樁板結(jié)構(gòu)受力及變形特性研究

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)濟的大動脈，2023年1月，國務(wù)院審議通過了我國鐵路史上第一個《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，擬定到2023年，我國鐵路營業(yè)里程將達成10萬km，其中客運專線1.2萬km;復(fù)線率和電氣化率均達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。高速鐵路是一個系統(tǒng)工程。列車與線路是互相依存、互相適應(yīng)的關(guān)系，列車是載體，線路是基礎(chǔ)。高速運營的列車規(guī)定線路具有高平順性、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重要組成部分。高速鐵路對軌道的平順性和穩(wěn)定性提出了更高的規(guī)定。與此相應(yīng)，高速鐵路路基除應(yīng)具有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基礎(chǔ)提出的性能規(guī)定。這些性能概括起來有以下幾點:1、足夠的剛度列車速度越高，就規(guī)定路基的剛度越大，彈性變形越小。當然，剛度也不能過大，過大了會使列車振動加大，也不能做到平穩(wěn)運營。2、穩(wěn)固、耐久、少維修規(guī)定路基在列車荷載的長期作用下，塑性累積變形小。3、高平順性不僅規(guī)定靜態(tài)條件下平順，并且還規(guī)定動態(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，重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設(shè)計、施工與普通鐵路的重要區(qū)別。路基工后沉降一般由三部分組成:①地基在軌道、路堤自重及列車動力作用下的壓密沉降;②路基填土(涉及基床與路堤本體)在自重作用下產(chǎn)生的壓密沉降:③基床表層在動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。通常采用地基解決來提高地基強度、剛度，減少沉降。高速鐵路建設(shè)中最為常見的特殊土路基涉及濕陷性黃土、軟土等。常規(guī)地基解決方式有換填法、強夯法、復(fù)合地基法、排水固結(jié)法等，前三者的解決深度或受限于解決原理，或受限于施工設(shè)備，解決深度一般不超過3Om，后者的解決時間較長，不能滿足當前建設(shè)規(guī)定。當碰到深厚軟弱地基時，傳統(tǒng)的設(shè)計方案是將路基方案改為橋梁方案，以橋代路。在挖方地段和站場，橋梁方案并不合用，并且橋梁結(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)計考慮的重要因素。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，在財力有限的前提下，迫切需要尋求一種強度高、剛度大、穩(wěn)定性和耐久性好，并且建筑成本適當、施工工藝簡樸的高速鐵路路基新型結(jié)構(gòu)?；谝陨弦蛩靥岢龅臉栋褰Y(jié)構(gòu)路基是高速鐵路的一種新路基結(jié)構(gòu)形式，它具有地基解決和路基結(jié)構(gòu)兩種功能，它由鋼筋混凝土的樁基、托梁、承臺板及土質(zhì)路基組成，樁板結(jié)構(gòu)路基的承臺板直接與軌道結(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，并且運用樁一土、板一土、梁一土之間的共同作用來提高結(jié)構(gòu)的強度和剛度滿足高速鐵路的沉降規(guī)定。樁板結(jié)構(gòu)路基一般采用鉆孔灌注樁，目前最大解決深度可達60m，解決深度大是相比于傳統(tǒng)地基解決的最大優(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)濟效益，有開展進一步進一步研究的巨大價值。傳統(tǒng)土路基的動力學研究開展較多，也進行了大量現(xiàn)場行車動態(tài)實驗。樁板結(jié)構(gòu)是一種新型路基結(jié)構(gòu)，動力學研究和動態(tài)實驗較少，實驗手段也單一。文獻[26]通過遂渝線樁板結(jié)構(gòu)路基大比例動態(tài)模型實驗，研究了樁基的荷載傳遞;文獻[27]針對鄭西客運專線某濕陷性黃土樁板結(jié)構(gòu)，通過模型實驗，綜合研究了樁板結(jié)構(gòu)靜動力特性;模型實驗受限于模型尺寸和邊界條件，得出的結(jié)果與工程實際尚有一定差距。文獻[5]測試了CRHZ行車時樁板結(jié)構(gòu)路基的動態(tài)響應(yīng)。高速鐵路必須考慮列車反復(fù)荷載作用下路基的疲勞特性，涉及強度疲勞失穩(wěn)和變形疲勞失穩(wěn)兩方面。土質(zhì)路基基床在反復(fù)荷載作用下會產(chǎn)生累積下沉，樁板結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的研究尚未見報道，需要進行現(xiàn)場激振實驗，研究樁板結(jié)構(gòu)動力響應(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、荷蘭等國家都發(fā)現(xiàn)該技術(shù)修建的道路。當高速鐵路開始采用無碎軌道技術(shù)之后，由于無柞軌道對工后沉降有極其嚴格的規(guī)定，在一些地質(zhì)條件較為惡劣的地段，常規(guī)地基解決工藝難以滿足規(guī)定，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稱優(yōu)越性能，我國工程技術(shù)人員獨立自主研發(fā)出多種結(jié)構(gòu)形式已應(yīng)用在多條客運專線上。德國紐倫堡一英戈爾施塔特線共修建“樁一板結(jié)構(gòu)”路基3.543km。新建線的北段地基由第四紀上層和下面的中侏羅紀初期土層組成，層厚為5~20m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。為了樁板路基盡也許均勻過渡到土質(zhì)路基，采用了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)計方對樁板結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)Rheda2023型無柞軌道進行優(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沼澤地區(qū)時有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實驗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)的地基解決措施。樁板結(jié)構(gòu)路基是高速鐵路無碎軌道一種新的路基結(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)路基重要合用范圍為己建路堤的補強加固，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11通過借鑒國內(nèi)外客運專線經(jīng)驗，提出建設(shè)客運專線時采用支承于樁基礎(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【12]從控制低矮路堤沉降和減少路堤動力影響的角度，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[13〕介紹了鄭西客運專線某站場工點地基存在較深的濕陷性黃土，對路基沉降控制提出嚴峻規(guī)定。作者提出一種新型地基解決方式—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)澆鋼筋混凝土承臺板構(gòu)成，承臺板上填筑0.7m厚級配碎石基床表層。上部承臺板厚0.6~0.8m，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7.0~9.om。埋入式無限長樁板結(jié)構(gòu)一聯(lián)長度可達100Om。1.2.2樁板結(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)進行了一定研究，涉及設(shè)計理論、數(shù)值分析、模型實驗和現(xiàn)場實驗。文獻[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)濟效益，與橋梁方案相比，低路堤情況可節(jié)省工程造價20%一40%，指出樁板結(jié)構(gòu)路基最適宜于新建客運專線鐵路工程地質(zhì)條件復(fù)雜的路塹和低路堤段。文獻[l5][18]提出將承載板當作連續(xù)梁解決，按影響線法計算活載作用的內(nèi)力，最終擬定板的翹曲變形能否滿足土質(zhì)路基上鋪設(shè)無碴軌道允許撓度及視覺高差的規(guī)定。文獻【16]探討了樁板結(jié)構(gòu)路基的設(shè)計理論，運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[l7]提出樁板結(jié)構(gòu)路基的極限狀態(tài)設(shè)計法。文獻〔13]將樁板結(jié)構(gòu)簡化為平面剛架，運用力法求解，并且編制了計算程序。