（道路与铁道工程专业论文）京沪高速铁路桩筏整体结构计算理论与现场试验研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 高速铁路桩筏整体结构用于处理深厚第四系中等压缩性地基可有效控制路基总沉 降和不均匀沉降，构造简单，施工方便，技术及经济指标良好。但关于高速铁路桩筏 整体结构的设计计算理论研究甚少，针对高速铁路路基荷载特点和结构特点，对桩筏 整体结构设计计算方法、桩筏整体结构与地基土相互作用、列车高速行驶下桩筏整体 结构的动力响应等问题进行分析与探讨具有现实意义。 以京沪高速铁路为背景，充分调研国内外桩筏基础的应用研究现状，通过对建筑 工程桩筏基础和高速铁路桩筏整体结构的深入比较分析，考虑高速铁路路基区别于建 筑工程的荷载特点及沉降控制标准等，提出了适用于高速铁路路基桩筏整体结构设计 计算的二维等代框架法。该法采用节点弹簧模拟桩土相互作用，采用线弹簧模拟地基 土对筏板的支承作用，深入探讨了桩筏整体结构与土体相互作用问题，对桩筏整体结 构的重要参数进行了影响性分析。通过二维与三维计算的对比分析发现三维框架法能 较好地反映桩筏整体结构的空间内力分布规律，但计算过程较为复杂，二维等代框架 法计算较为简便，而且计算结果具有合理的安全储备，验证了二维等代框架法设计理 论的合理性与可行性。基于京沪高铁宿州站的地基土特点及桩筏结构特点，采用多种 种规范方法对桩筏结构进行沉降计算与对比分析，并由此提出了适用于高速铁路路基 桩筏整体结构的沉降计算方法。 其次对桩筏整体结构进行了三维动力仿真分析，采用单线加载方式研究了列车荷 载作用下桩筏整体结构的动力响应，探讨了动力响应与时速和路堤高度的关系。计算 表明，筏板最大纵向、竖向动应力、管桩桩顶最大竖向压应力和路堤顶面最大竖向压 应力均随时速的增加而减小，筏板最大横向动应力随时速增加而增加然后再减小，桩 筏结构各部件加速度随时速增加而增加；筏板和管桩最大动应力均随填土高度的增加 而减小。 最后针对桩筏整体结构实际工点进行了现场试验测试，综合实测结果与理论计算 结果，分析得到桩筏整体结构的实际受力及变形特性与理论计算结果基本吻合，验证 了理论计算方法的可行性。根据沉降测试结果对沉降进行预测评估，桩筏结构的沉降 满足沉降评估技术指南，说明桩筏结构能有效的控制工后沉降。 关键词：桩筏整体结构；等代框架法；动力仿真分析；现场试验；沉降 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h eh i g h - s p e e d r a i l w a yi n t e g r a lp i l e - r a f t s t r u c t u r e a p p l i e d i n d e e pq u a t e r n a r y f o u n d a t i o nw i t hm e d i u mc o m p r e s s i b i l i t yc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h et o t a ls e t t l e m e n ta n d d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to ft h es u b g r a d ea sas i m p l es t r u c t u r ew h i c hi se a s yt oc o n s t r u c tw i t h g o o dt e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d i c e s i nl i g h to fl i t t l er e s e a r c ho nd e s i g na n dc a l c u l a t i o n t h e o r yo ft h i ss t r u c t u r e ，a i m e d a tt h es u b g r a d el o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y s i so fs u c hi s s u e sa st h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nt h e o r y ，s t r u c t u r e s o i l i n t e r a c t i o na n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eu n d e rt h em o v i n gt r a i nl o a di so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h et w o d i m e n s i o n a le q u i v a l e n tf l a m em e t h o da p p l i e df o rd e s i g na n dc a l c u l a t i o no f h i g h s p e e