（道路与铁道工程专业论文）郑西客运专线湿陷性黄土路基桩板结构分析与优化设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 以郑西客运专线为背景，提出了桩板结构的理论计算模型，分析了桩 板结构的设计荷载，探讨了相关的设计理论，并对桩土相互作用、温度应 力、桩基不均匀沉降以及主要结构尺寸优化等关键技术难题进行了重点解 决，利用“桩土综合剐度”概念解决桩、板、土三者间的相互作用问题， 利用“变形协调”理论解决温度应力以及桩基的不均匀沉降问题，采用 “正交法”优化分析桩板结构的主要尺寸。 根据文中提出的相关理论，采用p a s c a l 语言编制了桩板结构计算软件， 对郑西客运专线最不利工点进行了桩板结构计算与配筋设计。 然后采用三维仿真模型，对设计工点桩板结构进行了数值分析，验证 理论计算模式的合理性与设计的安全性，同时对桩板结构的特性进一步探 讨。 最后针对工点桩板结构型式，采用相似理论进行室内缩尺模型试验， 结合试验结果，分析了桩板结构的动力特性，并进一步验证了理论计算模 式的合理性与设计的安全性。 通过以上分析，文中对桩板结构的理论计算、承力特性、优化设计以 及使用性能做了总结，以为今后的科研及设计提供参考j 关键词：桩板结构：设计理论；优化分析；数值分析：模型试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 a b s t r a c t n ec a l c u l a t i n gm o d e lf o rp i l e b o a r ds t r u c t u r ew h i c hw i l lb eb u i ri nt h e p 丛s 即g e rd e d i c a t e dr a i l w a yf x o mz h c n g z h o ut ox i a nw a sp u tf o r w a r d t h el o a d a n dt h ed e s i g nt h e o r yf o rp i l e - b o a r ds t n t c t u r ew a sa n a l y s e d s o m ed i f f i c u r p r o b l e m so f k e yt e c h n o l o g y h a db e e ns e t t l e d , s u c ha si n t e r a c t i o no f s o i la n dp i l e , t e m p e r a t u r es t r e s s ，d i f f e r e n ts e t t l e m e n to f p i l ef o u n d a t i o na n do p t i m i z a t i o no f t h e m a i ns t r u c t u r a ld i m e n s i o n n l ei n t e r a c t i o no fs o i la n dp i l ew a sa n a l y s e db yt h e c o n c e p to f c o m p r e h e n s i v er i 百d i t y n 壕p r o b l e mo ft e m p e r a t u r es t r e s sa n d d i f f e r e n ts e t t l e m e n to f p i l ef o u n d a t i o nw a ss o l v e db yt h et h e o r yo f d e f o r m a t i o n h a h n o n y a n d t h em a i ns i z ew a s o p t i l i z e db y r e r p e n d i c u l a rt h e o d ， a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya b o v e , t h ec a l c u l a t i n gs o f t w a r ew a sp r o g r a m m e d w i mp a s c a l ，a n dt h ep i l e - b o a r ds t n m t u r ef o rt h ew o r s ：t - c a s ce n g i n e e r i n gw a s d e s i g n e d t h e nt h ep i l e - b o a r ds t r u c t u r ew a sa n a l y s e db yt h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n 。 