文獻【19]分析了板、梁和樁對樁板結(jié)構(gòu)路基造價的影響，進行了不同跨度方案的比選。文獻[ll]分析了樁間距對樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，得出了最優(yōu)方案。文獻[21]以樁板結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計法為研究對象，對比了允許應(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「27]闡述了鄭西客運專線濕陷性黃土樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論。文獻[20]對豎向荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)進行有限元仿真分析，得到樁板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。文獻【22〕運用有限元軟件ANsys分析了諸多參數(shù)對樁板結(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【23』運用動力有限元分析了樁板結(jié)構(gòu)路基在地震波作用下的動力響應(yīng)，分析結(jié)果表白樁截面處的承載板受力最不利。文獻[10]建立樁板結(jié)構(gòu)路基整體有限元模型，涉及軌道、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力響應(yīng)。文獻【24〕[25]針對遂渝線樁板結(jié)構(gòu)路基某工點，進行離心模型實驗，研究了樁板結(jié)構(gòu)路基的沉降。文獻【26]通過遂渝線樁板結(jié)構(gòu)路基大比例動態(tài)模型實驗，研究了樁基的荷載傳遞。文獻「27]針對鄭西客運專線某濕陷性黃土樁板結(jié)構(gòu)，通過模型實驗，綜合研究了樁板結(jié)構(gòu)靜動力特性。文獻[5]測試了CRHZ行車時樁板結(jié)構(gòu)路基的動態(tài)響應(yīng)。1.2.3樁板結(jié)構(gòu)路基的特點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，并且這些結(jié)構(gòu)的名稱也各不相同。為了便于學術(shù)交流，本文嘗試給這類結(jié)構(gòu)下一個定義，這些結(jié)構(gòu)具有以下四個特性:①結(jié)構(gòu)的大部分構(gòu)件埋入地基或路基;②以鋼筋混凝土為材料;③以板一樁為荷載傳遞體系;④以控制沉降為重要目的;滿足以上四個特性的結(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因素;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:解決深度大，強度高，剛度大，工后沉降小，施工便捷快速。缺陷:造價高，不易維修，抗裂性差。合用范圍: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，可以分為地基解決式和路基結(jié)構(gòu)式，通常地基解決式的樁板結(jié)構(gòu)埋入路基下，設(shè)計有土質(zhì)基床，這類樁板結(jié)構(gòu)路基受列車動力影響較小;路基結(jié)構(gòu)式兼有地基解決和路基結(jié)構(gòu)兩種功能，樁板結(jié)構(gòu)的板承擔了基床的功能。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)，特別對溫度變化敏感。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，通常樁板結(jié)構(gòu)為超靜定式。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。由于列車荷載的動力作用，雙線式樁板結(jié)構(gòu)中也許產(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。從板的力學特性，可分為單向板式和雙向板式。樁基點支承的板在兩個方向上受彎，按雙向板分析。有托梁對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)立有一樁基支承托梁，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【27]進行了樁板結(jié)構(gòu)路基大比例模型破壞實驗，加載位置為跨中截面，當加載6t時，承臺板開始進入破壞階段，當加載達成7t時，承臺板跨中下表面開始出現(xiàn)肉眼可辨認的裂縫，實驗結(jié)束后，取出模型，承臺板跨中截面上側(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。測試過程表白，托梁鋼筋進入屈服階段。承臺板破壞時，樁基未達成破壞狀態(tài)。樁板結(jié)構(gòu)路基的破壞標準為承臺板跨中截面、托梁支座截面破壞，達成承載力極限狀態(tài)，屬于適筋梁破壞。1.2.6樁板結(jié)構(gòu)路基的結(jié)構(gòu)分析與力學模型結(jié)構(gòu)計算簡圖是進行結(jié)構(gòu)計算時用以代表實際結(jié)構(gòu)的通過簡化的模型。選擇計算簡圖的原則是:(l)反映實際結(jié)構(gòu)的工作性能;(2)便于計算。選取計算簡圖時，必須分清主次，抓住本質(zhì)和主流，略去不重要的細節(jié)。計算簡圖的選擇是力學計算的基礎(chǔ)，極為重要。計算簡圖一經(jīng)擬定，就需采用適當構(gòu)造措施使實際結(jié)構(gòu)盡量符合簡圖的特點。因此，選定符合實際結(jié)構(gòu)的計算簡圖和在構(gòu)造上采用措施保證其簡圖特點的實現(xiàn)，是一個問題的兩個方面，必須統(tǒng)籌考慮。1.2.6.1構(gòu)件的力學特點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)計的基礎(chǔ)。下面介紹重要構(gòu)件的受力特點。承臺板，承受軌道靜荷載和列車動荷載。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)體系的簡化承臺板和樁基剛接接，構(gòu)成線路縱向方向上的剛架，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)事實上是空間剛架結(jié)構(gòu)，直接分析較為困難，為了簡化計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)計算。承臺板和托梁有類似主次梁的支承關(guān)系，板、梁、樁構(gòu)成一個交叉體系。一方面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;再選擇計算兩個平面，得到縱向體系和橫向體系。如圖1.2一23，建立空間坐標系來分析樁板結(jié)構(gòu)。線路縱向為X軸，橫向為Y軸，地基豎向為Z軸，以重力方向為正，整個坐標系符合右手定則。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。豎向荷載的傳遞途徑從上至下，承臺板傳遞至托梁，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板中，邊跨支承允許承臺板有微小橫縱向位移，故認為橫縱向荷載由板、梁傳遞至中跨四樁。樁板結(jié)構(gòu)是空間超靜定結(jié)構(gòu)，必須通過簡化后才干用解析法分析。承臺板為對邊支承，可以看做連續(xù)單向板，重要發(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，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。目前在列車荷載累計作用下，承臺板與地基土是否會脫開尚無實驗資料，計算中不考慮地基對承臺板和托梁的反力。以上荷載傳遞和結(jié)構(gòu)變形的分析表白，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，當豎向力和彎矩作用時，縱向撓度為零，則縱向分析時忽略托梁，只分析承臺板和樁組合的剛架。邊跨支承簡化為活動鉸支座。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)按彈性理論計算(可不計法向力及剪力對變形的影響)，同時應(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。樁板結(jié)構(gòu)采用允許應(yīng)力法設(shè)計計算強度時，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。對樁板結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)進行正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力驗算。在列車豎向靜活載作用下，承臺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。無柞軌道承臺板板縫兩側(cè)鋼軌支承點間的相對豎向位移不應(yīng)大于1mm；對于設(shè)有縱向坡度的承臺板，還應(yīng)考慮由于活動支座縱向水平位移引起的板縫兩側(cè)鋼軌支承點間的相對豎向位移。