dr a i l w a yi n t e g r a lp i l e - r a f ts t r u c t u r e i sp r o p o s e di nt h eb a c k g r o u n do fb e i ji n g s h a n g h a ih i g h s p e e dr a i l w a yo nb a s i so faf u l l yi n v e s t i g a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no fs u c h s t r u c t u r ea th o m ea n da b r o a da n dad e e pc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es u b g r a d el o a d c h a r a c t e r i s t i c sa n ds e t t l e m e n tc o n t r o ls t a n d a r d so ft h eh i g h s p e e dr a i l w a ye n g i n e e r i n g d i f f e r e n tf r o mt h o s eo ft h eb u i l d i n ge n g i n e e r i n g t h ep i l e s o i li n t e r a c t i o na n dr a f t s o i l i n t e r a c t i o na r ed i s c u s s e da n di n f l u e n c ea n a l y s i so fi m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h es t r u c t u r ei s d o n ew i t ht h em e t h o dw h i c hs i m u l a t e st h ep i l e s o i li n t e r a c t i o nw i t hn o d es p r i n g sa n dr a f t - s o i li n t e r a c t i o nw i t hl i n e a rs p r i n g s b yc o m p a r i n gt h et w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a l m e t h o d s ，i ti sf o u n dt h a tt h et h r e e d i m e n s i o n a lf r a m em e t h o dc a nc o m p r e h e n s i v e l yr e f l e c t t h es p a c ed i s t r i b u t i o no fi n t e m a lf o r c e si nt h es t r u c t u r e ，b u tt h ec a l c u l a t i o ni sm o r e c o m p l i c a t e dw h i l et h e t w o d i m e n s i o n a l e q u i v a l e n tf r a m em e t h o d i s s i m p l ea n dt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r es a f e rw h i c hi sv e r i f i e dt ob er a t i o n a la n df e a s i b l e t h es e t t l e m e n to f t h es t r u c t u r ei sc a l c u l a t e du s i n gav a r i e t yo fm e t h o d si n t r o d u c e di nc o r r e l a t i v ec o d e so r s t a n d a r d sb a s e do nt h es p e c i f i cs u b s o i lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c si n s u z h o us t a t i o no fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h s p e e dr a i l w a ya n da c c o r d i n g l yt h e s e t t l e m e n t c a l c u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt h a ts u i t sf o rh i g h - s p e e dr a i l w a yi n t e g r a lp