a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ec a l c u l a t i n gt h e o r yw a sr a t i o n a la n dt h e a c a d e m i cr e s u l t su s e di nt h ed e s i g nw a ss o l u t e a tt h es a m et i m et h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ep i l e - b o a r ds t r u c t u r ew a sd i s c u s s e dm o r e a tl a s t , a i m i n ga it h ep i l e - b o a r ds t r u c t u r eo fe n g i n e e r i n g t h er e d u c e ds c a l e m o d e lt e s tw a sc a r r i e do na c c o r d i n gt ot h es i m i l a rt h c o r y c o m b i n i n gw i t ht h e r e s u l t so ft h et e s t , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ep i l e - b o a r ds t r u c t u r ew a s a i l a l y s e d a n dt h er e s u l t sp r o v e df u r t h e tt h a tt h ec a l c u l a t i n gm o d e li nt h et h e o r y w a sr a t i o n a la n d 也ed e s i g nw a s , , c l l r e b a s e do n 也er e s e a r c hr e s u l t sa b o v e ，s o m ec o n c l u s i o n sh a db e e n s u m m a r i z e da n dt h e s ec o n c l u s i o n sc a np r o v i d es o m er e f e r e n c e st ot h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：p i l e - b o a r ds t m 髓e ；d e s i g nt h e o r y ；o p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a la n a l y s i s ： m o d e l t e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 我国铁路正在实现跨越式发展，新建高速客运专线和改造既有铁路提 速建设方兴未艾客运专线路基工程设计应体现“先进、成熟、安全、可 靠、经济”的原则，高速旅客列车要求路基轨下基础提供高平顺性的轨道 系统，按照京沪高速铁路设计暂行规定，路堤基底以下2 5 m 压缩层内的 路基土不符合基底条件时，应做工后沉降分析。路基工后沉降不应大于 5 c m ，年沉降速率应小于2 c m 年。另外，在铺设无碴轨道的路基地段，轨道 高度调节器要求路基工后沉降不应大于2 c m 。 客运专线对路基工程的沉降要求越来越高，严格的工后沉降控制对路 基的处理提出了更高的要求，特别是湿陷性黄土、深厚软土路基，常规方 法很难满足，迫切的需要逐步开发引入新型的更为有效的路基处理方式。 郑西客运专线是铁道部高速铁路重点建设项目，地基工后沉降要 求不大于1 。5 e r a ，其中d k 2 9 9 3 0 3 区段为深厚松软黄土及湿陷性地 基，湿陷性土层最厚为3 2 2 7 m ，常规的地基处理方法难以满足地基工 后沉降的要求，拟采用桩板结构进行地基处理。 桩板结构是一种处理深厚松软黄土及湿陷性地基的方法，该结构通 过承台板将上部荷载传递到桩体，再扩散到土体和基底，从而达到控 制深厚松软黄土及湿陷性地基路基沉降与变形破坏的目的。该结构曾 在德国纽伦堡一英戈尔施塔特高速铁路软土地质情况复杂线路应用，取得 了成功。 在国内，桩板结构的设计理论并不成熟，有关其使用性能、受力特性 的研究资料及设计资料比较缺乏，而且采用桩板结构处理深厚湿陷性黄土 地基尚属首次，在目前阶段对桩板结构的设计理论、使用性能、受力特性 以及结构优化设计等方面进行分析与探讨具有现实意义。 1 2 湿陷性黄土地质特性 湿陷性黄土。1 是第四纪的一种特殊堆积物，他具有一系列独特的工程性 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 质，其在天然状态下具有很多肉眼可见的大孔隙，并常夹有由于生物作用所 形成的管状孔隙，天然剖面成竖直节理，具有一定抵抗移动和压密的能力，是 一种非饱和的欠压密土。在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸 湿时，土的强度显著降低，在附加压力或在附加压力与土的自重压力下引起 的湿陷变形，是一种下沉量大，下沉速度快的失稳性变形，对工程结构危害性 大。湿陷性黄土分为非自重湿陷性和自重湿陷性两种。非自重湿陷性黄土 在自重压力下受水浸湿后不发生湿陷：自重湿陷性黄土在土自重压力下受 水浸泡后则发生湿陷。 