應(yīng)進行單樁豎向承載力驗算和樁基沉降分析，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)路基的荷載鐵路網(wǎng)中客貨列車共線運營，旅客列車設(shè)計時速等于或小于160km、貨品列車時速等于或小于120km，列車豎向活載必須采用中華人民共和國鐵路標準荷載，即“中一活載”，見圖1.2一26一1.2一28。設(shè)計時速200~250km和300~350km客運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際運營經(jīng)驗的樁板結(jié)構(gòu)路基軌道結(jié)構(gòu)形式重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，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工上都可以借鑒橋梁工程、混凝土工程和有碴軌道積累的經(jīng)驗，使之具有對橋上、隧道內(nèi)、路基上、道岔區(qū)等具有廣泛的合用性。其最大缺陷是可修復(fù)性差，同時在橋上和單線隧道內(nèi)鋪設(shè)時，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、施工機械化限度高、施工進度快和可修復(fù)性好等特點，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，對路基不均勻沉降適應(yīng)性差，假如在路基上使用，需要增強其縱向連續(xù)性。1.3樁板結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢、合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)濟優(yōu)勢由樁板結(jié)構(gòu)路基的結(jié)構(gòu)力學特點可知，這種結(jié)構(gòu)第一個優(yōu)點就是具有整體性強、穩(wěn)定性好，堅固耐用，軌道變形小，且變形累積緩慢等優(yōu)點，有助于高速行車，可大大減少養(yǎng)護維修工作量、減少作業(yè)強度和改善作業(yè)條件。第二，樁板結(jié)構(gòu)路基在構(gòu)造上十分機動靈活，適應(yīng)性強。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)計施工并不增長多少困難。下部樁基礎(chǔ)可以結(jié)合本地條件合理布置。第三，施工方便。由于承載板是實心板，外形簡樸，并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)點是:設(shè)計省事，無論什么特殊的平面形狀都只但是是用板單元下面布設(shè)一些固結(jié)或簡支的支承點來進行數(shù)值分析，并且混凝土為實心雙向布筋，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)立伸縮縫。第六，與普通路基結(jié)構(gòu)相比，由于板下是樁基礎(chǔ)，對路基填料規(guī)定不高，可以就地取材，且沉降相對小而快，工后沉降較易控制，可縮短工期，相對加快工程進度。1.3.2樁板結(jié)構(gòu)路基的合用場合根據(jù)目前的實踐經(jīng)驗，樁板結(jié)構(gòu)路基重要合用范圍為:已建路堤的補強加固、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)濟優(yōu)越性，是宜于推廣的新型無碴軌道路基結(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，但是投資分析自身就是一個比較復(fù)雜的問題。通過對遂渝線樁板結(jié)構(gòu)與橋進行經(jīng)濟比較，得出在相同縱向長度范圍內(nèi)，樁板結(jié)構(gòu)路基造價僅為橋梁結(jié)構(gòu)造價的一半，有著良好的經(jīng)濟效益。一般要能控制其初期投資在橋梁以下，相對于其他無碴軌道路基，略高或相差不大，相對于有碴軌道來說，按結(jié)構(gòu)生命周期60年計算，一般能在ro一2023實現(xiàn)收支平衡，樁板結(jié)構(gòu)路基便具有良好的經(jīng)濟效益。(2)實測資料的缺少由于對樁板結(jié)構(gòu)路基的研究才剛起步，對深厚軟層地區(qū)及特殊土地區(qū)的設(shè)計缺少有科學依據(jù)的設(shè)計參數(shù)，對樁板結(jié)構(gòu)加固的抗震、抗液化理論方面有待進一步的研究。(3)噪音問題一般無碴軌道剛度較大，彈性較差，增長了輪軌的振動及輻射噪聲。無碴軌道的混凝土構(gòu)件形成了較強的聲反射剛性表面，加強了噪聲的混響作用和噪聲向兩側(cè)的輻射，使噪聲強度增大。由于上述兩者結(jié)構(gòu)特性的影響，一般無碴軌道線路的噪聲和振動都大于有碴軌道，噪聲約高5dB左右。而對于同一種軌道結(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，所以控制噪音是此后的一個研究重點。(4)軌道彈性問題樁板結(jié)構(gòu)路基的彈性重要由扣件及軌下橡膠墊板提供，橡膠墊板可以增長軌道的整體彈性，減少輪軌作用向板下的傳遞，起到隔振的作用;在扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用和技術(shù)標準上嚴格規(guī)定，實現(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現(xiàn)，當發(fā)生較大變化時，調(diào)整十分困難，特別是鋼筋混凝土承載板，達成承載強度極限時將產(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擬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、承載力時間效應(yīng)及負摩阻力等。單樁豎向承載力涉及地基對樁的支撐能力和樁的結(jié)構(gòu)強度所允許的最大軸向荷載兩個方面的含義，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成極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強度具有較大的安全度，本文將在此前提下進行分析討論。單樁豎向承載力分為樁端阻力和樁側(cè)摩阻力，前者重要受到樁的設(shè)立方法、土的種類、樁的入土深度、制樁材料、樁土間的相對位移、成樁后的時間等因素影響，后者重要受樁進入持力層的深度、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，通過實驗來擬定樁的承載力，涉及靜載荷實驗法、動力測試法、原位測試法等；另一類是間接法，涉及靜力計算法、規(guī)范經(jīng)驗參數(shù)法、有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。2.1靜載實驗法擬定單樁豎向受壓承載力垂直靜載實驗法即在樁頂逐級施壓軸向荷載，直至樁頂達成破壞為止，并在實驗過程中測量每級荷載下不同時間的樁頂沉降，根據(jù)沉降與荷載及時間的關(guān)系，分析擬定單樁軸向允許承載力。試樁可在已打好的工程樁中選定，也可專門設(shè)立與工程樁相同的實驗樁?？紤]到實驗場地的差異及實驗的離散性，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)計相同。2.1.1實驗裝置實驗裝置重要由加載系統(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上堆放重物，一般為鋼錠或砂包，也有在荷載平臺上置放水箱，向水箱中沖水作為荷載。堆載法合用于極限承載力較小的樁。錨樁法是在試樁周邊布置4～6根錨樁，常運用工程群樁。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），以減小錨樁對試樁承載力的影響。觀測系統(tǒng)重要對樁頂位移和加載數(shù)值進行觀測，位移通過安裝在基準梁上的位移計或百分表量測，加載數(shù)值通過油壓表或壓力傳感器觀測。每根基準梁固定在兩個無位移影響的支點或基準點上，支點或基準點與試樁中心距應(yīng)大于4且不小于2m（為試樁直徑或邊長）。錨樁法的優(yōu)點是適應(yīng)范圍廣，當試樁極限承載力較大時，加荷系統(tǒng)相對簡樸。但錨樁一般須事先擬定，由于錨樁一般需要通長配筋，且配筋總抗拉強度要大于其承擔的上拔力的1.4倍。2.1.2實驗方法試樁加載應(yīng)分級進行，每級荷載約為預(yù)估破壞荷載的1/10～1/15；有時也采用遞變加載方法，開始階段每級荷載取預(yù)估破壞荷載的1/2.5～1/5，終了階段取1/10～1/15。測讀沉降時間，在每級加載后的第一小時內(nèi)，在5、10、15、30、45、60時各測讀一次，以后每隔30測讀一次，直至沉降穩(wěn)定為止。沉降穩(wěn)定的標準，通常規(guī)定為對砂性土為30內(nèi)沉降不超過0.1mm，對粘性土為1內(nèi)不超過0.1mm。待沉降穩(wěn)定后，方可施加下一級荷載。循環(huán)加載觀測，直到樁達成破壞狀態(tài)，終止實驗。當出現(xiàn)下列情況之一時，可終止加載：a．某級荷載作用下，樁的沉降量為前一級荷載作用下沉降量的5倍；b．某級荷載作用下，樁的沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24小時尚未達成穩(wěn)定；c．樁頂加載已達成設(shè)計規(guī)定的最大加載量；d．異常情況經(jīng)委托方或設(shè)計方批準終止實驗。