i l e r a f ts t r u c t u r e s e c o n d l y ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i cs i m u l a t i o no ft h es t r u c t u r ei sc a r r i e do u t ， u s i n gt h eo n e w a yl o a d i n gm o d eo ft h et r a i nl o a d ，w h i c he x p l o r e st h ed y n a m i cr e s p o n s e a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd y n a m i cr e s p o n s ea n dt h et r a i ns p e e d as w e l la st h e e m b a n k m e n th e i g h t c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ml o n g i t u d i n a la n dv e r t i c a l d y n a m i cs t r e s s e so ft h er a f t ，t h em a x i m u mv e r t i c a ld y n a m i cs t r e s so ft h ep i p ep i l e sa n dt h e m a x i m u mv e r t i c a ls t r e s so nt o po ft h ee m b a n k m e n td e c r e a s ea st h es p e e di n c r e a s e sw h e r e a s t h em a x i m u mt r a n s v e r s ed y n a m i cs t r e s so ft h er a f ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h e s p e e di n c r e a s e t h ea c c e l e r a t i o n so fd i f f e r e n tp a r t s o ft h es t r u c t u r ei n c r e a s ew i t ht h e 西南交通大学硕士学位论文第1 i i 页 i n c r e a s e ds p e e d t h em a x i m u mv e r t i c a ld y n a m i cs t r e s s e so ft h er a f ta n dp i p ep i l e sd e c r e a s e a st h ee m b a n k m e n th e i g h ti n c r e a s e s f i n a l l y ，i ti n d i c a t e st h a tt h ea c t u a ls t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t r u c t u r ea r ec o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sb a s e do nt h ef i e l dt e s to fi n t e g r a lp i l e r a f ts t r u c t u r ew h i c hv e r i f i e st h et h e o r e t i c a lm e t h o di so ff e a s i b i l i t y t h es e t t l e m e n to ft h e s t r u c t u r ec a nm e e tt h es e t t l e m e n ta s s e s s m e n tg u i d ea c c o r d i n gt ot h es e t t l e m e n ta s s e s s m e n t w h i c hs h o wt h ep i l e r a f ts t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：i n t e g r a lp i l e - r a f ts t r u c t u r e ；t w o - - d i m e n s i o n a le q u i v a l e n tf r a m em e t h o d ；d y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i s ；f i e l dt e s t ；s e t t l e m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：怼潦 指导老师签名： 日期：加f o 眈劣 日期：力杪汐，争) 罗 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 在京沪高速铁路的背景下，提出了适用于高速铁路路基桩筏整体结构的平面简化 计算方法一二维等代框架法；对桩筏整体结构的主要影响参数进行了探讨，对比分析 三维框架法与二维等代框架法两种方法的优缺点；对不同时速、不同路堤高度下桩筏 整体结构的动力性能进行了研究，得出了有用规律；开展了现场试验测试桩筏结构的 内力与变形，并对桩筏整体结构进行了沉降计算、沉降预测及评估，验证理论计算方 法的合理性和安全性，对指导迸一步的工程实践具有重要的意义。