湿陷性黄土的地质特性可总结为以下几点嘲： 1 ) 具有湿陷性； 2 ) 色调以黄色为主，通常为黄褐，褐黄，灰黄，棕黄等颜色； 3 ) 含盐量较大，特别是碳酸盐及其结核含量尤为突出，另外硫酸盐、 氯化物等含量也都比较高； 4 ) 矿物组成主要为石英、岩土矿物以伊利石为主。化学成分为 s i 0 2 ，a 1 2 0 3 和碱土金属钙镁含量都比较高； ， 5 ) 含有大量的粉颗粒( 0 0 5 0 0 0 5 m m ) ，一般占半数以上， 5 5 * 0 - 6 0 者居多，大于0 2 5 毫米的颗粒基本没有； 6 ) 一般具有大孔性，大孔隙常常肉眼可见，空隙比1 0 左右，呈松散结 构状态： 7 ) 天然剖面上呈垂直节理。 1 3 湿陷性黄土路基的工后沉降 由于湿陷性黄土具有大孔隙、受水浸泡后则发生湿陷等特性，在湿陷 性黄土路基上建成的路基不仅沉降量大，而且易发生不均匀沉降。这给线 路运营后的高速行车带来困难。甚至根本不能实现高速行车所以在铁路 建设中，应根据设计标准以及不同的地质和路基构成，采取符合要求而且 最经济的路基处理方法控制湿陷性黄土路基沉降。 欧洲国家高速铁路路基的沉降问题不太突出，对工后沉降也无明文规 定。日本在修建东海道新干线时对路堤沉降无明确规定，建成后因发现了 一系列问题而引起日本专家的重视。日本国铁于1 9 6 8 年首次在规范中提出 工后沉降控制在5 0 e m 之内，后经几次提高标准1 9 7 8 年在修改路基规范时 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 要求路基工后沉降为1 0 c m ，沉降速率为3 c n g 年。我国铁路原本对路基工后 沉降也无明确规定，后来在勘察中提出应控制在5 0 c m 以内；制定重载铁路 路基技术标准时建议采用3 0 c m ，深线路基的工后沉降为2 0 c m ； 时速 2 0 0 k m 新建铁路线桥隧站设计暂行规定提出：秦沈客运专线软士路基的工 后沉降小于1 5 c m 。沉降速率小于4 e r a 年。京沪高速铁路设计暂行规定 提出，路堤基底以下2 5 m 压缩层内的路基土不符合基底条件时，应做工后沉 降分析路基工后沉降不应大于5 c m ，年沉降速率应小于2 c n g 年。另外，在 铺设无碴轨道的路基地段，轨道高度调节器要求路基工后沉降不应大于 2 c m 。 速铁路建设中，由于黄土湿陷而引起工程结构不均匀沉降以及沉降量过 大是铁路建设中的难题。所以在高速铁路设计与施工中，必须采取有效的 工程措施消除地基全部湿陷量，使处理后的地基变为非湿陷性黄土地基，或 消除地基的部分湿陷量，控制下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量或湿陷 起始压力值符合规定数值，从而满足高速铁路路基工后沉降的要求。 1 4 常用湿陷性黄土地基处理方法 湿陷性黄土地基处理工程措施方法很多，常用的方法有：换填法、重锤表 层夯实、强夯法、挤密法、桩基础、预浸水法等旧旧。 1 4 1 换填法 换填法是一种浅层处理湿陷性黄土地基的传统方法，也叫垫层法，处理 厚度一般为l 3 米，用于整体或局部处理地下水位以上的湿陷性黄土。换 填土层与原土相比，具有承载力高、刚度大、变形小的优点。用此法处理 地基能取得良好的经济效益。具体做法是将基础下的湿陷性土层全部或部 分挖出，再将灰土料分层回填夯( 压) 实。这是一种以土治土的传统做法。 其优点是施工简易、效果显著。分层夯实后的黄土其大孔结构破坏，由盐类 对土粒的胶结作用所引起的内聚力消失，孔隙体积减小，土的密实度增大， 从而消除了垫层厚度( 一般为卜3 米) 以内土的湿陷性。对方形基础，垫层厚 度约取1 1 5 b ( b 为基底宽度) ：对条形基础约为1 5 2 o b 。增加垫层宽 度可以收到减少湿限量的效果。垫层每边超出基底的宽度应取不少于垫层 厚度的4 0 ，如为整片土垫层则不宜小于其厚度，且不应小于1 5 米。垫层 施工时一定要保证夯填质量，否则同样会引起严重的湿陷事故。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 2 强夯法 强夯法是一种适应性很强，既经济又简便的地基加固手段，适用于处 理地下水位以上含水量宣低于塑限含水量1 3 的湿陷性黄土地基。处 理厚度一般为3 1 2 m 采用强夯法处理湿陷性黄土地基，先在场内选择有代 表性的地段进行试夯或试验往施工。试夯结束后应从夯击终止时的夯面起 至其下6 1 2 m 深度内，每隔0 5 0 _ l | o o m 取土样进行室内试验，测定土的干密 度、压缩系数和湿陷系数等指标，必要时可进行静载荷试验或其他原位测 试。测试结果当不满足设计要求时，可调整有关参数重新进行试夯。消除湿 陷性黄土层的有效深度，应根据试夯测试结果确定。有效深度内土的湿陷系 数均应小于0 0 1 5 。采用强夯法处理湿陷性黄土地基应控制夯锤质量、落 距、夯击次数以及土的含水量。单位夯击能一般可取1 0 0 0 4 0 0 0k n 3 m ， 土的天然含水量宜低于塑限含水量1 一3 。在强夯施工过程中要测定土的干 密度、压缩系数和湿陷系数。强夯土的承载力宣在地基强夯结束3 0 天左右， 采用静载荷试验测定。 1 4 3 挤密法 挤密法适用于处理地下水位以上，土的含水量w 2 4 。饱和度s r 6 5 的 湿陷性黄土地基。处理厚度为5 1 5 m 。具体方法为，用机械、人力或爆扩成 孔后在孔中灌以砂、石、土、灰土或石灰等材料，捣实而成直径较大的桩 体，利用横向挤紧作用，使地基土粒彼此靠紧，孔隙减少。