（道路与铁道工程专业论文）武广客运专线软土地基桩板结构设计与应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 桩板结构处理深厚松软土地基，可有效控制路基沉降，体现了客运专 线路基工程设计“先进、成熟、安全、可靠、经济”的原则。然而有关桩 板结构与地基土相互作用、桩板结构使用性能、受力特性的研究资料及设 计资料比较缺乏。对高速列车荷载作用下桩板结构的动力响应的研究较 少，桩板结构的设计方法亦不统一。因此，针对桩板结构设计方法、桩板 结构与地基土相互作用、桩板结构控制工后沉降效果、列车高速行驶下桩 板结构的动力响应等问题进行分析与探讨具有现实意义。 以武广客运专线为背景，提出了桩板结构的平面简化计算方法，分析 了桩板结构的设计荷载，探讨了相关的设计理论，对桩板结构与土体相互 作用、桩基不均匀沉降等关键技术难题进行了重点解决，利用节点弹簧模 型解决桩土相互作用问题，利用线弹簧解决板与土、托梁与土相互作用问 题。对计算中桩板结构重要参数进行了影响性分析，并对桩板结构长期使 用过程中可能出现的桩板结构与土体相互作用的弱化后桩板结构内力与变 形作了分析预测。 根据文中提出的相关理论，采用v b 语言编制了桩板结构设计软件，实 现了对桩、托梁、承台板的配筋设计。然后建立三维动力仿真模型，对设 计工点桩板结构进行了数值分析，研究了列车荷载作用下桩板结构的动力 响应，探讨了桩板结构动力响应与列车时速的关系。最后针对工点桩板结 构型式，进行现场试验测试，结合试验结果，分析了桩板结构的受力及变 形特性，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，对桩板结构的计算理论、设计方法、动力特性以及使 用性能做了分析与讨论，为今后的科研及设计提供参考。 关键词：桩板结构；平面简化计算：设计方法；动力数值分析；现场试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t 强et r e a t m e n ti nt h es o f tg r o u n db yu s i n gt h ep i l e - b o a r ds t r u c t u r ei sa b l et o c o n t r o lt h es e t t l e m e n te f f e c t i v e l y ，a n dt h i s d e s i g n c a r lr e f l e c tt h ep r i n c i p l e so ft h e a d v a n c e ，m a t u r e ，s a f e t y ，r e l i a b i l i t y ，e c o n o m i ci nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e w h i l e ，t h e r e l a t i v er e s e a r c h e so nt h ei n t e r a c t i o no ft h ep i l e b o a r d s o i l ，t h es e r v i c ep e r f o r m a n c e ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ff o r c e ，a n dt h ed e s i g nd a t aa r el a c ka tc u r r e n t i na d d i t i o n ，t h es t u d y0 1 3 t h ed y n a m i cr e s p o n s e so fp i l e b o a r ds t r u c t u r eu n d e rt h et r a i nl o a di sn o tm u c h ，a n dt h e d e s i g nm e t h o di sn o tu n i f o r m s ot h e s er e s e a r c h e sm e n t i o n e da b o v eh a v et h ep r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ew u h a n - g u a n g z h o up a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，t h ep l a n a rs i m p l i f i e d c a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ep i l e b o a r ds t r u c t u r ei sp r e s e n t e d ，a n dt h ed e s i g nl o a di sa n a l y z e d s i m u