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 居 ， 己 藩一 啡 夕万 污 沙 名 期 签 日 者作丈沦位学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 ! 曼! 曼曼曼曼曼皇! i 。 。 i i i i 曼曼! ! 詈曼曼曼曼曼曼 1 1 研究背景与研究意义 第1 章绪论 我国“十一五”计划确定了“五纵五横八联”铁路通道作为路网主骨架，总规模 为新线3 8 0 0 k m ，既有线复线2 5 0 0 k m ，既有线电化4 4 0 0 k m 。1 9 9 9 年，秦沈客运专线的 开工建设，标志着我国铁路客运步入高速时代；2 0 0 4 年9 月，铁道部决定在遂渝铁路 建设我国首条无砟轨道试验段，j 下线全长1 3 1 6 公里；2 0 0 5 年6 月1 1 日，石太铁路客运 专线的开工建设，掀开了我国铁路客运专线大规模建设的序幕；2 0 0 5 年6 月2 3 日武广 客运专线开工之后，国家批准的其他9 条客运专线即京津、郑西、武合、合宁、雨台 温、温福、福厦、广深港、广珠客运专线，也相继全面开工建设，1 1 条客运专线的总 建设规模达至u 3 2 4 3 公里；2 0 0 8 年8 月1 日，中国第一条高速铁路京津城际铁路开通 运营。京津城际铁路的开通，拉开了中国高速铁路建设和运营的序幕，在它的背后， 是正在编织着的中国高速铁路网。 高速铁路要求轨道结构具有持久稳定的高平顺性，以满足高速行车平稳、安全、 舒适的要求。为保证高速铁路轨道的高平顺性，对路基结构的要求是：设计和施工必 须满足路基工后沉降小，不均匀沉降小，在动力作用下的变形小、稳定性好的要求， 即采用变形和强度结合控制的原则，目的是为轨道提供一个强度高、刚度大且纵向变 化均匀、长久稳定、顶面平顺的弹性基础。 京沪高速铁路经过海河、黄河、淮河及长江中下游冲积平原，沿线广为第四系地 层覆盖，厚度最大超过2 0 0 m ，且成因类型、埋藏规律复杂，工程性质差，是目前在建 高速铁路中地基条件最为复杂的一条高速铁路。 高速铁路对路基的工后沉降控制提出了极高的要求。新建时速3 0 0 - - - 3 5 0 公里客 运专线铁路设计暂行规定( 铁建设 2 0 0 7 1 4 7 号) 中规定：有砟轨道路基工后沉降 量不应大于5 c m ，沉降速率应小于2 c r n 年。桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于 3 c m 。无砟轨道地段路基在无砟轨道铺设完成后的工后沉降应满足扣件调整和线路 竖曲线圆顺的要求，工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量1 5 m m 。 在沿线城市市政工程建设中，包括房屋建筑和道桥工程，对本区域地基处理方案 也进行过大量研究，尤其是上海地区取得了大量研究和应用成果，例如沉降控制复合 桩基、疏桩理论、地基基础与上部结构的共同作用等方面。在处理方案、设计计算理 论上也取得了长足的进步，施工中也取得了成功的经验；由于荷载形式、沉降控制标 准存在差异，需要在借鉴这些研究成果的同时对高速铁路柔性荷载( 或考虑动荷载) 作用下控制工后沉降的成套技术进行针对性的研究。 与传统由单桩组成的复合地基或复合桩基相比，桩筏结构体系具有刚度大、承载 力高、整体性好等特点。桩基础与筏板锚固连接后，筏板可均化上部荷载传递到地基 的分布形式，桩基可将荷载传递至地基土中相对持力层，可有效解决局部应力集中和 西南交通大学硕士学位论文第2 页 皇蔓曼曼! 曼曼曼曼! 蔓曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼! 曼! ! i i 一_ i i 曼! 曼曼曼! 曼皇 整体沉降问题，同时防止桩的侧向变形，适用于荷载较大，地基承载力较低的地基条 件。在建筑工程中，已有大量实践经验和较为成熟的理论，并形成了规范和规程。为 处理高填方深厚第四系地层，京沪高速铁路路基工程施工图设计采用了这种结构形 式。 桩筏整体结构在建筑基础工程中已形成了设计规范和规程，比较有代表性的设计 计算方法主要有简化计算方法( 包括刚性板带法和倒楼盖法) 、弹性地基梁板理论 分析法和上部结构桩筏基础地基共同作用法。 但高速铁路路基工程与建筑工程相比，其荷载形式、上部结构物刚度以及沉降控 制标准等均有较大差异，关于高速铁路桩筏整体结构设计计算理论各方面的研究甚 少，针对高速铁路路基荷载特点和结构特点，对桩筏整体结构设计方法、桩筏整体结 构与地基土相互作用、桩筏整体结构控制工后沉降效果、列车高速行驶下桩筏整体结 构的动力响应等问题进行分析与探讨具有现实意义。 