而且孔被填满 和压紧，形成桩体。桩体具有较高的承载力，群桩的面积约占松散土加固 面积的2 0 ，以致桩和原土组成复合地基，达到加固的目的。 1 4 4 桩基础 桩基础适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土地基，具体做法是用各 种类型的桩穿透湿陷性土层把上部结构的荷载通过桩尖( 或扩大头) 传到非 湿陷性土层上。因此。桩基础起着向深处传递荷载的作用而不在于消除土 体本身的湿陷性。湿陷性黄土浸水后桩身与土之间的摩擦力大大降低，在自 重湿陷性黄土中还会产生负摩擦力，爆扩桩一般适用于穿透不大于8 m 的湿 陷性黄土层。对非自重湿陷性黄土地基其扩大头应支承在压缩性较低的非 湿陷性土层上，对自重湿陷性黄土地基则应支承在密实的非湿陷性土层上。 机械或人工成孔的灌注桩和预制桩可用穿透厚度较大的湿陷性黄土层。扩 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 底灌注桩的支承条件应与爆扩桩的要求相同。不扩底的灌注桩与预制桩应 支承在密实的非湿陷性土层或岩层上。 1 4 5 预浸水法 预浸水法适用于处理湿陷性黄土层大于l o m ，自重湿陷量的计算值不小 于5 0 0 m 的地基。浸水前通过现场试坑浸水试验确定浸水时间、耗水量和湿 陷量等。采用预浸水法处理地基应符合下列规定：第一，浸水坑边缘至既有 建筑物的距离不小于5 0 m ，并应防止由于浸水影响附近建筑物和场地边坡的 稳定性；第二，浸水坑的边长不得小于湿陷性黄土层的厚度，当浸水坑的面 积较大时，可分段进行浸水。第三，浸水坑内的水头高度不小于3 0 0 h m ，连续 浸水时间以湿陷变形稳定为准，其稳定标准为最后5 d 的平均湿陷量小于 l 姗n d 。地基预浸水结束后在基础施工前应进行补充勘察工作，重新评定地 基土的湿陷性，并采用垫层或其他方法处理上部湿陷性黄土层。 1 5 湿陷性黄土地基处理桩板结构法 桩板结构是地基处理的一种新型方法，国外和我国台湾省的铁路建设 中均有采用，国内少有实例。该结构主要由钢筋混凝土桩基和钢筋混凝土承 台板组成，其主要的工作机理是，通过承台板将上部荷载传到桩体，桩体把 荷载扩散到桩间土、下卧层或桩基底岩石层，从而达到控制松软土路基沉 降与变形破坏的目的。 桩板结构是一种较为灵活的结构形式，大致可以分为以下三种m ： 1 ) 独立墩桂式 独立墩柱式桩板结构为桩基与承台板直接相连接的结构，承台板直接 固接或铰接于桩上，此时承台板为多跨连续双向板。 2 ) 托梁式 托梁式由桩基、托梁与承台板三部分组成，托梁连接横向桩基，其上 再与承台板相连，桩基与托梁固接，承台板与托梁固接或铰接，此时承台 板为多跨连续单向板，在局部活载作用下为双向板。 3 ) 复合式” 复合式则为独立墩柱式、托梁式的组合结构，中跨采用独立墩柱式， 边跨为托梁式。 三种桩板结构有很多共性又各有其特点，其中，独立墩柱式板体不单 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 纵横两方向，而且视支撑情况可以任意方向共同受力。托梁式板体则主要 纵方向受力，其设计较独立墩柱式要简单，总体来讲，托梁式桩板结构形 式相对来讲要简单，是典型的桩板梁式结构，利于设计与推广。 1 6 本文的主要工作 鉴于且前国内对桩板结构的研究和认知处于初步探索阶段，缺乏有 关其计算理论和设计理论的资料，因此本文从浅处入手，并由浅入深， 针对郑西客运专线桩板结构主要做了以下几方面的工作： 1 ) 理论计算模型 桩板结构是比较复杂的结构，完全按照结构的实际情况进行力学分 析是不可能的，也是不必要的。因此，对桩板结构进行力学计算之前， 可以加以简化，略去不重要的细节，显示其基本特点，用一个简化的图 形来代替实构，这种经过了简化的图形称为结构的计算模型。如何对桩 板结构进行简化，并建立合理的桩板结构的理论计算模型，是对桩板结 构进行分析时首先要解决的问题。 2 ) 桩板结构的荷载分析 桩板结构的受力比较复杂，主要包括结构自重、列车活载、温度应 力、离心力、扣件阻力、摇摆力、混凝土收缩徐变的影响等。结构计算 中受力分析的正确与否将直接影响计算结果的可靠性。该部分工作重点 是如何正确的将空间荷载进行简化分析。 3 ) 桩土相互作用、温度应力、不均匀沉降等的计算理论 该部分内容是本文工作的重点之一，桩板结构是一种新型结构，在 桩板结构计算中如何考虑桩土相互作用、温度应力、不均匀沉降是比较 棘手的问题，也是桩板结构计算的核心问题。本文希望在解决这一系列 问题上能找到纸上就可以解决的办法。 4 ) 桩板结构设计理论与方法 结构的推广与发展需要有成熟的设计理论、设计标准作为依据，桩 板结构是一种新型结构，没有可以依据的设计规范，因此希望在这一部 分内容中归纳整理出适合于桩板结构的设计理论与方法。 5 ) 桩板结构优化设计，合理的桩板结构形式 结构优化设计在实际工程应用中得到了迅速的发展，通过优化使结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的造价低、重量轻、刚度好，一改往日的保守设计，在实际工程结构中具 有重要意义。寻求即安全又经济的合理的桩板结构形式是桩板结构设计中 必不可少的工作。