l t a n e o u s l y ，t h ed e s i g nt h e o r yi se x p l o r e dp r e l i m i n a r y l y ，a n dt h ek e yp r o b l e m so nt h e i n t e r a c t i o na m o n gp i l e - b o a r d - s o i la n dt h en o n - u n i f o r ms e t t l e m e n ta r er e s o l v e db yu s i n gt h e n o d a l - s p r i n g st os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o no fp i l e - s o i la n du s i n gt h el i n e a rs p r i n g st os i m u l a t e t h ei n t e r a c t i o no fb o a r d s o i la sw e l la st h ej o i s t - s o i l t h ee f f e c t so ft h ec h i e fp a r a m e t e r so n t h ep i l e b o a r ds t r u c t u r ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ep r e d i c t i o no ft h ei n t e m a lf o r c ea n d d e f o r m a t i o nr e s u l t e df r o mt h ew e a k n e s so ft h ei n t e r a c t i o na m o n gp i l e - b o a r d - s o i lc a u s e db y t h el o n g - t e r mu s a g ea r em a d e n ed e s i g ns o f t w a r eo ft h ep i l e - b o a r ds t r u c t u r ei sp r o g r a m m e db yu s i n gt h ev b l a n g u a g eb a s e dt h ep r o v i d e dd e s i g nt h e o r y ， s ot h er e i n f o r c e m e n t so ft h ep i l ea n dj o i s ta n d b o a r da r ea t t a i n e ds i m p l y at h r e e d i m e n s i o nd y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h e n u m e r i c a la n a l y s i so ft h ed e s i g n e dp i l e b o a r ds t r u c t u r ei sc o n d u c e d m e a n w h i l e ，t h e d y n a m i cr e s p o n s e so fp i l e b o a r ds t r u c t u r eu n d e rt h et r a i nl o a da r ea n a l y z e d ，a sw e l la st h e r e l a t i o nb e t w e e nt h er e s p o n s ea n dv e l o c i t yo f t h et r a i n t h ei n s i t ut e s to fp i l e - - b o a r ds t r u c t u r ei sc o n d u c e da n dt h er e s u l t so ft h ep r o p e r t i e so f t h ei n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o na r ea t t a i n e d t h er e a s o n a b i l i t yo ft h ec a l c u l a t i o nm o d e l a n dt h es a f e t yo ft h ed e s i g na r ev e r i f i e d f r o mt h ea n a l y s i sa b o v e ，t h et h e o r yt oc a l c u l a t e ，m e t h o r dt od e s i g n ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo fp i l e b o a r ds t r u c t u r ea r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d ，w h i c hc a r lo f f e rr e f e r e n c ef o rs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dd e s i g ni nt h ef u t u r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 k e yw o r d s ：p i l e - b o a r ds t r u c t u r e ；p l a n a rs i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nm e t h o d ；d e s i g nm e t h o d ； d y n a m i cn u m e r i c a la n a l y s i s ；i n - s i t ut e s 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 不保密口l 适用本授权书。 学位论文作者签名内吣怪曷勃 日期：d 穹，v i吩 彬万哆 名签币d i y 教： 导期 指日 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它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，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 论文创新点如下： 本文依托武广客运专线工程实际，提出基于地基土与桩板结构相互 作用的平面简化计算方法，详细分析了桩板结构主要参数对桩板结构内 力与变形的影响及列车荷载作用下桩板结构的动态响应，并针对目前桩 板结构两种设计方法编制了设计软件。开展了现场试验，验证了理论计 算模型的正确性和安全性，对指导进一步的工程实践具有重要的意义。 学位论文作者签名： 妣晦县鸟咕 吼r 肿日 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 自1 9 6 4 年日本建成东京至大阪世界上第一条高速铁路3 0 多年来，高速 铁路从无到有，蓬勃发展。据不完全统计，全世界拥有或正在建设高速铁 路的国家和地区已经达到1 2 个，进行研究和规划的国家有6 个，已经建成高 速铁路新线长达4 6 2 4 公里，正在建设的线路有3 5 0 9 公里。2 1 世纪的铁路运 输业将会出现轮轨系高速铁路的全面发展，全球性高速铁路网建设的时期 已经到来。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，高速旅客列车要求桥梁、隧道、路基等轨下基 础提供高平顺性的轨道系统。 武广线韶关至花都段的平原、丘陵山间广泛分布软土及松软土，根据 定测资料初步统计，全段共分布软土及松软土8 5 处，2 1 3l k m 。由于设计标 高等原因有不少地段以低路堤形式通过。在填土较低的路堤中，列车荷载 没有在路堤内得到充分扩散就传递到路基中，加剧了路基的沉降变形。同 时，列车荷载引起的振动也容易导致路基土层的不均匀沉降，而这种不均 匀的累计沉降对轨道结构的受力影响较大，缩短了轨道的使用寿命。目前 国内对不同类型的软土特性及其工程措施已有研究，多采用碎石桩、c f g 桩、旋喷桩、砂桩、桩网结构等经济有效、省时、环保的加固地基措施， 也可采用国内新兴的桩板结构。桩板结构是适于处理深厚松软土地基的一 种路基结构，可严格控制路基沉降。该结构曾在德国纽伦堡一英戈尔施塔 特高速铁路及荷兰比利时高速铁路软土地质情况复杂线路应用，取得了 成功。但在我国铁路、尤其是高速客运专线中采用桩板结构处理深厚软土 地基尚属首次，其结构形式、设计方法等都需要进行研究确定。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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 我国及国外许多学者对桩板结构开展了研究，设计主要采用了静力设 计的方法进行配筋验算，然而有关桩板结构与地基土相互作用、桩板结构 使用性能、受力特性的研究资料及设计资料比较缺乏。对于实际工程中桩 板结构控制工后沉降的效果、高速列车荷载作用下桩板结构的动力响应的 研究并不多，桩板结构的设计方法亦不统一。因此，针对桩板结构设计方 法、桩板结构与地基土相互作用、桩板结构控制工后沉降效果、列车高速 行驶下桩板结构的动力响应等问题进行分析与探讨具有现实意义。 列车的高速行驶要求线路提供足够的轨道平顺性，高速铁路开始委只 量纛蠹喜霎巍鬟黧誊懋雾赢嚣毳淼耋 鍪然量i 常然笔罢主篇篙霉鲁雾茹搿凝銎蒜 僦黧蒜鬟瓣嚣襄霎装善譬譬箍 人员独立自主研发出多种结构形式已应井j 在多条各压专蕺工土雪。