1 2 桩筏基础研究现状 在软土地区，高层建筑，尤其是超高层建筑多采用桩筏基础。国p - 4 0 层以上的超 高层建筑的基础不少都是采用桩筏基础，如马来西亚的石油双塔大厦、德国法兰克福 的m e s s et u r m 大楼、伦敦的海德公园骑兵大楼；在我国长江三角洲一带，软土地区多 层及高层建筑常采用桩筏基础，框筒结构、剪力墙结构或带裙房的高层建筑物等都有 采用桩筏基础的，如上海金茂大厦和上海森茂大厦等。 作为桩筏共同承载应用的成功范例，国内外文献多次引用法兰克福展览会大楼桩 筏基础设计。该大楼上部为高2 5 6 m 、5 6 层的筒中筒结构。桩筏基础采用核心筒中部厚 6 m ，周边裙房厚3 m 变厚筏板；大体按环形布置筏底摩擦桩，其中四角设2 8 根桩、长 2 6 9 0 m ，边桩2 0 根、长3 0 9 0 m ，内环设1 6 根、长3 4 9 0 m ，桩端持力层为第三纪粘性 土。国内其中比较著名的有：深圳地王大厦3 2 5 m ，广州中信大厦3 2 0 m ，上海浦东经 贸大厦3 9 5 m 、上海环球金融中心以及中央电视台电视文化中一i 二, ( t v c c ) s e 程等等。 其中t v c c 的桩筏基础信息表如下： 表1 - 1b l o c 桩筏基础信息表 建筑部 地j ：层数地下 基础埋 上部幺l ，- 嗣t 形式皋底压力 基础形 分层数深( k n m 2 )式 塔楼 2 7 f 3 f1 3 m 内部核心筒( 位于塔楼甲面的东侧) ，外部 7 0 0 桩筏基 为框架简体结构础 裙楼 l 8 f 3 f 1 l m 框架结构( 影剧院、展览区、录音室为大跨 3 0 0 桩筏基 度结构体系)础 地下车 0 f 3 f 框架结构 1 5 0 桩筏基 库础 上海环球金融中心主楼由主楼和裙房组成，基础采用桩筏基础形式，地下三层埋 深均为1 8 8 5 米。基础底板采用c 4 0 混凝土。桩顶埋深1 8 4 5 m ，采用矽7 0 0 的钢管桩， 最大单桩承载力为5 7 5 0 k n 。 西南交通大学硕士学位论文 第3 页 图1 1 上海环球金融中心模型图 在公路和铁路桥梁工程中，桩承台基础也是一种常见的基础形式，这种桩承台 基础也称桩筏基础( r a f t e dp i l ef o u n d a t i o n ) ，可见桩筏基础的应用之广泛。只是按照 现行的公路和铁路设计规范，承台是按绝对刚性柬处理。 与桩筏结构类似的结构还有桩板结构，国内外应用于铁路上的桩板结构主要有： 德国纽伦堡一英戈尔施塔特线( 1 9 9 8 2 0 0 5 ) 修建桩板结构路基总长3 5 4 3 k m ，该 段地基由第四纪上层和下面的中侏罗纪早期土层组成，层厚为5 2 0 m 不等，下卧层为 硬层，黏性土内部有砂质土，这种黏土易于下沉，还具有膨涨性。所采用的桩板结构 钻孔桩直径09 m ，桩端仲入硬层，桩顶现浇06 m 厚钢筋混凝土板。 图l _ 2 德国纽伦堡一英戈尔施塔特线“桩一板结构” 荷比高速铁路阿姆斯特丹至布鲁塞尔线( 2 0 0 0 2 0 0 8 ) ，全线铺设无砟轨道，采 用了“无沉降桩板结构”。“无沉降桩板结构”由钻孔灌注桩和现浇钢筋混凝土板构 成，一联共6 跨，每跨4 m ，全长2 6 m ，横向桩间距3 m 。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 。 i l1 i i 图 一3 荷比高铁无沉降桩板结构 意大利米兰一都灵高速铁路某地段，板由桩支承，桩贯穿过污染层，桩壁裹覆塑 性材料作为提供侧向支承及隔离污染层：桩与板为整体结构，板宽65 8 m ，单块板 长度为4 8 6 0 m ，桩径12 m ，横向间距6 m 。 图1 - 4 米兰都晁高架桩板结构 英法海底隧道连接线在穿越一个沼泽地区时有7 k m 路基采用了“桩板结构”，这 种桩板结构由桩基础和钢筋混凝土板构成横向分布4 排桩，桩间距为25 m 。 图1 5 英法海底隧道连接线( 英国段) 桩板结构示意固 从控制低矮路堤沉降的角度，文献提出一种新型路基建筑形式桩板粱结 构。桩板粱结构由预应力管桩和现浇钢筋混凝土板梁构成。桩径o5 m ，桩t 圭5 0 m ；板 粱厚度12 m ，联长1 82 r n ，纵向排桩，横向分布6 排桩，横向桩闻距1 7 2 m 。 霄 西南交通大学硕士学位论文第5 页 图卜6 无梁桩板结构 京沪线上海虹桥站采用低矮路堤桩板结构，也是桩与板直接固结，其结构型式与 桩筏整体结构的主要区别在于桩间距存在较大差异。 我国遂渝线无砟轨道综合试验段采用钢筋混凝土桩板结构的地基处理措施，它由 下部钢筋混凝土桩基、路基本体与上部钢筋混凝土承载板组成，承载板直接与轨道结 构连接。此种桩板结构路基主要适用范围为己建路堤的补强加固，工程地质条件复杂 的路堑地段、既有线有砟改无砟轨道工程，以及两桥( 隧) 之间短路基、道岔区路基 笙1 2 l 口。 图卜7 遂渝线桩一板结构路基( 单位：m ) 文献1 3 l 介绍了郑西客运专线某站场工点地基采用埋入式连续桩板结构。这种桩板 结构由钻孔灌注桩和现浇钢筋混凝土承台板构成，承台板上填筑0 7 m 厚级配碎石基床 表层。