅速。徐國希8對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)提出了一些改進(jìn)方法，比如PDllGRI樁基動(dòng)力公司提出的一種改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，與靜力觸探的方法結(jié)合起來，用靜力下壓和上拔

55、及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來測量土阻力以改進(jìn)測量精度，達(dá)到一定的改進(jìn)目的。旁壓試驗(yàn)始創(chuàng)于法國，應(yīng)用廣泛。在國內(nèi)，由于國產(chǎn)旁壓儀的工作壓力還不太高，測定深部土層的強(qiáng)度和變形參數(shù)還有些困難。2.5.3 靜力計(jì)算法 靜力計(jì)算法是依據(jù)土木參數(shù)采用常規(guī)的土力學(xué)原理以靜力分析方法估算單樁的極限承載力的常用方法，計(jì)算值比較保守，適用于初步設(shè)計(jì)和等級(jí)較低的建筑物樁基礎(chǔ)承載力的估算。2.5.4 有限元法 有限元法是一種具有強(qiáng)大的計(jì)算功能的數(shù)值分析法，它可以模擬樁土的整個(gè)破壞過程，具有精確度高等優(yōu)點(diǎn)，因而可以相應(yīng)地減少試樁數(shù)量，從而節(jié)約資金，但是由于樁土體系的復(fù)雜性，其龐大的解題規(guī)模是計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和軟件功能的一種挑戰(zhàn)。錢德玲9

56、利用有限元軟件GTS，以合肥地區(qū)灌注樁的靜載荷試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行了數(shù)值模擬，為確定單樁的極限承載力開辟了新的思路，同時(shí)對(duì)深刻理解樁土作用的機(jī)理也有重要意義。2.5.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法20世紀(jì)80年代以來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用得到了長足發(fā)展，它的大規(guī)模并行處理和分布式的信息存儲(chǔ)，良好的適應(yīng)性和自組織性，強(qiáng)大的學(xué)習(xí)功能和聯(lián)想及容錯(cuò)功能，為樁土間作用機(jī)理這一復(fù)雜問題的解決奠定了良好的研究基礎(chǔ)。馮紫良9采用BP前饋建立ANN模型，它可以包含樁的全部信息并形成一個(gè)廣義函數(shù)，從而在給定輸入（各影響參數(shù)值）的情況下能夠得到比較準(zhǔn)確的輸出（承載力）。2.6 保滄高速公路子牙新河特大橋樁基靜載荷試驗(yàn)2.6.1 工程概況保滄高速公路子牙新河特大橋位于保定至滄州公路滄州段5標(biāo)段，中心樁號(hào)K106+172.5，橋梁全長2671.5m，上部結(jié)構(gòu)為73×30m+25m+15×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