終止加載后進行卸載，每級基本卸載量按每級加載量的2倍控制，并按15、30、60測讀回彈量，然后進行下一級的卸載。所有卸載后，隔3～4再測回彈量一次。2.1.3極限荷載和軸向允許承載力的擬定破壞荷載求得以后，可將其前一級荷載作為極限荷載，從而擬定單樁軸向允許承載力：=式中：——單樁軸向受壓允許承載力（kN）；——試樁的極限荷載（kN）；——安全系數(shù)，一般為2。事實上，在破壞荷載下，處在不同土層中的樁，其沉降量及沉降速率是不同的，人為地統(tǒng)一規(guī)定某沉降值或沉降速率作為破壞標準，難以對的評價基樁的極限承載力。因此，宜根據(jù)試樁曲線采用多種方法分析，以綜合評估基樁的極限承載力。(1)-曲線明顯轉(zhuǎn)折點法在-曲線上，以曲線出現(xiàn)明顯下彎轉(zhuǎn)折點所相應(yīng)的荷載作為極限荷載。由于當荷載超過該荷載后，樁底下土體達成破壞階段發(fā)生大量塑性變形，引發(fā)樁發(fā)生較大或較長時間仍不斷滯的沉降，所以在-曲線上呈現(xiàn)出明顯的下彎轉(zhuǎn)折點。然而，若-曲線轉(zhuǎn)折點不明顯，則極限荷載難以擬定，需借助其它方法輔助擬定，例如用對數(shù)坐標繪制曲線，也許使轉(zhuǎn)折點顯得明顯些。(2)法（沉降速率法）該方法是根據(jù)沉降隨時間的變化特性來擬定極限荷載，大量試樁資料分析表白，樁在破壞荷載以前的每級下沉量（）與時間（）的對數(shù)成線性關(guān)系，可用公式表達為：=直線的斜率在某種限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長而增大，越大則樁的沉降速率越大。當樁頂荷載繼續(xù)增大時，如發(fā)現(xiàn)繪得的線不是直線而是折線時，則說明在該級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€的那一級荷載定位該樁的破壞荷載，其前一級荷載即為樁的極限荷載。2.1.4從成樁到開始實驗的時間間歇對灌注樁應(yīng)滿足混凝土養(yǎng)護所需的時間，一般宜為成樁后28天。對預(yù)制樁，盡管施工時樁身強度已達成設(shè)計規(guī)定，但由于單樁承載力時間效應(yīng)，試樁時間也應(yīng)當距沉樁時間有盡也許長的休止期，否則實驗得到的單樁承載力明顯偏小。一般規(guī)定，對于砂性土，不應(yīng)小于10天；對于粉土和粘性土，不應(yīng)小于15天；對于淤泥或淤泥質(zhì)土，不應(yīng)小于25天。2.1.5小結(jié)采用靜載實驗法擬定單樁允許承載力直觀可靠，但費時、費力，通常只在大型重要工程或地基較復(fù)雜的樁基工程中進行實驗。配合其它測試設(shè)備，也能直接了解樁的荷載傳遞特性，提供有關(guān)資料，因此靜載實驗法是樁基礎(chǔ)研究分析最常用的方法。李建強、張季超[1]對樁基靜載實驗中存在的一些技術(shù)問題進行了闡述，并結(jié)合實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，它是一種新的靜載實驗方法，避免了傳統(tǒng)靜載荷實驗的很多缺陷，應(yīng)用前景廣闊，特別適合超長樁體檢測。2.2規(guī)范法擬定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間的經(jīng)驗關(guān)系，從而預(yù)估單樁承載力的規(guī)范經(jīng)驗法是一種沿用數(shù)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，使這種方法合用于各類型的樁，并用極限設(shè)計的形式表達。根據(jù)靜力平衡條件可得：=+式中：——單樁豎向極限承載力標準值，kN；——單樁總極限側(cè)阻力標準值，kN；——單樁總極限端阻力標準值，kN。為了便于計算，經(jīng)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)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，而擬定承載力標準值公式。《樁基規(guī)范》針對不同的常用樁型，推薦了不同的估算表達式。（1）一般預(yù)制樁及灌注樁：=+式中，、分別為樁側(cè)第層土的極限側(cè)阻力標準值和極限端阻力標準值（kPa），其余符號意義同前。（2）大直徑樁對于直徑大于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)重要發(fā)生在砂、碎石類土中，這是由于大直徑樁一般為鉆、挖、沖空灌注樁，在無粘性土成空過程中將會出現(xiàn)孔壁土的松弛效應(yīng)，從而導(dǎo)致側(cè)阻力減少?？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，這重要是由于大直徑樁，特別是擴底樁，其靜載實驗的—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)計算沉降的彈性力學公式可知，當變形相同時，樁端承載力與樁徑成反比，事實上由于樁端荷載不是作用于地基表面而是作用于地基內(nèi)部，因此與并不是簡樸的反比關(guān)系?！稑痘?guī)范》推薦用下式計算大直徑單樁豎向極限承載力標準值，即：=+式中：——樁側(cè)第層土的極限側(cè)阻力標準值，kPa；——樁徑為0.8m時的極限端阻力標準值，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。過去對這些樁都是按純端承樁計算承載力的，近十數(shù)年的模型與原型實驗研究都表白：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。此外，嵌巖深度內(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長而遞減，當嵌巖深度達成5倍樁徑時，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，超過某一界線并無助于提高豎向承載力。因此嵌巖樁單樁極限承載力標準值由樁周土總側(cè)阻力、嵌巖段總側(cè)阻力和總端阻力三部分組成，并可按下式計算：=++===式中：——覆蓋層第層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，當樁的長徑比不大（/d＜30），樁端置于新鮮或微風化硬質(zhì)巖中，且樁底無沉渣時，對于粘性土、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)阻力標準值，kPa；——巖石飽和單軸抗壓強度，kPa；——樁身嵌巖（中檔風化、微風化、新鮮基巖）深度，m；超過5d時，取=5d，當巖層表面傾斜時，以坡下方的嵌巖深度為準；、——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/d00.51234≥5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注當嵌巖段為中檔風化時，表中數(shù)值乘以0.9折減。規(guī)范經(jīng)驗法計算簡便，且花費費用較小，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。一般合用于初步設(shè)計階段和非重要工程，或與其他方法綜合使用，比如徐新躍[3]用貝葉斯方法將試樁法和經(jīng)驗法結(jié)合，大大提高了計算精度。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)驗知識的方法，并將其成功的用于樁基承載力的分析與評價。結(jié)果表白，在運用經(jīng)驗知識方面，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，該方法還具有簡樸、方便和實用等優(yōu)點。2.3單樁豎向抗拔承載力的擬定樁基礎(chǔ)承受上拔力的結(jié)構(gòu)類型較多，重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，對樁豎向上拔荷載傳遞機理的結(jié)識還很不充足，其設(shè)計計算方法也很不成熟，因而需加深對影響單樁抗拔承載力因素的研究。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，重要涉及以下幾方面：（1）樁的幾何特性，如樁長、樁斷面形狀及尺寸、樁端擴底情況等；（2）樁的施工方法，不同的施工方法對地基的影響不同，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、樁身強度等；（4）樁側(cè)土特性，如土的類型、軟硬或密實限度以及土層層位關(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擬定單樁抗拔承載力的重要方法一般來講，樁在承受上拔荷載后，其抗力可來自三個方面，樁側(cè)向的摩擦力、樁重以及有擴大端頭的樁端阻力。其中對直樁來講，樁側(cè)摩阻力是最重要的。由于除樁重以外，對其他兩部分阻力的發(fā)揮機理和估算方法研究得還不夠，故以抗拔靜載實驗擬定單樁抗拔承載力是最重要而可靠的方法，因而重要工程均應(yīng)進行現(xiàn)場抗拔實驗。對次要工程或無條件進行抗拔實驗時，實用上可按經(jīng)驗格式估算單樁抗拔承載力。（1）單樁抗拔靜載實驗單樁抗拔靜載實驗的設(shè)備與抗壓實驗相似，加載分級、讀數(shù)時間及穩(wěn)定標準一般可參照抗壓實驗慢速法進行，但實驗應(yīng)進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)折點相應(yīng)的荷載。