上部承台板厚0 6 0 8 m ，宽1 0 5 m ( 除道岔区) ，下部基础采用直径1 o m 或直 径1 2 5 m 钻孔灌注桩基础，横向分布2 排，间距5 o m ，纵向桩间距一般为7 o m 9 o m ， 埋入式无限长桩板结构一联长度可达1 0 0 0 m 。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 图1 8 埋入式连续桩板结构三维示意图 桩筏体系在国际上被称为复合桩基】。复合桩基介于天然地基与纯桩基之问，属 于桩土共同作用范畴，强调地基上承载力的充分利用。桩筏基础的承载机理十分复 杂，涉及到桩- 桩、桩- 土、筏土相互作用问题。 作为软土地区高层建筑的一种主要基础型式，建筑工程中已有不少这方面的研 究。c o o k e 研究桩筏共同作用问题，从实验和理论两方面详细证实了筏基下土体承载 能力在桩筏基础中所起的作用；德国法兰克福展览会大楼基础结构利用桩一土共同分 担荷载的比例进行结构与地基的设计旧：赵锡宏教授 7 1 1 ”等通过对上海地区大量实测 资料的分析认为：只要桩筏最大承载力大于建筑物上部荷载，桩筏基础共同承担荷载 的传递过程实质上是桩与地基土承载力逐步发挥的过程；冯国栋、刘祖德唧【”墩授认 为在某些情况下。筏可以分担相当大的荷载份额；王明恕i 1 1 1 等认为建筑物荷载首先由 桩承担，而筏底地基土分担的荷载将随荷载水平的提高而趋于某一常数；姚仰平【1 2 1 等 过对黄土地区高层建筑框剪结构实测结果，证明基桩与桩间土共同承担上部结构总荷 载；文献【l3 】i l ”考虑桩筏基础的上部荷载不仅由桩和桩问土承担，也由筏板承担部分 荷载：文献i i ”认为上部荷载是由桩、承台和地基三者共同承担的，提出将按单桩极限 承载力设计复合桩基的新方法运用于工程实例；文献【l ”】采用1 6 节点退化实体等参 元对筏板进行有限元分析将桩简化成弹簧作用在筏板下；文献 【”将群桩看作相互作 用的非线性弹簧。地基模型假定为弹性半空问或弹性层状地基，筏板采用弹性薄板单 元进行计算。 1 3 桩筏基础承载机理研究 桩筏基础的应用理念是桩筏共同承载，但是桩筏基础的承载性状并不同于单桩与 筏板的简单叠加，它是上部结构筏板桩土这个共同作用的十分复杂的力学系统中的 一部分。人们从基础工程的重要性考虑，在相当长的时期内，对于桩筏基础的承载能 力只考虑基桩的承载作用，而忽略地基土、筏板的分担荷载，筏板厚度由满足冲切和 受弯确定，从而使桩筏基础的设计既相当保守，又十分模糊。因此研究桩筏承载机 理，不但有助于对客观事物的认识，更在于可以优化基础设计。 赵锡宏教授【l ”等通过对上海地区大量实测资料的分析，认为：只要桩筏最大承载 西南交通大学硕士学位论文第7 页 力大于建筑物上部荷载，桩筏基础共同承担荷载的传递过程实质上是桩与地基土承载 力逐步发挥的过程，其荷载分配过程与土的固结也即孔隙水压力的消散相联系，并随 地基土的固结或孔隙水压力的消散而趋于稳定。 冯国栋、刘祖德教授1 2 0 j 也认为桩筏共同承载条件随着沉降的增加存在从量变到质 变的转化，提出了在不同地层与几何条件下筏底地基土分担外荷的判据。在某些情况 下，筏开始分担相当大的荷载份额，但随着荷载水平的提高与沉降的增加即土的固 结，该份额会消减，甚至趋于零。 而对于某些地下水埋藏较深，或基桩持力层位于地下水位之上的情形，桩筏共同 作用机理将取决于桩与桩间地基土的压缩。王明恕等【2 l 】认为：由于桩身混凝土的弹性 模量比筏底地基土的压缩模量高，桩顶荷载传递到地基深处，筏底桩间土经压缩下传 的荷载比桩下传的小，桩端压应力下传扩散重叠后与土柱压力叠加，桩能够“超前传 递荷载”，即建筑物荷载首先由桩承担，而筏底地基土分担的荷载将随荷载水平的提 高而趋于某一常数。 与前述桩超前传递荷载相对应，杨克已教授【2 2 j 认为桩筏共同作用中，筏底地基土 在受荷过程中存在滞后作用，桩间土分担荷载随外荷水平提高而加大，且主要发生在 5 0 基础极限荷载之后。这又与已有的部分实测资料似乎相矛盾，正是这种状况反映 了桩筏荷载分担问题的复杂性，是不同结构与地层物理力学性质的综合反映，不能简 单地归纳于某一固定模式。杨克已教授综合相关试验与研究后认为：桩间土分担荷载 的比例随桩距加大而增加，接近对数函数曲线；在达到桩筏基础5 0 极限荷载之前， 桩间土分担甚少；且随桩数的增多而加大；在桩的入土深度小于2 4 d ( 桩径) 时，桩间 土分担外荷的比例随入土深度增大而加大，在入土深度大于2 4 d 后，桩间土分担外荷 的比例随入土深度增大而减小。 姚仰平【2 3 j 等通过对黄土地区高层建筑框剪结构、桩筏、地基的共同工作原位实测 结果进行分析，揭示了基桩的桩顶反力和筏底土反力的大小及其分布规律，实测表 明，筏与其下土之间存在较大接触压力，基桩与桩间土共同承担上部结构总荷载，桩 间土分担荷载比例达2 8 6 以上，且随上部荷载增加，土分担荷载比例降低。 文献【2 4 】通过a n s y s 模拟分析计算，提出桩筏基础的桩间土可以承担部分荷载， 其承担荷载大小和上部结构的刚度、桩长径比、桩距径比和筏板的长宽比有很大关 系，特别是桩的桩长径比、距径比关系大，长径比越小，距径比越小，桩间土所承担 的荷载越大。 