关于路基桩板结构选型与设计理论的研究

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摘要：对于高速铁路和客运专线，路基强度、稳定性和沉降变形问题至关重要。桩板结构作为一种新型的高速铁路松软土路基处理结构形式，具有多方面优点。其不但强度较高、刚度较大，而且施工稳定性好、沉降变形控制效果好，国内外均广泛应用。但是其理论研究明显滞后于工程应用，其工作机理、变形和性态尚不十分明确，还没有形成系统的设计理论和设计方法。本文首先对桩板分类及特点进行了介绍和说明，其次对桩板结构荷载工况进行了详细分析，从而引导出桩板结构设计研究，并对全文概况性总结。

关键词：路基桩板；结构选型；设计；研究

1 桩板结构路基分类及特点

桩板结构路基不但强度较高、刚度较大，而且施工稳定性好、沉降变形控制效果好，国内外均有广泛应用。但其理论研究明显滞后于工程应用，其工作机理、变形和性态尚不十分明确，还没有形成系统的设计理论和设计方法。对桩板结构路基形式的选择应结合工程地质情况、施工条件、工程造价等多方面因素进行考虑。

目前，在实际路基工程中采用了多种形式的桩板结构。桩板结构从是否超静定角度划分可分为：静定式桩板结构和超静定式桩板结构。桩板结构从跨度布置情况划分可分为：连续式桩板结构和分联式桩板结构。桩板结构从线路的数量角度划分可分为：单线式桩板结构、双线式桩板结构和多线式桩板结构。桩板结构的一条板上铺设一条线路为单线式，一条板上铺设两条线路为双线式，一条板上铺设两条以上线路的为多线式。双线式桩板结构在列车动荷载作用下可能产生扭转和翘曲变形，不利于结构受力。因此，目前工程中单线式桩板结构应用较多，站场通常采用多线式。

2 桩板结构选型与构造

2.1整体构造

桩板结构形式多种多样。目前，根据托梁的设置不同可分为托梁式、复合式以及独立墩柱式三种。（1）独立墩柱式桩板结构中无托梁，承台板直接固结或铰接于桩基上。承台板为多跨连续双向板。（2）对于托梁式桩板结构，承台板与托梁相连，托梁连接横向桩基。（3）对于复合式桩板结构，中跨采用独立墩柱式，边跨采用托梁式。对于独立墩柱式桩板结构，在双线行车动荷载作用下，承台板将处于多向复杂变形和应力状态。而设置托梁后成为托梁式桩板结构，此时托梁的存在将大大改善承台板受力，降低了桩基与承台板连接处的应力集中。此外，托梁的设置也将增大桩板结构的横向刚度，使其抵抗不均匀沉降的能力增强，减少了横向桩基数量。

2.2承台板形式

承台板根据受力情况可分为双向板和单向板。对于不同的桩板结构形式，承台板形式也不相同。独立墩柱式桩板结构的承台板为多跨连续双向板。托梁式桩板结构中，承台板多为单向板，但在局部活载作用下承台板为双向板。复合式桩板结构的承台板既有单向板又有双向板。规范中对单向板和双向板进行了规定。桩板结构中承台板跨度过小，桩的工程量大，导致工程经济性较差，跨度过大，承台板受力与板厚增大。承台板高度通过设计计算确定，一般为0.6～1.2m。

2.3桩基形式

桩基形式的选定应综合考虑承载力、沉降变形、施工工艺等因素。桩基设计参数主要包括桩长、桩径和桩纵向间距等。桩基设计参数的选择需通过技术、经济比选综合考察确定。桩基横向桩间距设定为高速铁路线间距。桩基的纵向桩间距、桩径和桩长是优化设计的主要参数。对于高速铁路，路基沉降变形往往是设计的主要控制因素；对于深厚湿陷性黄土地区，黄土浸水湿陷将对桩基产生桩侧负摩阻力作用，桩基受到下拉力作用，此时承载力也会成为设计的主要控制因素。影响负摩阻力的因素较多，从理论上精确计算负摩阻力相当困难。目前，国内外许多学者对负摩阻力提出了不少计算方法，但精度有待提高，都是带有经验性质的近似公式。