取安全系數(shù)2，可擬定出單樁抗拔承載力特性值。（2）經(jīng)驗公式法由于單樁抗拔荷傳遞機理的研究還不充足，一般經(jīng)驗公式多按承壓樁摩阻力值打折扣并適當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0.8～1.0。單樁抗拔承載力的特性值可為：=/式中：——單樁抗拔承載力特性值，kN；——抗拔安全系數(shù)，一般可取2.0～3.0。上式只合用于無擴底的獨立單樁，對有擴底的樁，其估算方法較復(fù)雜，參見文獻[5]。表3我國有關(guān)行業(yè)部門經(jīng)驗值行業(yè)、部門抗拔系數(shù)鐵路、公路0.6港口、電業(yè)0.6～0.8工業(yè)與民用建筑0.5～0.92.4單樁豎向負摩阻力的擬定2.4.1負摩阻力產(chǎn)生的因素在一般情況下，樁受軸向荷載作用后，樁相對于樁側(cè)土體作向下位移，使土對樁產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱為正摩阻力。但是，當樁周土體因某種因素發(fā)生下沉，其沉降速率大于樁的下沉時，則樁側(cè)土體就相對于樁作向下位移，而使土對樁產(chǎn)生向下作用的摩阻力，即稱為負摩阻力。樁的負摩阻力的發(fā)生將使樁側(cè)土的部分重力傳遞給樁，因此，負摩阻力不僅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，對入土深度相同的樁來說，若有負摩阻力發(fā)生，則樁的外荷載增大，樁的承載力相對減少，樁基沉降加大，這在樁基設(shè)計中應(yīng)予以注意。樁的負摩阻力能否產(chǎn)生，重要看樁與樁周土的相對位移發(fā)展情況。樁的負摩阻力產(chǎn)生的因素有：（1）在樁基礎(chǔ)地面附近有大面積堆載，引起地面沉降，對樁產(chǎn)生負摩阻力，對于橋臺路堤高填土的橋臺樁基礎(chǔ)、地坪大面積堆放重物的車間、倉庫建筑樁基礎(chǔ)，均要特別注意負摩阻力問題；（2）土層中抽取地下水或其他因素使地下水位下降，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，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，當樁穿過軟弱高壓縮性土層而支撐在堅硬的持力層上時，最易發(fā)生樁的負摩阻力問題。要擬定樁身負摩阻力的大小，就要先擬定土層產(chǎn)生負摩阻力的范圍和負摩阻力強度的大小。2.4.2中性點及其位置的擬定樁身負摩阻力并不一定發(fā)生于整個軟弱壓縮性土層中，產(chǎn)生負摩阻力的范圍就是樁側(cè)土層對樁產(chǎn)生相對下沉的范圍。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?。欢鴺对诤奢d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)下沉量有也許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、負摩阻力變換處的位置，即稱中性點。中性點的位置取決于樁與樁側(cè)土的相對位移，與作用荷載和樁周土的性質(zhì)有關(guān)。當樁側(cè)土層壓縮變形大，樁底下土層堅硬，樁的下沉量小時，中性點位置就會下移。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，其變形深度會不同樣，中性點位置隨著時間也會有變化。要精確地計算出中性點的位置是比較麻煩和困難的，目前可按表4的經(jīng)驗值擬定。表4中性點深度持力層性質(zhì)粘性土、粉土中密以上砂礫石、卵石基巖中性點深度比/0.5～0.60.7～0.80.91.0注：1.、分別為中性點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，按表列值增大10%（持力層為基巖除外）。2.4.3負摩阻力的計算一般認為，樁土間的粘著力和樁的負摩阻力強度取決于土的抗剪強度；樁的負摩阻力雖有時效，但從安全考慮，可取用其最大值以土的強度來計算。單樁負摩阻力標準值的計算公式為：==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)；——計算處樁土界面的內(nèi)摩擦角；——樁周土負摩阻力系數(shù)，可按表5取值。求得負摩阻力強度后，將其乘以產(chǎn)生負摩阻力深度范圍內(nèi)樁身表面積，則可得到作用于樁身總的負摩阻力。表5負摩阻力系數(shù)土類土類飽和軟土粘性土、粉土0.15～0.250.25～0.40砂土自重濕陷性黃土0.35～0.500.20～0.35注：1.在同一類土中，對于打入樁或沉管灌注樁，取表中較大值，對于灌注樁，取表中較小值。2.填土按其組成取表中同類土的較大值。3.當計算值大于正摩阻力時，取正摩阻力值。2.5其他方法簡介2.5.1動力測試法動力測試法是根據(jù)樁體被激振以后的動力響應(yīng)特性來估計單樁承載力的一種間接方法，涉及打樁公式和動測法。打樁公式只能近似地估算單樁承載力。動測法具有快速、直接、簡便、價廉等突出優(yōu)點，故獲得廣泛應(yīng)用，方法亦多種多樣。趙柏冬[6]研究了一種新的動測法，即采用炮筒內(nèi)放入火藥為動力，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)省工時物料、實驗費用低廉等特點而受到基礎(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)，提出了運用樁尖反射信號判斷樁基承載力的方法，實用價值很高。2.5.2原位測試法原位測試法通過對樁位土的物理力學性能的實驗，求得樁位上的阻力，通過公式推算樁的極限承載力。它相對靜載荷實驗法比較經(jīng)濟，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實驗、動力觸探實驗和旁壓實驗三種。靜力觸探實驗高效、簡便、易行。我國從20世紀70年代正式將其列入《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》。動力觸探重要分為標準貫入與圓錐動力兩大類，標準貫入實驗在國內(nèi)外應(yīng)用均很廣泛，圓錐動力觸探可以連續(xù)貫入，操作簡便迅速。徐國希[8]對標準貫入實驗提出了一些改善方法，比如PDllGRI樁基動力公司提出的一種改善的標準貫入實驗，與靜力觸探的方法結(jié)合起來，用靜力下壓和上拔及扭轉(zhuǎn)實驗來測量土阻力以改善測量精度，達成一定的改善目的。旁壓實驗始創(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，測定深部土層的強度和變形參數(shù)尚有些困難。2.5.3靜力計算法靜力計算法是依據(jù)土木參數(shù)采用常規(guī)的土力學原理以靜力分析方法估算單樁的極限承載力的常用方法，計算值比較保守，合用于初步設(shè)計和等級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大的計算功能的數(shù)值分析法，它可以模擬樁土的整個破壞過程，具有精確度高等優(yōu)點，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)模是計算機運算能力和軟件功能的一種挑戰(zhàn)。錢德玲[9]運用有限元軟件GTS，以合肥地區(qū)灌注樁的靜載荷實驗為基礎(chǔ)進行了數(shù)值模擬，為擬定單樁的極限承載力開辟了新的思緒，同時對深刻理解樁土作用的機理也有重要意義。2.5.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法20世紀80年代以來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工程實踐中的應(yīng)用得到了長足發(fā)展，它的大規(guī)模并行解決和分布式的信息存儲，良好的適應(yīng)性和自組織性，強大的學習功能和聯(lián)想及容錯功能，為樁土間作用機理這一復(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，它可以包含樁的所有信息并形成一個廣義函數(shù)，從而在給定輸入（各影響參數(shù)值）的情況下可以得到比較準確的輸出（承載力）。2.6保滄高速公路子牙新河特大橋樁基靜載荷實驗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標段，中心樁號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，鉆孔灌注樁基。共設(shè)計鉆孔灌注樁368根，樁長40m（橋臺樁）、60m（橋墩樁），樁徑1.5m，樁身混凝土強度C25。根據(jù)技術(shù)規(guī)定按橋臺類型做一根單樁豎向抗壓靜載實驗，驗證單樁豎向抗壓承載力是否滿足設(shè)計規(guī)定。本次實驗試樁樁長40m、樁徑1.5m，樁身混凝土強度C25，設(shè)計承載力特性值為3900KN，試樁位置位于0#橋臺。0#橋臺工程樁做錨樁，錨樁樁長55m，樁徑1.5m，樁身混凝土強度C25。地貌單元為沖積平原，地形基本平坦，地下水位埋藏深度在5.0～5.6m。地層重要為Q4沖積形成的粉砂、亞粘土、粘土、亞砂土等。該場區(qū)分布有軟弱土，為不良地質(zhì)體，設(shè)計施工時需對該層土進行地基解決，無其它不良現(xiàn)象。2.6.2實驗設(shè)備實驗設(shè)備重要涉及：1、反力裝置JZ1500型錨樁鋼梁反力架裝置1套（主梁9米、副梁8米）。