总之，从前人的研究成果可看出高层建筑筏底地基土分担荷载受诸多因素影响， 例如筏底地基土层性质、桩长、基础埋深、桩距、桩端持力层性质、地基变形模量等 因素。桩筏基础受力性状的复杂性可见一般。 高速铁路路基桩筏基础是一种新型结构路基结构，其荷载形式、上部结构物刚度 以及沉降控制标准等与建筑工程相比均有较大差异，其承载机理也会存在差异，但目 前关于高速铁路路基桩筏基础承载机理的研究非常匮乏，因此对它进行现场试验研究 具有很大的现实意义。 西南交通大学硕士学位论文第8 页 i i ml_ 1 4 桩筏基础设计与计算方法 目前，比较有代表性的桩筏基础设计分析方法主要有以下三种【2 9 】【3 0 】。 1 4 1 简化计算方法 简化计算方法最基本的特点是将上部结构、地基和基础三部分所构成的静力平衡 体系分割成三个部分，进行独立求解。在验算地基承载力时，假定基底压力按直线分 布，即认为基础是绝对刚性的；计算地基变形时，又把基础看成柔性的，基底压力是 均布的。即将筏形基础和桩基础分开计算，先按直线分布计算出筏基的基底压力，将 此压力分配给桩，得到的桩顶反力作用于筏基，计算筏基的内力，并验算基底板或筏 基受桩的冲切作用。目前，对于筏形基础国内应用最多的简化方法为倒楼盖法；而桩 则根据其承受的荷载，按桩基设计计算的有关规范、规定进行。这种简化计算方法简 单、方便，力学概念大致清楚，满足了总荷载和总反力的静力平衡条件，其缺点在于 忽视了上部结构与基础之间以及基础与地基之间的变形连续条件，与实际情况不相符 合，其结果往往造成设计不是偏于不安全就是偏于浪费。 高层建筑箱形与筏形基础技术规范( j g j 6 9 9 ) 中推荐：基础板的弯矩按下 列方法计算：先将基础板上的竖向荷载设计值按静力等效原则移至基础底面桩群承载 力重心处，弯矩引起的桩顶不均匀反力按直线变化原则计算，并以柱或墙为支座采用 倒楼盖法计算板的弯矩，当支座反力与实际柱或墙的荷载效应相差较大时，应重新调 整桩位，再次计算桩顶反力。 此桩筏结构运用于铁路上是没有柱和墙的，参考以上规范，采用无梁楼盖法，将 筏板当作以桩为固定支座或弹簧支座的板来计算。 1 刚性板带法 当上部结构和基础的刚度足够大时，可假设基础为绝对刚性，基础底反力呈直线 分布，并按静力学方法确定反力。当柱距变化不大时，将筏板划分为互相垂直的板 带，板带的分界线就是相邻柱列间的中线，然后再分别按独立的条形基础计算内力， 可采用刚性板带法，这种分析方法忽略了板带间剪力的影响，但计算简单方便【2 引。 按刚性板带法计算基础内力时，先将坐标原点位于底板形心处，由于高速铁路上 部结构荷载已知，将桩顶荷载当作筏板下的支座，若要考虑土对筏板的支承作用，。可 以引用适当的地基模型即可。将筏板在x ，y 方向从跨中分成若干条带，再取出每一条 板带进行分析。 2 无梁楼盖法 当地基比较均匀、上部结构刚度较好， 于2 ，可将桩筏基础近似看做一无梁楼盖。 数法和等代框架法。 ( 1 )经验系数法 桩网布置在纵横两个方向上尺寸的比值小 无梁楼盖的计算方法主要有两种：经验系 西南交通大学硕士学位论文第9 页 曼! 皇! 皇! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! ! 曼曼曼曼笪! 曼! 曼蔓曼! 皇曼鼍曼蔓曼曼曼皇曼曼鼍皇i i i i 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼皇曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼蔓! 曼 经验系数法又称总弯矩法、直接设计法或弯矩系数法，此法给出两个方面的截面 总弯矩，再将截面总弯矩分配给同方向的柱上板带和跨中板带。计算过程简便，因 而被广泛应用。柱上板带相当于以柱为支承点的连续梁；而跨中板带则相当于弹性支 承在另方向柱上板带上的连续梁。 采用经验系数法，必须满足以下条件：每个方向至少有三个连续跨，两个方向的 长跨与短跨比值不大于1 5 ；同方向相邻跨度的差值不超过较长跨度的1 3 ；可变荷载 与永久荷载设计值之比值3 。弯矩系数法也即等代连续梁法，每一跨跨中弯矩和支 座弯矩的总和相当于简支梁的最大弯矩即m 。= 1 8 q l ，e ，m ，= 1 8 q l ：。等代连续梁x l 的跨度，在两个方向分别取为l x 一2 3 c 和纱一2 3 c ( 1 x 、t y 和c 分别为x 、y 方向跨度 及柱帽宽度) ，等代连续梁的宽度取为中心线间的距离( 1 x 或咖) 。在满足弯矩系数 法的条件下，认为柱子接近于轴心受压，因此可将柱子当作连续梁的支座处理。 ( 2 ) 等代框架法 当无梁楼盖不符合弯矩系数法的应用条件时，可采用等代框架法计算结构内力 ( 等代框架法也能用于符合弯矩系数法应用条件的情况) 。等代框架法是将整个无梁 板结构分别沿纵横柱列方向划分为具有“等代柱 和“等代梁”的纵向和横向框架。 等代柱的截面即原柱截面。等代柱的计算高度为：底层取为基础顶面至楼板底面的高 度减去柱帽高度。等代梁的高度取为板的厚度。等代框架梁的跨度，在两个方向分别 取为t x 一2 3 c 和t y 一2 3 c ( i x 、t y 和c 分别为x 、y j ：y 向跨度及柱帽宽度) 。