也是本文工作的重点之一 6 ) 桩板结构受力特性及使用性能 这部分工作内容及其相关成果是铁路建设者比较关心的。桩板结构 的承力特性如何? 其使用性能是否优良? 本文希望通过分析之后给出较 为客观的答案，以为铁路建设者们提供参考 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章设计理论 2 1 桩板结构与轨道结构 2 1 1 桩板结构 郑西客运专线采用双线托梁式桩板结构，主要由托梁、桩基、承台板 三部分组成，见图2 1 i 承台板为现浇钢筋混凝土板，托梁为现浇钢筋混 凝土梁，桩基为钻孔灌注桩，桩板结构采用三跨为一联，相邻联处共用托 梁和桩基，相邻联的板问横向预留2 c m 桩与托梁均固接，1 # 、4 # 托梁与 承台板搭接，2 # 和3 # 托梁与承台板固接。考虑双线行车对板的动力作用 问题，承台板采用上下行线双板分幅设置，以降低横向扭曲变形，减小单 线过车对桩板结构整体使用性能的影响。承台板的宽度根据路肩宽度和轨 道结构宽度等确定。板宽采用2 4 9 9 m ( x x 线) ，中间预留2 0 e m 构造缝； 托粱根据承台板宽度确定，取为1 0 4 m ：桩基横向桩间距为铁路线间距5 m , 纵向桩间距为承台板跨度。 2 1 2 轨道结构 轨道结构由混凝土底座、道床板、轨道和扣件等组成。道床板，采用 c 4 0 钢筋混凝土，其结构尺寸为，长宽x 高= 4 ，9 3 m x2 8 m x0 3 2 m , y = 2 5 k n 3 ；混凝土底座，采用c 4 0 素混凝土，其结构尺寸：长宽x 高= s m x 2 8 m x 0 2 m ，y - - - 2 5 k n m 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 - 横断面b 纵断面 图2 卜1 桩板结构断面 2 2 设计内容 设计内容主要包括结构尺寸设计、结构计算、配筋设计以及施工图设 计四部分。详细设计内容如下： 设计内容 r 承台板：板高t 、扳跨l 结构尺寸设计 托粱：粱高t 、梁宽b l 桩：桩径d 、桩长f 厂承台板：设计弯矩、设计剪力 结构计算 托梁：设计弯矩、设计剪力 l 桩：设计弯矩、设计剪力、设计轴向压力 广承台板：配筋率、挠度验算、最大裂缝宽 配筋设计 托梁：配嘉萋 釜鬓曩萎昙茎銮茎角验算 l 桩基：配筋率、单桩竖向承载力验算、沉 降验算 厂承台板施工图 施工图设计一托梁施工图 l 桩施工图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 设计原则 郑西客运专线桩板结构为桩、托梁、承台板组合钢筋混凝土结构，结 构设计时需要依据使用要求并结合现有的施工条件以及经济因素合理的选 择设计参数。 本文进行桩板结构设计时遵循了下述几方面的原则： 乱安全，设计的桩板结构在强度、稳定、耐久性方面应有足够的安全储 备； b 适用，桩板结构在通过设计荷载时不能出现大的变形和过宽的裂缝宽 度； c 经济，遵循方便施工的原则，设计中考虑耗材少、维修的方便和维修 费用少，维修时尽可能不中断交通，或中断交通时间最短 2 4 设计荷载 桩板结构计算工作中主要包括三个部分：确定结构计算模型、选定荷 载和结构分析计算。其中荷载的种类、形式和大小选择是否恰当，关系到 桩板结构的安全使用。 桩板结构的设计荷载在时间上可分为永久荷载( 恒载) 和可变荷载 ( 列车活载、温度荷载等) ，在空间上可分为竖向荷载( 结构自重、列车 活载) 和水平荷载( 离心力、摇摆力，扣件阻力等) 2 4 1 竖向荷载 竖向荷载主要包括恒载与可变荷载。 恒载是指作用位置和大小、方向不变的荷载。作用在承台板上的恒载 主要是承台板自身的重力及附属轨道结构外加重力；作用在托梁上的荷载 主要是托梁自重以及承台板上乘结构传递下来的静载；作用在桩上的荷载 主要上都托梁结构的恒载作用力、桩本身自重、土压力以及正负摩阻力。 可变荷载主要是列车活载，郑西客运专线设计活载采用z k 一活载嘲，活 载形式见下图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 0 0 k n 卸讲一2 0 0 k n 嘲州 z k 标准活载图示 图2 4 _ 1z k - 活载图示， 考虑列车活载作用进行计算时嚣乘以动力系数，动力系数伽按下式计 算： 动力系数：计算剪力时；声：1 1 1 1 堑一+ o 9 1 3( 2 1 ) 、0 0 2 “ 计算弯矩时：1 型坚i _ + 0 8 5 1( 2 2 ) 一0 2 l 一加载长度( m ) 。 2 4 2 水平荷载 水平荷载可按横向、纵向分开考虑。横向主要包括列车摇摆力、离心 力、混凝土收缩徐变影响；纵向主要包括长钢轨纵向水平挠曲力、牵引力 或割动力以及故缩徐变影响力等。”温度萄载也是水平萄载，因其情况特 殊，单独在2 4 ，3 中讨论。 2 4 2 1 横向 1 ) 离心力“帅。： 桩板结构在曲线上时，应考虑列车竖向静活载产生的离心力。离心力按 下列公式计算： f = 2 0 0 x 4 + 6 4 ( 3 l - 1 6 x 4 ) 高3 ( 2 3 ) f 为离心力折减系数，按下式计算： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 f = 1 2 s - v - 8 0 1 0 2 0 半彻) ( 1 - j 芋) ( 2 4 ) 8 0 0 、v 7 v 工 i 承台板跨度m , v 一设计列车车速m h ： r 曲线半径m 。 