2、加荷及觀測系統(tǒng)加荷裝置：液壓油缸（QW320）四臺，并聯(lián)使用；超高壓油泵1套。荷載及沉降觀測系統(tǒng)：RS—JYB全自動靜力載荷實驗儀1套。2.6.3實驗方法采用慢速維持荷載法，逐級施加荷載，每級荷載達成相對穩(wěn)定后加下一級荷載，最大加載至設(shè)計單樁承載力特性值的2倍（即7800KN），然后分級卸載到零。具體作法參照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范JGJ106—2023》及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范JGJ94—94》有關(guān)規(guī)定制定。1、加載與沉降觀測①、加荷分級：按最終加載量的1／10分級加荷載，第一級按2倍分級荷載加荷，加荷采用超高壓油泵驅(qū)動油壓千斤頂，壓力值由RS—JYB測試儀自動測試。②、沉降觀測：每級加荷后間隔5、10、15分鐘各測讀一次，以后每隔15分鐘測讀一次，累計一小時后，每隔30分鐘觀測一次，沉降量觀測采用對稱安裝在實驗樁周邊的四塊50mm行程電子位移計測定，每次觀測值由RS—JYB測試儀自動存入計算機。③、沉降相對穩(wěn)定標準：每小時的沉降量不超過0.1mm且連續(xù)出現(xiàn)兩次（由1.5小時內(nèi)連續(xù)三次觀測值計算），則認為已經(jīng)達成相對穩(wěn)定，此時可對試樁樁身應(yīng)力進行觀測記錄，完畢后可以施加下一級荷載。④、終止加載條件當出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：a．某級荷載作用下，樁的沉降量為前一級荷載作用下沉降量的5倍；b．某級荷載作用下，樁的沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24小時尚未達成穩(wěn)定；c．最大載荷已達成最大加載量，對該工程為設(shè)計荷載值的2倍（7800KN）；d．異常情況經(jīng)委托方或設(shè)計方批準終止實驗。2、卸載與觀測卸載的每級荷載為加載分級的2倍，每級卸載后隔15分鐘觀測一次殘余沉降，讀兩次后，隔半小時再讀一次，即可卸下一級荷載，所有卸載后隔3—4小時再測讀一次。2.6.4實驗資料整理與分析1、實驗資料整理通過對實驗樁的測試數(shù)據(jù)進行整理、計算，繪制成單樁豎向靜載荷實驗匯總表（表6）和單樁豎向靜載荷實驗測試曲線（圖1、圖2、圖3）。2、實驗數(shù)據(jù)分析本次加載終止條件滿足上述c款，加載至最大加載量7800kN（設(shè)計承載力特性值的2倍）時，相應(yīng)的最終沉降量為33.14mm（小于規(guī)范限定的40mm），未出現(xiàn)極限狀態(tài)。因此，可取最大加載量7800kN作為該樁的極限承載力，該實驗樁單樁豎向抗壓承載力特性值Ra可取極限承載力的一半，為3900kN，且從曲線形態(tài)分析，Q—S曲線出現(xiàn)第一拐點相應(yīng)的加載量為3900kN，綜合以上分析，該實驗樁單樁豎向抗壓承載力特性值Ra可取3900kN。2.6.5小結(jié)經(jīng)實驗驗證，該樁的單樁豎向抗壓承載力特性值滿足3900kN的規(guī)定。實驗檢測時間為3天（2023.12.13—2023.12.15），費用為八萬余元，抽檢數(shù)量為1根，抽檢率為0.27%，很明顯，靜載荷實驗法具有檢測費用大、時間長、抽檢數(shù)量有限、缺少代表性等缺陷。2.7結(jié)論本文重點介紹了擬定灌注樁單樁受壓承載力、抗拔承載力、負摩阻力的靜載實驗法和規(guī)范經(jīng)驗法，并以保滄高速公路子牙新河特大橋樁基靜載荷實驗為例進行了說明，還簡要介紹了其它幾種常用方法。每一種方法都存在這樣或那樣的局限性，都有一定的合用范圍和注意事項，假如忽略計算的局限性，勢必導(dǎo)致安全隱患或經(jīng)濟損失。在進行實際設(shè)計和施工時，應(yīng)根據(jù)建筑物的類型、級別、場地環(huán)境選擇合適的一種或幾種方法來使用，并不斷的積累、摸索，不斷的改善創(chuàng)新，如王華等[11]結(jié)合天津的實際狀況，通過經(jīng)驗參數(shù)法估算鉆孔灌注樁單樁豎向承載力與靜載荷試樁結(jié)果對比分析，提出了對特殊土層及按深度對樁基參數(shù)修正的方法，只有這樣才干促進樁基理論的長遠發(fā)展。通過本文，希望為相關(guān)設(shè)計人員提供一些故意的建議。表6單樁豎向靜載實驗匯總表工程名稱：保滄高速公路子牙新河特大橋試樁試樁樁號：1測試日期：2023—12—13樁長：40m樁徑：1.5m序號荷載（kN）歷時（min）沉降（min）本級累計本級累計00000.000.00115601201200.050.05223401202400.190.24331201203600.260.50439001204800.470.97546802106903.704.67654602109005.7610.437624021011106.9217.358702021013206.9924.349780024015608.8033.14106240601620-0.4832.66114680601680-0.7131.95123120601740-1.5330.42131560601800-1.9828.441402402040-3.3925.05最大沉降量：33.14mm最大回彈量：8.09mm回彈率：24.41%圖1單樁豎向靜載荷-曲線圖2單樁豎向靜載荷s-曲線圖3單樁豎向靜載荷s-曲線3樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容重要涉及結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、配筋設(shè)計以及施工圖設(shè)計四部分。具體設(shè)計內(nèi)容如下:3.2設(shè)計原則鄭西客運專線樁板結(jié)構(gòu)為樁、托梁、承臺板組合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要依據(jù)使用規(guī)定并結(jié)合現(xiàn)有的施工條件以及經(jīng)濟因素合理的選擇設(shè)計參數(shù)。本文進行樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計時遵循了下述幾方面的原則:a.安全，設(shè)計的樁板結(jié)構(gòu)在強度、穩(wěn)定、耐久性方面應(yīng)有足夠的安全儲備;b.合用，樁板結(jié)構(gòu)在通過設(shè)計荷載時不能出現(xiàn)大的變形和過寬的裂縫寬度;c.經(jīng)濟，遵循方便施工的原則，設(shè)計中考慮耗材少、維修的方便和維修費用少，維修時盡也許不中斷交通，或中斷交通時間最短。3.3設(shè)計荷載樁板結(jié)構(gòu)計算工作中重要涉及三個部分:擬定結(jié)構(gòu)計算模型、選定荷載和結(jié)構(gòu)分析計算。其中荷載的種類、形式和大小選擇是否恰當，關(guān)系到樁板結(jié)構(gòu)的安全使用。樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載在時間上可分為永久荷載(恒載)和可變荷載(列車活載、溫度荷載等)，在空間上可分為豎向荷載(結(jié)構(gòu)自重、列車活載)和水平荷載(離心力、搖擺力，扣件阻力等)。3.3.1豎向荷載豎向荷載重要涉及恒載與可變荷載。恒載是指作用位置和大小、方向不變的荷載。作用在承臺板上的恒載重要是承臺板自身的重力及附屬軌道結(jié)構(gòu)外加重力;作用在托梁上的荷載重要是托梁自重以及承臺板上乘結(jié)構(gòu)傳遞下來的靜載;作用在樁上的荷載重要上部托梁結(jié)構(gòu)的恒載作用力、樁自身自重、土壓力以及正負摩阻力?？勺兒奢d重要是列車活載，鄭西客運專線設(shè)計活載采用ZK一活載，活載形式見下圖。考慮列車活載作用進行計算時需乘以動力系數(shù)，動力系數(shù)仁9]按下式計算：動力系數(shù):計算剪力時:計算彎矩時:3.3.2水平荷載水平荷載可按橫向、縱向分開考慮。橫向重要涉及列車搖擺力、離心力、混凝土收縮徐變影響;縱向重要涉及長鋼軌縱向水平撓曲力、牽引力或制動力以及收縮徐變影響力等溫度荷載也是水平荷載。3.3.2.1橫向1)離心力樁板結(jié)構(gòu)在曲線上時，應(yīng)考慮列車豎向靜活載產(chǎn)生的離心力。離心力按下列公式計算:f為離心力折減系數(shù)，按下式計算:L—承臺板跨度/m;V—設(shè)計列車車速/m/h;R—曲線半徑/m。設(shè)計路段樁板結(jié)構(gòu)位于直線上，不考慮該項荷載。2)橫向搖擺力橫向搖擺力取100KN，作為一個集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。多線承臺板只計算任一線上的橫向搖擺力。計算最不利擺放位置見圖。此時4#樁有最大橫向水平力為:(100*1/2)/2=25KN3)收縮徐變的影響混凝土收縮的影響，可按減少溫度的方法來計算。對于整體灌注的混凝土結(jié)構(gòu)，相稱于減少溫度15℃，所以考慮收縮徐變的影響時，只需在計算溫度荷載時，對結(jié)構(gòu)施加一15℃的溫度荷載。3.3.2.2縱向縱向力(F)涉及長鋼軌縱向水平撓曲力、牽引力或制動力以及收縮徐變影響等，所有傳遞至軌道結(jié)構(gòu)的縱向力均靠扣件縱向阻力來提供平衡，為方便計，縱向受力進行如下簡化計算，每組扣件設(shè)計阻力為6.5KN，則:3.3.3溫度荷載溫度應(yīng)力重要來自于承臺板頂面與底面的溫差。