程且 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 荷比高速铁路阿姆斯特丹至布鲁塞尔线，全线铺设无砟轨道，大量采 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 。 图1 2 3 无沉降桩板结构示意图 英法海底隧道连接线在穿越一个沼泽地区时有7 k i n 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2 5 m ，桩板结构上部铺设有砟轨道。 图12 - 4 英法海底隧道连接线( 英国段) 桩板结构示意图 我国在京津城际高速铁路在软土地基段采用桩板结构。桩基采用c f g 桩时，桩径04 m ，桩间距10 1 m 一2 4 m ，桩顶设0 1 5 m 碎石垫层，碎石垫层 上设0 5 m 厚钢筋混凝土板；桩基采用预制管桩时，桩径0 5 m ，桩间距 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 n 广1 8 m ，桩顶设01 5 m 或0 5 m 碎石垫层，碎石垫层上设05 m 厚钢筋混凝 土板：桩基采用钻孔灌注桩时，桩径0 8 m ，桩间距2 o m 一2 6 m ，桩顶设 o 5 m 碎石垫层，碎石垫层上设o 5 m 厚钢筋混凝土板。钢筋混凝土板每1 0 n 广 1 5 m 设置一道伸缩缝，现场浇筑施工。 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已建 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) 之间短路摹、道岔区路基等【“。 _ = _ _ _ ? _ 二叶一_ = 五= ；= 善一一工荽芗哩 ：! 兰薹：= 互妻圣三苎兰三：兰凳一 = = ：。一。 苎型婪l 兰生 图12 - 5 遂输线桩一板结构鼯基( 单位：m ) 文献 3 通过借鉴国外及中国台湾地区高速铁路建设经验，提出采用支 承于桩基础上的弹性地基梁来代替土质路堤是控制沉降的有效方法，纵向 桩间距2 o m 一3 o m ，采用预制桩时推荐横向桩间距为】6 m ，采用钻孔灌注 桩时推荐横向桩间距为z o r n 。 a ) 有砟轨道b ) 无砟轨道 图1 2 - 6 客运专线弹性地基粱( 单位：c m ) 文献【4 】从控制低矮路堤沉降的角度，提出一种新型路基建筑形式一无 粱板板柱结构。无粱板横宽1 3 4 m ，沿铁路纵向1 8 2 m ，板厚1 2 0 e r a ，为了减 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 少圬工两边设置为悬臂板；桩柱采用直径5 0 c m 的预应力混凝土管桩，桩长 5 0 m ，桩横向设置6 排，纵向间距小于2 0 0 c m 。 图1 2 - 7 无粱板板柱结构横断面图( 单位：c m ) 文献f 5 1 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 0s 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5o m ，纵向桩间距一般为7o m - 9 o m ，埋入式无限长桩板结构一联 长度可达】0 0 0 m 。 圈1 2 8 埋入式连续桩板结构三维示意图 桩板结构是一种创新型结构，我国工程界已经进行了一定研究，包括 设计理论、数值分析、模型试验和现场试验。文献f 6 】通过对桩板结构进行 三维有限元分析，得出承台板及桩基在上承结构及列车荷载作用下应力分 布及变形规律。文献 _ 7 】运用动力有限元分析了桩板结构路基在地震波作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 下的动力响应，分析结果表明桩基与承台板接触位置应采取加固措施。文 献f 8 1 提出桩板结构路基的极限状态设计法。文献f 9 提出桩板结构施工组织 工序及相关构造措施的处理。文献 1 0 针对遂渝线桩板结构路基某工点，进 行离一t b 模型试验，研究了桩板结构路基的沉降。文献11 n 用浙江地区有关 试桩资料针对大直径钻孔灌注桩的承载特性进行分析，为合理利用该桩型 提供理论依据。文献1 2 1 通过两根钻孔灌注桩原位测试资料，分析了桩侧摩 阻力发挥的影响因素。文献1 3 1 根据现场试验结果及国内外试桩资料，利用 土力学原理分析了桩侧摩阻力与桩端摩阻力的相互作用，并提出利用这种 作用关系提高桩基承载力的建议。文献f 1 4 1 针对郑西客运专线某湿陷性黄 土桩板结构，通过模型试验，综合研究了桩板结构静动力特性。文献f 1 5 1 针 对武广线深厚软土区地基处理措施，对比分析了包括桩板结构在内的各种 地基处理措施沉降计算方法。文献f 1 6 1 测试了c r h 2 行车时桩板结构路基的 动态响应。 