设计路段桩板结构位于直线上，不考虑该项荷载。 2 ) 横向摇摆力“”： 横向摇摆力取1 0 0k n ，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向 垂直线路中线作用于钢轨顶面。多线承台板只计算任一线上的横向摇摆 力。计算最不利摆放位置见图2 4 2 此时4 稃桩有最大横向水平力为；( 1 0 0 1 2 ) 2 - - 2 5k n 。 ( )qo + 承台扳 - k 、 、堑墼 占( )o。 1 0 0 k n 图2 4 2 横向力加载位置示意图 3 ) 收缩徐变的影响嘲： 混凝土收缩的影响，可按降低温度的方法来计算。对于整体灌注的混凝 土结构，相当于降低温度1 5 c ，所以考虑收缩徐变的影响时，只需在计算温 度荷载时，对结构施加一1 5 的温度荷载。 2 4 2 2 纵向 纵向力( f ) 包括长钢轨纵向水平挠曲力、牵引力或制动力以及收缩徐 变影响等，所有传递至轨道结构的纵向力均靠扣件纵向阻力来提供平衡， 为方便计，纵向受力进行如下简化计算，每组扣件设计阻力为6 5 k n ，则： f - ( 2 l 0 6 2 5 + 1 ) x 6 5 x2 ( 2 5 ) 2 ，4 3 温度荷载 温度应力主要来自于承台板顶面与底面的温差。在桩板结构中，由于 混凝土承台板结构底面与地基接触，而地基的温度又相当稳定，受外界环 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 境温度变化的影响很小，因此，相对于承台板顶面的温度变化来说，底面 的温度变化比较缓促。而承台板顶面( 轨道板两侧) 受日辐射和气温变化 等因素影响下温度变化较为迅速，内部温度随之也发生变化。由于混凝土 材料的导热性能较差，因此形成外表面温度高、内部温度低的温度分布状 态。在最不利气象条件下；即无云天，有年最大的日辐射强度。风速接近 于零，而前一天又处于较低气温的阴天等情况下，这将在承台板中产生最 不利的温差分布状态，也就是在结构中发生最大温差荷载。最大温差约在 地方时间1 4 时左右出现。大约在早晨7 时左右( 日出前) 混凝土板中温差几乎 接近零，整个承台板中的温度分布基本一致，此时可作为温差压力分析计 算中的基准零点约在地方时间2 l 时左右混凝土承台板中的温度分布又会 达到基本一致状态在这三个时刻之间，板中的温度分布将出现各种不同 状态，但从设计控制温差荷载考虑，只需要取两种最不利状态，即下午1 4 时左右出现的顶面与底面之间的正温差荷载；零点左右的顶面与底面之间 的负温差荷载“。两种温差荷载的分布见下图。 ， 圉2 4 - 3 混凝土板正负温差荷载分布示意圈 因缺乏合适的工点实测资料，参照混凝土桥顶板温差荷载的分布情 况，拟定承台板的温差荷载为如下形式： l = r o e 一9( 2 6 ) t 广距顶面为y 处的温差； t o 一板顶面与底面之间的温度差； a 一指数值； ) 卜_ 一以板顶面为原点，向下为正，单位m 。 2 4 3 1 伸缩温度应力 混凝土结构中，由于均匀升温或降温产生的伸缩应力，实际上亦是一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 种温差应力。伸缩应力计算公式如下： 盯o = e r o 口 ( 2 7 ) 式中： o 0 _ 一混凝土伸缩应力； a _ 膨胀系数，取为0 0 0 0 0 1 ： t 0 板顶面与底面温差； e - 混凝土变形模量。 2 4 3 2 梯度温度应力 温差应力是由于混凝土板顶面与底面间温差荷载而产生的，不论结构 的顶面、底面间温差如何分布，都存在这种温差应力。温差应力按下式计 算【1 2 1 ： o 0 = g 瓦研等+ 等( 知彳z 8 ) 其中： o 0 _ 一混凝土伸缩应力5 a 膨胀系数，取为0 0 0 0 0 1 ； e 混凝土变形模量； 6 板厚，单位m r y _ 计算点距板顶面的距离，单位m 。 a 一指数值，1 4 时取为1 0 ，负温差时取为1 4 ； t 0 _ 一板顶面与底面温差，1 4 时取为2 0 ，负温差时取为一1 0 ； k 1 ，k 厂系数。 其中k l ，k 2 可按下面公式( 2 9 ) 计算： k 】_ t 1 - - e - a 8 ：k 2 = k 1 6 2 一坚掣a 塑( 2 9 ) k 】_ _ ：一二l 严( 2 9 ) d 计算公式中a t o 取值参照规范”4 j 选取。 2 4 4 荷载组合效应 上面几节分析的各种荷载及外力，并非同时作用于桩板结构上，它们发 生的概率也各不相同，因此，桩板结构设计时，应根据结构的特性，考虑 它们同时作用的多种可能性进行适当的组合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 在桩板结构设计中，当采用极限状态法设计时，应根据不同的极限状态 和荷载组合，给出不同的荷载安全系数；当用容许应力法时，则应按不同 的荷载组合给出不同的材料的容许应力值。 2 5 设计内力 2 5 1 计算模型 郑西客运专线桩板结构( 见图2 1 1 ) 为超静定结构，结构形式比较复 杂，对其进行受力分析时，不仅要考虑桩土之间的相互作用【1 5 】，而且要考 虑温度应力以及桩基不均匀沉降1 1 6 】等的影响，分析过程较为复杂，且存在 诸多难点，桩板完全按照结构的实际情况进行力学分析是不可能的，也是 不必要的。