在樁板結(jié)構(gòu)中，由于混凝土承臺板結(jié)構(gòu)底面與地基接觸，而地基的溫度又相稱穩(wěn)定，受外界環(huán)境溫度變化的影響很小，因此，相對于承臺板頂面的溫度變化來說，底面的溫度變化比較緩促。而承臺板頂面(軌道板兩側(cè))受日輻射和氣溫變化等因素影響下溫度變化較為迅速，內(nèi)部溫度隨之也發(fā)生變化。由于混凝土材料的導(dǎo)熱性能較差，因此形成外表面溫度高、內(nèi)部溫度低的溫度分布狀態(tài)。在最不利氣象條件下;即無云天，有年最大的日輻射強度，風速接近于零，而前一天又處在較低氣溫的陰天等情況下，這將在承臺板中產(chǎn)生最不利的溫差分布狀態(tài)，也就是在結(jié)構(gòu)中發(fā)生最大溫差荷載。最大溫差約在地方時間14時左右出現(xiàn)。大約在上午7時左右舊出前)混凝土板中溫差幾乎接近零，整個承臺板中的溫度分布基本一致，此時可作為溫差壓力分析計算中的基準零點。約在地方時間21時左右混凝土承臺板中的溫度分布又會達成基本一致狀態(tài)。在這三個時刻之間，板中的溫度分布將出現(xiàn)各種不同狀態(tài)，但從設(shè)計控制溫差荷載考慮，只需要取兩種最不利狀態(tài)，即下午14時左右出現(xiàn)的頂面與底面之間的正溫差荷載;零點左右的頂面與底面之間的負溫差荷載，兩種溫差荷載的分布見下圖：因缺少合適的工點實測資料，參照混凝土橋[’3j頂板溫差荷載的分布情況，擬定承臺板的溫差荷載為如下形式：Ty一距頂面為y處的溫差;T0—板頂面與底面之間的溫度差;a指數(shù)值;y—以板頂面為原點，向下為正，單位m。3.3.3.1伸縮溫度應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，由于均勻升溫或降溫產(chǎn)生的伸縮應(yīng)力，事實上亦是一種溫差應(yīng)力。伸縮應(yīng)力計算公式如下:式中:—混凝土伸縮應(yīng)力a—膨脹系數(shù)，取為0.00001—板頂面與底面溫差E—混凝土變形模量3.3.3.2梯度溫度應(yīng)力溫差應(yīng)力是由于混凝土板頂面與底面間溫差荷載而產(chǎn)生的，不管結(jié)構(gòu)的頂面、底面間溫差如何分布，都存在這種溫差應(yīng)力。溫差應(yīng)力按下式計算:其中:—混凝土伸縮應(yīng)力a—膨脹系數(shù)，取為0.00001E—混凝土變形模量—板厚，單位my一計算點距板頂面的距離，單位ma一指數(shù)值，14時取為10，負溫差時取為14—板頂面與底面溫差，14時取為20，負溫差時取為一10、—系數(shù)3.3.4荷載組合效應(yīng)上面幾節(jié)分析的各種荷載及外力，并非同時作用于樁板結(jié)構(gòu)上，它們發(fā)生的概率也各不相同，因此，樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，考慮它們同時作用的多種也許性進行適當?shù)慕M合。在樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計中，當采用極限狀態(tài)法設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同的極限狀態(tài)和荷載組合，給出不同的荷載安全系數(shù);當用允許應(yīng)力法時，則應(yīng)按不同的荷載組合給出不同的材料的允許應(yīng)力值。3.4設(shè)計內(nèi)力3.4.1計算模型鄭西客運專線樁板結(jié)構(gòu)(見圖2.1一1)為超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，對其進行受力分析時，不僅要考慮樁土之間的互相作用[l5]，并且要考慮溫度應(yīng)力以及樁基不均勻沉降[l6l等的影響，分析過程較為復(fù)雜，且存在諸多難點，樁板完全按照結(jié)構(gòu)的實際情況進行力學分析是不也許的，也是不必要的。因此，對樁板結(jié)構(gòu)進行力學計算以前，可以加以簡化，賂去不重要的細節(jié)，顯示其基本特點，用一個簡化的圖形來代替實構(gòu)，這種通過了簡化的圖形稱為結(jié)構(gòu)的計算模型。本文按等剛度的原則，把空間的樁板結(jié)構(gòu)分別按縱向、橫向轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)進行分析，同時結(jié)構(gòu)自重恒載與列車活載簡化為均布荷載作用在平面桿件上:1)縱向，對承臺板受力、變形以及樁的縱向受力、變形進行分析;2)橫向，對托梁受力、變形以及樁橫向受力變形進行分析。按上述轉(zhuǎn)化進行分析重要基于以下幾點:1)承臺板為多跨連續(xù)單向板，只在縱向承受彎矩，無須進行橫向受力計算分析;2)托梁縱向剛度大，重要起傳遞力的作用，無須進行縱向受力計算分析;3)計算時，取荷載最大位置斷面進行分析，計算結(jié)果偏于安全;4)有助于減少不均勻沉降、溫度應(yīng)力的分析難度?？v斷面計算模型圖式及荷載分布簡見圖2.5一1，圖中:x為列車駛?cè)刖嚯x，和為列車活載，為作用在承臺板上的恒載;橫斷面計算模型圖式及荷載分布簡見圖2.5一2，q為作用在托梁上的均布荷載(涉及恒載、列車活載)。水平荷載對承臺板托梁受力影響較小，故只在計算樁的內(nèi)力和變形中考慮。此外考慮到樁板結(jié)構(gòu)在使用階段，隨著地基土由于濕陷而產(chǎn)生沉降，以及樁板結(jié)構(gòu)在列車活載作用下而產(chǎn)生的振動作用，承臺板底部土體將與承臺板體脫離，所以計算種不考慮土對托梁以及承臺板的支撐作用。擬定了理論計算模型后，可用力矩分派法、力法〔‘7]求解承臺板、托梁的內(nèi)力及變形，用M法求解樁的內(nèi)力及變形，用分層總和法分析樁的工后沉降。力矩分派法、力法、M法以及分層總和法的基本原理及推導(dǎo)很多文獻都有論述，在此不再贅述。下面只針對計算中的難點與重點進行討論。這重要涉及:樁土互相作用、溫度荷載效應(yīng)以及樁基的不均勻沉降三部分內(nèi)容。3.4.2樁土互相作用計算力矩分派法對樁板結(jié)構(gòu)進行受力分析時，力矩分派系數(shù)的計算是至關(guān)重要的一步。力矩分派是按剛結(jié)點各桿的轉(zhuǎn)動剛度比進行分派的，某剛結(jié)點A的某一桿端的分派系數(shù)就等于該桿的轉(zhuǎn)動剛度除以匯交于剛結(jié)點A的各桿轉(zhuǎn)動剛度之和。在圖2.5一1和圖2.5一2中的AB、BC、CD桿的轉(zhuǎn)動剛度可直接按結(jié)構(gòu)力學剛度計算公式求得;假如不考慮土對樁的作用，BE、CF桿的轉(zhuǎn)動剛度可按亦可按結(jié)構(gòu)力學的轉(zhuǎn)動剛度計算公式求得。但事實上，由于樁插入土中，土對樁的作用〔閉是不能忽略的，其轉(zhuǎn)動剛度應(yīng)為樁與土共同作用的結(jié)果，應(yīng)由土的性質(zhì)、樁長、樁的截面形狀和尺寸、樁的材料等來決定。這里稱這個剛度為“樁土綜合轉(zhuǎn)動剛度”，其物理意義為:樁土互相作用下，樁頂?shù)挚罐D(zhuǎn)動變形的能力。對樁土的綜合剛度的分析，國內(nèi)已有研究。樁土綜合轉(zhuǎn)動剛度對樁板結(jié)構(gòu)的計算非常故意義，它解決了計算時不能很好的考慮樁土互相作用的難題，使得計算模型更為合理，并且易于理解與推廣。目前我國較常用的分析樁土互相作用的方法重要有兩種:地基系數(shù)法和有限元法。各種方法均要進行某些簡化。目前規(guī)范中多采用地基系數(shù)法對樁進行分析與設(shè)計。地基系數(shù)法分析樁是將地基土當作彈性介質(zhì)，重要是以捷克學者溫克爾的“彈性地基”假說為計算理論的基礎(chǔ)。本文選擇采用“地基系數(shù)法”來推導(dǎo)樁板結(jié)構(gòu)樁土的綜合轉(zhuǎn)動剛度計算公式。分析過程如下:鄭西客運專線樁板結(jié)構(gòu)樁均為摩擦樁，設(shè)地基系數(shù)k=cy，樁的撓曲微分方程如下:—樁截面的慣性矩(m4)，—抗彎截面系數(shù)，運用材料力學中有關(guān)梁的撓度，與轉(zhuǎn)角，彎矩，剪力之間的關(guān)系，即：用冪級數(shù)展開的方法可求解出樁的撓曲微分方程的解，然后根據(jù)樁底的邊界條件(鄭西線地基為深厚濕陷性黃土，樁底按自由端考慮)，可得到樁頂?shù)乃轿灰婆c轉(zhuǎn)角計算公式目前常見的彈性樁的例題的解法多采用冪級數(shù)求解。對于彈性樁的計算也可以采用三角級數(shù)〔29]進行求解，限于篇幅，在此不再贅述。為了便于計算，可采用換算樁長對樁板結(jié)構(gòu)進行計算。換算樁長是將與土互相作用的實際樁長換算為與土無互相作用的樁底鉸接或固結(jié)的假想樁長。換算樁長可按實際樁土綜合轉(zhuǎn)動剛度與換算樁轉(zhuǎn)動剛度等剛度的原則求得。如換算樁底視為鉸接，則按樁土綜合轉(zhuǎn)動剛度換算樁長h的計算公式如下:需要注意得是，按平動剛度、轉(zhuǎn)動剛度換算得樁長并不相等，計算時應(yīng)根據(jù)需要進行選擇。3.4.3溫度荷載效應(yīng)計算樁板結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，需考慮溫度應(yīng)力的影響。在圖2.5一1中，結(jié)點B、C為剛結(jié)點，對BC桿需進行溫度荷載效應(yīng)計算。計算原理、過程及相關(guān)計算公式推導(dǎo)綜述如下:1)伸縮溫度分析假設(shè)BC跨度為L，按計算公式，假如兩端約束變形，則伸縮應(yīng)力為:;假如桿兩端不約束變形，則要釋放大小的溫度應(yīng)力，承臺板伸縮量為:而實際溫度應(yīng)力不會所有釋放，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件當樁頂不發(fā)生轉(zhuǎn)動時:其中:—釋放變形;—未釋放變形;根據(jù)力的平衡條件有以下公式:根據(jù)公式(2.20)到(2.24)可求得BE、CF的桿端彎矩，兩桿端彎矩大小相等，正負相反。