目前，有关桩板结构计算设计理论还不统一，尚缺乏地基土与桩板结 构相互作用的计算模型，对列车荷载作用下桩板结构的动态响应及使用性 能的研究较少，有必要进一步开展研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 本文的主要工作与创新点 本文主要研究软土地基桩板结构处理措施的平面简化计算方法，桩板 结构在高速列车荷载作用下桩板结构的动力响应，地基土与桩板结构相互 作用计算模型等。 基于以上认识，本文开展了以下方面的研究： ( 1 ) 收集国内外资料，分析桩板结构的应用现状及计算理论，并提出 了平面简化计算方法； ( 2 ) 对比分析容许应力法与概率极限状态法两种设计方法，并编制相 关软件； ( 3 ) 考虑桩土、板土、托梁与土之间的相互作用，提出桩板结构与地 基土相互作用的计算方法； ( 4 ) 对桩板结构主要影响参数进行分析，得出不同桩长及不同地基土 类型对桩板结构内力与变形的影响规律； ( 5 ) 分析线路长期运营后桩板结构与地基土相互作用的弱化对桩板结 构内力与变形的影响，并预测其发展趋势； ( 6 ) 建立三维动力数值分析模型，对不同时速下桩板结构的动力性能 进行了研究； ( 7 ) 结合武广客运专线软土地基桩板结构试验段，对不同跨度及不同 工况下桩板结构的内力与变形进行了测试与预测，验证了理论计算模型的 正确性； ( 8 ) 在数值分析和现场试验的基础上，得出有价值的结论，为施工设 计提供参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章桩板结构计算与设计 武广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 、2 - 2 。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 e r a 。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 ( 双线) ，中间预留2 o c m ：构造缝；托 梁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。 图2 - 1 桩板结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 8 横断面 图2 - 2 桩板结构断面图 2 1 桩板结构计算方法 b 纵断面 为了便于计算，把空间的桩板结构分别按纵向、横向转化为平面框架 结构进行分析，框架结构各断面按承台板、托梁、桩实际尺寸设定，将荷 载作用在平面杆件上，分别计算各部件的内力与变形，建立的模型应考虑 地基土刚度对桩板结构的影响，即地基土与桩板结构的相互作用。 先分析纵向体系，得到承台板的内力和桩项的纵向弯矩、纵向力；根 据承台板支座处的竖向力，计算出托梁的荷载，然后分析横向体系；根据 纵向体系和横向体系分析结果可求得桩顶荷载，对三维受力状态下的桩基 进行设计计算。 2 1 1桩板结构与地基土相互作用 ( 1 ) 承台板与土的相互作用 承台板受外荷载作用后发生弯曲变形，地基受压产生相应的沉降，可 看作弹性地基板。目前，具有工程实用目的的计算方法主要有两种：基于 文克尔假定的基床系数法和基于半无限弹性体的弹性理论法【2 2 1 。基床系数 法认为，土体受压作用可看做许多互不相关的弹簧体系受压，变形只发生 在基础范围之内，而与基础外地基无关。弹性理论法是将地基作为半无限 弹性体来考虑并按严格的弹性理论求解，因而能考虑地基反力相互的影响 以及边载荷对基础内力的影响，但是其计算结果往往与工程实际有较大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 差异。为了弥补上述两种方法的缺陷，各国学者先后提出了各种新的计算 理论和模型，有如能考虑拉力或剪力的双参数弹性模型、介于文克尔地基 模型与各向同性半无限弹性体模型之间有限压缩层的地基模型、将弹性半 无限地基直接与文克尔地基组合起来的s c h u l t z e 混合地基模型、可通过试验 或现有各种地基模型预先确定沿梁长度方向刚性系数( 或称基床系数) 变化规 律的变刚性系数模型等。 地基系数k 不易测定，国内外相关学者针对地基系数的确定方法开展了 广泛研究。维锡克( v e s i c ) 、寇克娄( k o g l e r ) 与夏迪许( s c h e i d g ) 分别 提出了地基系数的理论计算公式。仲锁庆等【2 3 1 对地基土基床系数的主要影 响因素及测定方法进行了研究，分析了土性、时间效应、地下水与基础尺 寸对地基系数的影响，建议用室内固结试验方法确定地基土的垂直基床系 数，用原位扁铲侧胀试验或旁压试验确定地基土的水平基床系数。易伟建 等f 2 4 】提出土基放大作用的概念，对非线性文克尔地基上的刚性板进行了计 算。汪定熵等【2 5 】根据成都地区砂、卵石层的测试资料，建立了砂卵石土地 基系数与土层压缩模量的关系，提出用地基系数等值线图确定地基系数的 方法。