因此，对桩板结构进行力学计算以前，可以加以简化，赂去 不重要的细节，显示其基本特点，用一个简化的图形来代替实构，这种 经过了简化的图形称为结构的计算模型。 本文按等刚度的原则，把空间的桩板结构分别按纵向、横向转化为平 面结构进行分析，同时结构自重恒载与列车活载简化为均布荷载作用在平 面杆件上： 1 ) 纵向，对承台板受力、变形以及桩的纵向受力、变形进行分析； 2 ) 横向，对托梁受力、变形以及桩横向受力变形进行分析。 按上述转化进行分析主要基于以下几点： 1 ) 承台板为多跨连续单向板，只在纵向承受弯矩，无须进行横向受力 计算分析； 2 ) 托梁纵向刚度大，主要起传递力的作用，无须进行纵向受力计算分 析： 3 ) 计算时，取荷载最大位置断面进行分析，计算结果偏于安全； 4 ) 有利于降低不均匀沉降、温度应力的分析难度。 纵断面计算模型图式及荷载分布筒见图2 5 1 ，图中：x 为列车驶入距 离，q 2 和q 2 为列车活载，q 1 为作用在承台板上的恒载；横断面计算模型图 式及荷载分布简见图2 5 2 ，q 为作用在托梁上的均布荷载( 包括恒载、列车 活载) 。水平荷载对承台板托梁受力影响较小，故只在计算桩的内力和变 形中考虑。另外考虑到桩板结构在使用阶段，随着地基土由于湿陷而产生 沉降，以及桩板结构在列车活载作用下而产生的振动作用，承台板底部土 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 体将与承台板体脱离，所以计算种不考虑土对托梁以及承台板的支撑作 用。 图2 5 - 纵断面计算简图及荷载分布示意田 圈2 5 - 2 横断面计算简围及荷载分布示意圈 确定了理论计算模型后，可用力矩分配法、力法“”求解承台板、托梁 的内力及变形，用m 法求解桩的内力及变形，用分层总和法“”分析桩的工 后沉降。力矩分配法、力法、m 法以及分层总和法的基本原理及推导很多 文献都有论述，在此不再赘述。下面只针对计算中的难点与重点进行讨 论。这主要包括：桩土相互作用、温度荷载效应以及桩基的不均匀沉降三 部分内容。 2 5 2 桩土相互作用计算 力矩分配法对桩板结构进行受力分析时，力矩分配系数的计算是至关 重要的一步。力矩分配是按刚结点各杆的转动刚度比进行分配的，某刚结 点a 的某一杆端的分配系数就等于该杆的转动刚度除以汇交于刚结点a 的各 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 杆转动刚度之和。在图2 5 1 和图2 。5 。2 中的a b 、b c 、c d 孝于的转动刚度可直 接按结构力学刚度计算公式求得：如果不考虑土对桩的作用，b e 、c f 杆的 转动刚度可按亦可按结构力学的转动刚度计算公式求得。但事实上，因为 桩插入土中，土对桩的作用“”是不能忽略的，其转动刚度应为桩与土共同 作用的结果，应由土的性质、桩长、桩的截面形状和尺寸、桩的材料等来 决定。这里称这个刚度为“桩土综合转动刚度”，其物理意义为：桩土相 互作用下，桩顶抵抗转动变形的能力。 对桩土的综合刚度的分析，国内已有研究。桩土综合转动刚度对桩 板结构的计算非常有意义，它解决了计算时不能很好的考虑桩土相互作用 的难题，使得计算模型更为合理，并且易于理解与推广 目前我国较常用的分析桩土相互作用的方法主要有两种：地基系数法 和有限元法嘲。各种方法均要进行某些简化。目前规范中多采用地基系 数法对桩进行分析与设计。地基系数法分析桩是将地基土看成弹性介质， 主要是以捷克学者温克尔的“弹性地基”假说为计算理论的基础 本文选择采用“地基系数法”来推导桩板结构桩土的综合转动刚度计 算公式。分析过程如下： 郑西客运专线桩板结构桩均为摩擦桩，设地基系数k = c y ，桩的挠曲微 分方程如下： 即等q y - - 0 或 等一= 。 ( 2 1 0 ) 式中： 厨 拈i ( 2 1 1 ) y x 其中：q 一桩的变形系数( 1 m ) ； c 一地基系数，根据试验获得，无试验数据可根据建筑桩基技 术规范规定取值t 西； b p 桩的计算宽度( m ) ，矩形桩b p = l + d ，圆桩 b p = 0 9 ( 1 + d ) ： d - - 桩的直径( n 1 ) ： e ，一桩材料的弹性模量( t m 2 ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 i 一桩截囱的惯性矩( m 4 ) ，i = d 6 4 ： w z 抗弯截面系数，w z = d 3 3 2 。 运用材料力学中有关梁的挠度b 与转角哆弯矩膨，剪力g 之间的关系 即：， 哆= 鲁；呜= 争；g = ( 2 1 2 ) 用幂级数啪1 展开的方法可求解出桩的挠曲微分方程的解，然后根据桩 底的边界条件( 郑西线地基为深厚湿陷性黄土，桩底按自由端考虑) ，可得 到桩顶的水平位移与转角计算公式嘲脚： 铲寿籍等+ 等瓮差泣埘 = 面m o 砀c 3 a f 4 - a 丽3 c 4 + 历q o 面d 3 a i 4 - a 酉3 d 4 ( 2 1 4 ) 其中： 纠+ 喜( - 1 ) i 箐删i-1o， 鼠= 幽+ 知k s l ) 湍( 妒1、m 1 ， c l = 壶+ 扣) 潲( 圳( 4 ：高；盈：鑫；g ：急f q j 5 坞= 羔；马= 裔；g = 急i 4 = 鑫：皿= 鑫；c = 鑫 然后令m 。