求得桿端彎矩后，運用力矩分派法、力法即可求得在拉伸溫度應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。2)梯度溫度分析分析原理同拉伸溫度分析，假如桿兩端不約束變形，則完全釋放溫度應(yīng)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為而實際溫度應(yīng)力不會所有釋放，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件求得各桿端彎矩如下：求得桿端彎矩后，運用力矩分派法、力法即可求得在梯度溫度應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。3.4.4樁基不均勻沉降計算在橋梁基礎(chǔ)設(shè)計時需考慮5mm的不均勻沉降，鄭西客運專線樁板結(jié)構(gòu)用于解決濕陷性黃土，由于濕陷土層并非均勻，并且樁板結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，樁基發(fā)生不均勻沉降的也許性較大，不均勻沉降是樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可忽視的一個問題，因此參考橋梁設(shè)計規(guī)范在樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計中亦考慮樁基5mm不均勻沉降。這規(guī)定我們對樁基所產(chǎn)生的5mm的不均勻沉降對樁板結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的影響進行計算。對于不均勻沉降分析可按支座位移考慮，具體環(huán)節(jié)操作如下:l)約束樁頂轉(zhuǎn)動，分別計算單樁沉降5~時(即支座A、B、C或D豎向位移5mm)各桿端彎矩;2)釋放樁頂約束，用力矩分派法求得各桿端最終彎矩。約束樁頂變形，縱斷面各桿端彎矩計算公式可參見表2.5一1選取，橫斷面計算較為簡樸，從略。對于不均勻沉降分析也可以用力法進行計算，但分析過程較為復(fù)雜，不如力矩分派法省時省力。3.5配筋設(shè)計3.5.1承臺板結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計本文樁板結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計采用允許應(yīng)力法，參照結(jié)構(gòu)設(shè)計原理以及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，認為樁板結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計時需遵循以下規(guī)定:1)截面最小配筋率:受彎及偏心受壓構(gòu)件的截面最小配筋百分率(僅計受拉區(qū)鋼筋)取為0.15%。2)混凝土的保護層厚度:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最外層鋼筋的凈保護層厚度不得小于35mm，并不得大于50mm，對于頂板有防水層及保護層的最外層鋼筋凈保護層不得小于30mm。3)受拉區(qū)域的鋼筋可以單根或兩至三根成束布置，鋼筋的凈距不得小于鋼筋的直徑(對帶肋鋼筋為計算直徑)，并不得小于3Omm。當鋼筋(涉及成束鋼筋)層數(shù)等于或多于三層時，其凈距橫向不得小于1.5倍的鋼筋并不得小于45mm，豎向仍不得小于鋼筋直徑并不得小于30mm。4)當計算板內(nèi)不需要斜筋時，也應(yīng)采用彎起鋼筋并采用適當?shù)募芰摻?人行道板除外)。5)梁內(nèi)應(yīng)設(shè)立直徑不小于Slnln的箍筋，其間距當支撐受拉鋼筋時不應(yīng)大于梁高的3/4及300mm;當支撐受壓鋼筋時不應(yīng)大于受力鋼筋直徑的15倍及300mm。支座中心兩側(cè)各相稱梁高1/2的長度范圍內(nèi)，鋼筋間距不應(yīng)大于100mm。每一箍筋一行上所箍的受拉鋼筋不應(yīng)多于5根，受壓鋼筋不應(yīng)多于3根。承受扭矩作用的梁，箍筋應(yīng)制成封閉式。6)結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度不應(yīng)大于0.2mm，最大撓度不應(yīng)大于承臺板跨度的1/1800。樁板結(jié)構(gòu)承臺板與托梁均為矩形截面結(jié)構(gòu)，對其進行設(shè)計時重要涉及兩個環(huán)節(jié):正截面受彎承載力計算、斜截面剪應(yīng)力計算。3.5.1.1正截面受彎承載力計算對于單筋矩形截面結(jié)構(gòu)，采用允許應(yīng)力法計算時，其受彎承載力計算分為以下兩步:1、配筋設(shè)計式中Z一內(nèi)力偶臂(mm);一截面有效高度(mm);一受拉區(qū)縱向普通鋼筋的截面面積M一計算彎矩(KN·m);一鋼筋的允許應(yīng)力(MPa)。根據(jù)上述計算，進行配筋。2、核算應(yīng)力3.5.1.2斜截面剪應(yīng)力計算中性軸處的剪應(yīng)力:式中:—中性軸處的剪應(yīng)力(Mpa);V—計算剪力(MN);B—構(gòu)件中性軸處的腹板厚度(m);z—內(nèi)力偶的力臂(m)。當不滿足上式規(guī)定期，應(yīng)修改截面尺寸或提高混凝土強度等級。當梁中各截面剪應(yīng)力均小于或等于時，可不進行抗剪強度檢算，而按構(gòu)造規(guī)定配置箍筋。否則，對于剪應(yīng)力大于的區(qū)段，應(yīng)力應(yīng)按所有鋼筋(箍筋或斜筋)承擔式中一箍筋所能承受的主拉應(yīng)力或剪應(yīng)力值(Mpa);nk一一箍筋的肢數(shù);ak—每肢的截面積();—箍筋間距(mm)3.5.1.3結(jié)構(gòu)裂縫與撓度計算設(shè)計樁板結(jié)構(gòu)時，一方面應(yīng)滿足承載力的規(guī)定，另一方面是符合裂縫寬度及撓度的規(guī)定，亦即滿足使用階段的規(guī)定。由于混凝土抗拉強度很低，構(gòu)件通常是帶裂縫工作的，但從耐久性及對建筑觀瞻的規(guī)定出發(fā)，應(yīng)對裂縫寬度加以限制并進行驗算。對于采用某些較高材料強度等級且跨徑較大的某些構(gòu)件，往往需控制構(gòu)件的撓度，即對撓度進行驗算。1)裂縫寬度驗算矩形受彎構(gòu)件的計算裂縫寬度可按下列公式計算:2)撓度驗算根據(jù)力法推導(dǎo)(推導(dǎo)過程略)，承臺板撓度計算公式如下:3.5.2樁的配筋設(shè)計樁采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，采用灌注樁時，符合下列條件，其樁身可按構(gòu)造規(guī)定配筋。1)樁頂?shù)妮S向壓應(yīng)力符合下式規(guī)定式中:—建筑樁基重要系數(shù)，相應(yīng)一、二、三級分別取1.1、1.0、0.9;N—樁頂軸向壓力設(shè)計值;—混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，此處需乘以折減系數(shù)0.8A—樁身截面面積。2)樁頂水平力符合下列公式規(guī)定:式中:—樁頂水平力設(shè)計值;—綜合系數(shù)，軟土取62，濕陷性黃土取52;—按基本組合設(shè)計算的樁頂永久荷載產(chǎn)生的軸向力設(shè)計值;—混凝土軸心抗拉設(shè)計強度;—樁身截面模量的塑性系數(shù)，圓截面取為2;A—樁身截面面積。當不滿足條件2)的規(guī)定期，則應(yīng)按以下規(guī)定配筋:當樁身直徑為300一2023mm時，截面配筋率可取0.65一0.20%(小樁徑取高值，大樁徑取小值);對水平荷載特別大的樁根據(jù)計算擬定配筋率。3.5.3托梁的配筋設(shè)計托梁配筋正截面抗彎與斜截面抗剪以及裂縫寬度驗算按照2.6.1節(jié)中執(zhí)行。撓度驗算按以下執(zhí)行:對托梁而言，跨中的撓度小于懸臂端的撓度，故只需驗算懸臂端的撓度。懸臂端撓度計算公式如下:式中：f—懸臂端撓度;—不計沖擊力的活載;—同上式;—同上式;x—計算截面受壓區(qū)高度。3.6單樁豎向承載力驗算3.6.1負摩阻力鄭西客專DK301+472.73一301+982.73區(qū)段的地基為深厚濕陷性黃土，在計算樁基承載力時，需考慮樁側(cè)摩阻力。正常情況下，在樁頂豎向荷載的作用下，樁相對于土將產(chǎn)生向下的位移或者有位移的趨勢，因而樁側(cè)土對樁體產(chǎn)生向上的摩擦力，這種摩擦力構(gòu)成了樁基承載力的一部分，稱之為正摩擦力。但有時會發(fā)生相反的情況，即樁周邊的土體由于某些因素發(fā)生下沉，且變形量大于相應(yīng)深度處樁的下沉量，即樁側(cè)土相對于樁產(chǎn)生向下的位移，土體對樁產(chǎn)生向下的摩擦力。這種摩擦力就稱之為負摩擦力。在濕陷性黃土地區(qū)，當大量的水(雨水或施工用水)浸泡地基時會使黃土產(chǎn)生濕陷，從而導(dǎo)致負摩擦力的發(fā)生。負摩擦力對樁是一種不利因素，它相稱于在樁上施加了附加的下拉荷載，其存在加大了樁所承受的外荷載或減少了樁的承載力，并可導(dǎo)致樁發(fā)生過量的沉降。所以，在也許發(fā)生負摩擦力的情況下，設(shè)計時應(yīng)考慮其對樁基承載力和沉降的影響。在地面發(fā)生沉降的地基中，長樁的上部為負摩擦力而下部往往仍為正摩擦力。正