对竖向荷 载作用下的无梁板结构用等代框架法确定内力时，等代梁的宽度取为中心线间的距离 ( i x 或t y ) 。框架内力可近似按分层法计算。按等代框架法计算时，当可变荷载不超 过永久荷载值的7 5 时，可不考虑可变荷载的最不利布置，按各跨满布考虑。 1 4 2 弹性地基梁、板理论分析法 弹性地基梁、板理论假定地基是弹性体，基础是置于这一弹性体上的梁或板。将 基础和地基视为一个整体，上部结构仅仅作为一种荷载作用在基础上。基础底面和地 基表面在受荷变形过程中不仅满足静力平衡条件，而且满足变形协调条件。经过物理 上和几何上的简化，可以将整个筏基简化成一块板，根据弹性薄板的挠曲微分方程求 解，求得数据解，但计算比较复杂。或者从中取出一单位宽度( 1 m ) 的截条按“平面问 题 计算，并采用适宜的地基模型( 如文克尔模型、半无限弹性体模型、分层总和模 型等) ，进而用数学、力学方法求解基础和地基的内力和变形。一种较为常用的简化 算法是，把筏基当作弹性地基上的梁来分析，以确定地基反力分布，然后按梁、板计 算基础内力。 二十世纪五十年代，日本学者横山幸满把三维的桩一筏体系简化为支承在弹性支 点上的连续梁( 二维的地基梁桩体系) ；文献【3 2 】对高层建筑桩筏基础设计方法进行 了分析，提出了实用的设计计算方法一弹性支承无梁薄板法，对计算方法进行了具体 的介绍，并对桩土共同工作进行了探讨。文献【3 3 j 给出了把筏板简化为支承在弹性支点 西南交通大学硕士学位论文第10 页 上的梁，提出弹性支点的弹性系数就是桩的轴向刚度。 按照弹性地基梁、板理论来设计具有一定的优点，但完全忽略了上部结构的刚度 贡献，其结果必然夸大了基础的变形与内力，或者为减少基础的内力与变形完全不必 要去增加基础高度或底板厚度与配筋，造成浪费【3 1 1 。 高层建筑箱形与筏形基础技术规范( j g j 6 9 9 ) 中推荐：当桩基的沉降量较 均匀时，可将单桩简化为一个弹簧，按支承于弹簧上的弹性平板计算板中的弯矩。 另外，在公路和铁路桥梁工程中，桩承台基础其实也是一种桩筏基础，只是现 行的公路铁路桥梁设计规范，承台( 筏) 是按绝对刚性来处理的。在长期的工程实践 中，形成了一套系统、简洁、实用的设计体系，即通常所说的m 法。 1 4 3 上部结构与地基基础共同作用的分析法 桩筏基础共同作用分析的方法就是把上部结构、地基和基础看成一个彼此协调的 工作整体，在满足边界变形的情况下得到各部分的内力和变形，从而较真实地反映建 筑物的实际工作状态。 c o o k e 研究桩筏共同作用问题，从实验和理论两方面详细证实了筏基下土体承载 能力在桩筏基础中所起的作用；1 9 6 5 年，s o m m e r 4 2 j 提出了一个考虑上部结构刚度计 算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。此后随着计算机和有限元的发展，共同作用研 究有了突破性进展。1 9 6 5 年，z e i n k e i w i c z 和c h e u n g t 4 3 】应用有限元研究地基基础的共同 作用，1 9 6 8 年，p r z e m i e n i e c k i l 4 4 1 提出了子结构的分析方法，为l e e 和h 枷s o n 【4 5 】和 h a d d a d i n 4 6 j 利用子结构的分析方法研究地基基础与上部结构共同作用奠定了基础，随 后c h r i s t i a o n f 47 】在高层建筑的规划与设计会议上阐述了高层建筑与地基基础共同作用， 引起了广泛的关注。进入上世纪8 0 年代后，p o u l o s 和d a v i s 48 】利用m i n d i n l 4 9 】公式提出了 桩与地基共同作用的弹性理论法，进一步推动桩土和上部结构共同作用的深入研究。 他在1 9 8 1 年第十届国际土力学及基础工程会议上作了土和结构物作用的总报告，详述 了土和结构物共同作用的发展和前景。国内关于上部结构与基础共同作用的研究起步 较晚，从1 9 7 4 年起，先后在京、泸等地对十幢高层建筑箱形基础与地基共同作用进行 比较全面的现场测试，在理论上作了比较系统的探索。此后，上部结构与地基基础共 同作用课题成为岩土工程界和结构工程界的一个研究热点，有许多学者如宰金珉等对 此进行了系统而深入的研究，取得了丰硕的成果。朱百里【5 0 】等探讨了土的非线性对共 同作用问题的影响，赵锡宏【5 1 】、杨敏1 5 2 j 对上海高层建筑基础设计理论进行了深入的试 验研究和理论研究。 自上部结构与地基基础三者结合一体共同工作的思想日益为广大学者所重视接纳 以来，国内外学者发展了许多共同作用计算分析方法。在共同作用分析中，上部结构 和基础通常由梁板单元组成，因此可以采用解析方法、有限单元法、有限条法或有限 差分法等建立上部结构和基础刚度矩阵，并利用变形协调条件与地基的刚度矩阵耦合 起来。地基首先需要确定采用何种地基模型：线弹性地基模型、非线性弹性地基模型 西南交通大学硕士学位论文第11 页 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 兰! 曼! 曼! 蔓! ! 曼i i i i；i 曼! 曼曼! 苎! ! 曼曼曼! 曼曼曼! 曼皇曼曼皇! 曼! 曼曼! ! 曼曼! 曼蔓! ! 曼曼曼曼!