= l ，民= 0 联立( 2 1 3 ) ( 2 。1 4 ) 即可求得桩土的综合转动 刚度计算公式； 如去2 雨琢蒜警箫等嵩按丽c z ( c 3 以一4 c 4 ) ( b d 4 一岛只) + ( c 4 马一c 3 只) ( b 4 一呜d 。) 一 目前常见的弹性桩的例题的解法多采用幂级数求解。对于弹性桩的计 算也可以采用三角级数3 讲行求解限于篱幅存此不再稗诛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 为了便于计算，可采用换算桩长对桩板结构进行计算。换算桩长是将 与土相互作用的实际桩长换算为与土无相互作用的桩底铰接或固结的假想 桩长。换算桩长可按实际桩土综合转动刚度与换算桩转动刚度等刚度的原 则求得。 如换算桩底视为铰接，则按桩土综合转动刚度换算桩长h 的计算公式如 下： h 蕞= 3 e i i g ( 2 17 ) 需要注意得是，按平动刚度、转动剐度换算得桩长并不相等，计算时 应根据需要进行选择。 2 5 3 温度荷载效应计算 桩板结构为超静定结构，需考虑温度应力的影响。在图2 5 1 中，结点 b 、c 为刚结点，对b c 杆需进行温度荷载效应计算。计算原理、过程及相关 计算公式推导综述如下： 1 ) 伸缩温度分析 假设b c 跨度为l ，按计算公式( 2 7 ) ，如果两端约束变形，则伸缩应力 为：c r o = e r o a ；如果杆两端不约束变形，则要释放大4 a o 的温度应力，承 台板伸缩量为： a l = a o l e = ：t o 吐 ( 2 1 8 ) 而实际温度应力不会全部释放，根据变形协调条件当桩顶不发生转动 时： l - - - - l ，+ l 璧 ( 2 1 9 ) 其中：l 释放变形； ， i 广未释放变形： 然后根据公式( 2 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 有以下关系： 厶：生c , b 3 - c 3 b , 十皂b 3 d 4 - d 3 8 4 ( 2 2 0 ) 1 a e l l4 口4 一曰3 以 口3 e ia 3 8 4 一曰3 以、 7 堕等等+岛而d3a4-a3d4aeji-4b 4 4 b = ”。仁2 ， 34 一b l a | e ia 3 一b 3 a | 、+ 根据力的平衡条件有以下公式： q o = l 2 e b h l( 2 2 2 ) 根据公式( 2 2 0 ) 到( 2 2 4 ) 可求得b e 、c f 的杆端弯矩，两杆端弯矩 西南交通大学硕士砑究生学位论文第2 0 页 大小相等，正负相反。 求得杆端弯矩后，利用力矩分配法、力法即可求得在拉伸温度应力作 用下结构的内力和变形。 2 ) 梯度温度分析 分析原理同拉伸温度分析，如果轩两端不约束变形，则完全释放温度 应力产生的转角为； 。口：垫嘎掣 ( 2 2 3 ) 2 e ， 、 而实际温度应力不会全部释放，根据变形协调条件求得各杆端弯矩如 下： ( 2 2 4 ) 式中：卜桩土的综合转动刚度； 卜承台板变形模量： i - - 承台板计算断面横断面截面转动惯量 求得杆端弯矩后，利用力矩分配法、力法即可求得在梯度温度应力作 用下结构的内力和变形。 2 5 4 桩基不均匀沉降计算 在桥梁基础设计时需考虑5 m m 的不均匀沉降1 3 0 1 ，郑西客运专线桩板结 构用于处理湿陷性黄土，由于湿陷土层并非均匀，而且桩板结构受力情况 复杂，桩基发生不均匀沉降的可能性较大，不均匀沉降是桩板结构设计中 不可忽视的一个问题，因此参考桥梁设计规范在桩板结构设计中亦考虑桩 基5 m m 的不均匀沉降。这要求我们对桩基所产生的5 m m 的不均匀沉降对桩 板结构上部结构造成的影响进行计算。 对于不均匀沉降分析可按支座位移考虑，具体步骤操作如下哪瑚1 ： 1 ) 约束桩顶转动，分别计算单桩沉降5 m m 时( 即支座a 、b 、c 或d 竖 向位移5 m m ) 各杆端弯矩； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 ) 释放桩顶约束，用力矩分配法求得各杆端最终弯矩。 约束桩顶变形，纵断面各杆端弯矩计算公式可参见表2 5 1 选取，横断 面计算较为简单，从略。 表2 5 1 纵断面不均匀沉降杆端弯矩计算公式表 项目m 0m b cm 曲m c d 1 撑桩沉降 1 5 e i l 2o0o 2 # 桩沉降 1 5 e i l 23 0 e 孵 3 0 e i l 20 3 存桩沉降 o3 0 e i l 23 0 e i l 21 5 e i l 2 甜桩沉降 o oo1 5 e i l 2 对于不均匀沉降分析也可以用力法进行计算，但分析过程较为复杂，不 如力矩分配法省时省力。 2 6 配筋设计 2 8 。1 承台板结构配筋设计 本文桩板结构配筋设计采用容许应力法，参照结构设计原理以及相关结 构设计规范。认为桩板结构配筋设计时需遵循以下规定【h l ： 1 ) 截面最小配筋率：受弯及偏心受压构件的截面最小配筋百分率( 仅 计受拉区钢筋) 取为0 1 5 。 2 ) 混凝土的保护层厚度：钢筋混凝土结构最外层钢筋的净保护层厚度 不得小于3 5 m a ，并不得大于5 0 m ，对于顶板有防水层