3 桩板结构荷载工况

3.1竖向荷载

桩板结构所受竖向荷载主要包括永久荷载和可变荷载。承台板所受永久荷载主要是其自重及附属轨道结构的重力；托梁所受永久荷载主要是托梁自重以及由承台板传递下来的永久荷载；桩基所受永久荷载主要包括桩本身自重作用、上部结构的恒载作用、桩―土相互作用。可变荷载（活载）主要是列车活载，列车活载采用ZK一活载。

对于列车活载需考虑竖向动力作用，此时列车竖向活载等于列车竖向静载乘以动力系数（1+μ）。

为加载长度（m），

3.2水平荷载

水平荷载包括横向水平荷载和纵向水平荷载。横向水平荷载主要包括列车摇摆力、离心力、混凝土收缩徐变力等；纵向水平荷载主要包括钢轨纵向水平挠曲力、列车牵引力、列车制动力、混凝土收缩徐变影响力等。

3.3温度荷载

（1）非埋式桩板结构温度荷载

对于非埋式桩板结构，温度应力主要存在于承台板内。承台板底面与路基土体接触，温度相对变化较小，承台板顶面的温度受外界环境的影响变化较大。然而承台板导热性能较差，承台板顶面与底面的温差使承台板产生内力作用。

（2）埋入式桩板结构温度荷载

埋入式桩板结构承台板位于路基土体一定深度，受外界环境温度的变化影响较小，因此可增大承台板长度，做成较长的连续结构。埋入式桩板结构温度场是季节性变化的，可用月平均温度代表特征温度值，而且其在一年内呈正弦趋势波动。

4 桩板结构设计理论分析

4.1设计方法

对于桩板结构的设计，首先根据工程地质条件及线路布置图，初步确定桩基纵向桩间距和横向桩间距。根据结构分析理论，初步确定承台板各设计参数，并计算承台板的内力与变形。根据承台板的变形情况确定是否满足工程要求。对于桩基的设计，首先初步选定其截面形式、桩径和桩长；然后根据桩顶所受荷载情况，验算桩基竖向承载力、侧向抗力是否满足要求，桩基沉降变形是否满足沉降规范要求。最后，调整纵向桩间距，得到一系列不同组合的桩板结构设计方案，通过技术经济对比，最终选定较佳组合方案。目前，常采用有两种设计理论体系对钢筋混凝土结构进行设计：一是容许应力法；二是概率极限状态法。现在的桩板结构设计一般采用容许应力法，但基于可靠度理论的概率极限状态法理论明确，将是未来的研究方向。

4.2桩板结构理论计算方法

桩板结构计算时，将空间的桩板结构转化为纵向、横向平面框架结构进行平面计算，利用平面框架结构对空间桩板结构进行计算时需要考虑桩板-土的相互作用。先分析纵向框架结构体系，计算得到承台板的内力和作用在桩顶上的纵向力、纵向弯矩；根据承台板支座处的竖向力，计算托梁的荷载。然后分析横向框架结构体系计算得到承台板的内力和作用在桩顶上的纵向力、纵向弯矩；根据桩顶荷载对桩基进行设计计算。

结束语：

根据工程地质情况、线路布置情况和路基所受荷载情况初步确定桩基纵向桩间距和横向桩间距。根据结构分析理论，初步确定承台板各设计参数，并计算承台板的内力与变形。根据承台板的变形情况确定是否满足工程要求。对于桩基的设计，首先初步选定其截面形式、桩径和桩长，然后根据桩顶所受荷载情况，验算桩基竖向承载力、侧向抗力是否满足要求，桩基沉降变形是否满足沉降规范要求。最后，调整纵向桩间距，得到不同组合的桩板结构设计方案，通过技术、经济比选，最终确定最佳设计方案

参考文献：

[1]王应铭.郑西高速铁路埋入式连续桩板结构的研究与应用[J].路基工程，2010.

[2]苏谦，白皓，黄俊杰等.埋入式连续桩板结构温度效应计算方法[J].西南交通大学学报，2012.