付昱华f 2 6 】根据势能逗留值原理提出弹性地基梁上文克尔假定的位移 与反力的计算方法。 初始阶段，承台板与地基紧密接触，它们的变形和沉降是一致的。根 据文克尔假定，基础底面上任一点所受的压力与地基在该点的沉降成正 比，即 p = k s 式中旷基底压力，k p a ； 广沉降量，c m ； 一，卜比例常数，称为地基反力系数，n c m 3 。 承台板计算中，沿承台板长度方向建立线弹簧，弹簧刚度计算公式为 k = kxb x1 0 3 式中i 卜弹簧刚度，k n m ； l r 地基反力系数，n c m 3 ； b _ 承台板宽度，m 。 根据上述假定，荷载作用下，承台板的基本微分方程式如下： 尘+ 量功：o 出4， 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 式中k 一线弹簧刚度，k n m ： 口一承台板的挠度，m ： ，卜一承台板的抗弯剐度，k n 聊i 。 考虑到列车荷载长期作用下，地基土对承台板的支撑作用会减弱计 算吲综合考虑地基土支撑与不支撑两种情况，求得承台板内力的最大值。 图2 一1 破台板与地基土相互作用模型 ( 2 ) 托粱与土的相互作用 托梁与地基土的相互作用类似于承台板，计算时沿托粱长度方向建 立线弹簧线弹簧刚度计算公式同上。 同样，考虑地基土对承台板的支撑作用会减弱，计算时综台考虑地基 土支撑与小支撑两种情况，求得托粱内力的最大值。 ( 3 ) 桩与土的相互作用 桩土相互作用问题属于固体力学中1 ；同介质的接触问题一直是国内 外岩土领域研究的热点。为了能够全面地评价桩土的相互作用问题，通常 需要确定桩、土体各自的应力和应变以及接触区域处位移和应力分布的数 据，对影响桩土相互作用的各因素进行全面研究。目前，分析桩上相互作 用的经典理论方法主要有荷载传递法、弹性理论法、剪切位移法等1 2 72 8 2 9 圳。随着计算机技术的4 ；断发展，计算机处理非线性问题的能力有了极大 的提高，以有限元法为主的数值分析方法逐渐成为桩土相互作用分析的最 有效方法i ”i 。苏栋等1 3 2 】i 垂用颗粒流数值模拟的万法探寻了多向荷载条件下 桩土相互作用的机制。孔德森等1 3 3 】对桩土相互作用中动力w i n k l e r 模型进行 了探讨。邓元林等1 3 4 】通过分析桥台桩侧压力的产生机理提出桩土问相互作 用力与桩土间相对位移的双曲线关系模型式理想弹塑性关系模型。郑川等 1 3 5 1 提出考虑桩土相互作用的双排桩平面杆系有限元分析模型，分析了双排 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 桩桩间土土层性质对双排桩相互作用的影响。周占学等【3 6 】采用样条子域 法、半解析无限元法和直梁的弯剪单元模型相耦合的方法，分析了结构一 桩一土相互作用对结构燃制的影响。付军等1 3 7 】对不同地基模型下桩土相 互作用进行了分析，得出有限层模型是比较合理的分析模型，具有计算量 小而精度高的优点。 桩板结构计算时，桩侧土对桩基的侧向约束作用提高了桩基的刚度， 对桩板结构框架体系的内力分布有重要影响。可按文克勒假定，桩侧土作 用在桩上的抗力可以用下式【3 8 】表示 p = 七。x b 式中b 0 - 桩的计算宽度， r i l ； x 一桩身截面的横向位移，m ； k 。1 _ 土的横向抗力系数，k n m 3 。 土的横向抗力系数k 。沿桩身的分布规律是国内外学者长期以来研究的课 题，目前仍处于不断探讨之中，采用较多的主要有常数法、k 法、m 法和c 法。一般认为，m 法，n o k 。= i i l z ，适用于计算横向抗弯刚度较大的灌注桩， 在我国的铁道、公路等部门得到广泛应用。 计算时，沿单桩建立节点弹簧，弹簧刚度k z 计算如下： k z = m xz x b o x1 0 3 式中k z - - 弹簧刚度，k n m ； 旷一比例系数，m n m 4 ： z 一桩深，m ： b 0 _ 桩的计算宽度，m 。 荷载作用下，桩基的基本微分方程式如下： 磐+ 坠x ：o d z 4 e i “ 、 式中k 7 一节点弹簧刚度，k n m ： 厂桩基的水平位移，m ； e i 一桩基的抗弯刚度，k n m 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 7 桩耋 碹4 = 掂喜 图21 2 桩基与地基土相互作用模型 212 桩板结构纵向计算 桩板结构在纵向简化为平面框架体系，荷载施加于纵向平面杆件上，如 下图所示。 j j 图21 - 3 桩板结构纵向体系 桩板结构纵向体系荷载分析如下： ( 1 ) 恒载 包括钢轨、扣件、轨道板、混凝土底座及承台板自重 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ( 2 ) 列车活载 采用z k - 活载进行分析，并按规范邮计算动力系数，以考虑动荷载对桩 板结构的影响。 ( 3 ) 列车制动力或牵引力 根据规范，取列车静活载的7 计算。 ( 4 ) 列车摇摆力 根据规范，取l o o k n 施加于承台板，取其最不利位置计算。 ( 5 ) 温度荷载 分别考虑承台板2 0 的轴向温升与梯度温升。 ( 6 ) 混凝土收缩徐变 根据规范，相当于对承台板施) o n - 1 5 c 的轴向温升。 ( 7 ) 支座沉降 取k 表示支座i 处发生j1 1 1 n l 的沉降。其中i = l ，2 ，3 ，4 ；3 = i ，3 ，5 考虑桩板结构的对称性，沉降类型可分为以下三类： 1 ) 支座均匀沉降 4 支座等沉降量进行组合，共2 4 种工况。 2 ) 2 支座不均匀沉降 2 支座不等沉降量进行组合，共2 1 种工况。 3 ) 3 支座不均匀沉降 3 支座不等沉降量进行组合，共4 8 种工况。 2 1 3桩板结构横向计算 桩板结构在横向简化为平面框架体系，根据纵向体系计算结果，将荷载 施加于横向体系平面杆件上，如下图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 i 4 桩板结构横向体系 桩板结构横向体系荷载分析如下： ( 1 ) 均布荷载q 包括托粱自重和承台板传递下来的荷载。其中，承台板传递下来的荷载 可根据纵向体系计算结果求得承台板支座处桩基竖向反力，再将桩基竖向 反力均布于托梁长度方向。 ( 2 ) 集中力f 在纵向体系中，在承台板最不利位置施 j 1 3 1 0 0 k n 横向摇摆力，使得支座 处横向力f 最大。 ( 3 ) 混凝土收缩徐变 根据规范，相当于对承台板旌加一1 5 0 的轴向温升。 由桩板结构纵向体系和横向体系可求得桩顶荷载，对三维受力状态下的 桩基进行设计计算。 练上，桩板结构设计计算流程图如下。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 1 5 桩板结构设计计算流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 2 桩板结构主要参数影响陛分析 桩板结构可严格控制高速铁路路基工后沉降临，为了拓展桩板结构处理 不同地基的使用范围，本节对不同地基参数及桩长对桩板结构的影响性进 行了分析，计算时桩板结构基本尺寸如下。 承台板采用c 4 0 钢筋混凝土：双线l b h = 2 2 5 m 1 0 m x 0 8 m ： 托梁采用c 4 0 钢筋混凝土，尺寸：l x b x h = 1 0 4 m x1 6 m 1 0 m ； 桩采用c 3 5 钢筋混凝土，桩径1 2 5 m ，桩长9 m 3 9 m 。 2 2 1地基系数k 值影响性分析 由于桩板结构内力受承台板及托梁底部地基土影响，且随地基反力系数 k 值变化，对于重大型工程，建议取若干个k 值做一些分析比较计算3 。地 基土种类不同，垫层系数k 值随之不同，扰动的砂土、未压实的新填土、粘 土、黄土及碎石土等k 值在ln o r e 3 - 2 0 0n c m 3 之间，冻土层的k 值在2 0 0 n c 皿l 1 0 0 0n c m 3 之间。鉴于此，在恒载工况下，取k 值为0 、1 、5 、1 0 、 2 0 、4 0 、1 0 0 、2 0 0 、1 0 0 0 n c m 3 ，分析桩板结构的内力随k 值的变化。 2 2 1 1k 值对承台板的影响性分析 随着k 值的增加，承台板的内力均减小，且呈非线性关系变化，k 值在大 于2 0 0n c m 3 后变化趋缓，弯矩及剪力很，j 、承台板受力以受压为主。相比 于k = 0 n c m 3 ( 不考虑地基土对承台板的支撑作用) ，k = 1 0 0 0n a m 3 时承台板 最大正弯矩、最大负弯矩、最大剪力分别减小了9 5 1 1 、9 5 5 0 、 8 2 0 4 。见下图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 氍 计 距离佃 图22 - 1 承台板弯矩图 e 1 5 0 0 苎 芒i 0 0 0 摄 基5 0 i 云 0 距离m 图22 - 2 承台板剪力图 o k ( 击盟3 ) o e 一1 5 0 0 苎 亡一1 0 0 0 器 鉴一5 0 0 k 0 05 0 01 0 0 0 k ( n c m 3 ) 圈2 2 3 承台板最大正弯矩与k 值关系图2 2 - 4 承台板最大负弯矩与k 值关系 |耄伽。垂|薹| ； 卸q巧咖圳锄圳 二二二二一 0 0 5 0 5 5 0 5 0 2 1 1 1 1 2 至r 誊 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 1 5 0 0 z 1 0 0 0 r 要5 0 0 崔 0 o k7 ( 声唑一3 ) o 图2 2 5 承台板最大剪力与k 值关系 2212 k 值对托梁的影响性分析 随着k 值的增加，托梁的内力均减小，日呈非线性关系变化k 值在大于 2 0 0n c m 3 后变化趋缓，弯矩及剪力很小，托粱受力以受压为主。相比于k = o f 小考虑地基土对托梁的支撑作用) ，k = 1 0 0 0 n c m 3 时托粱最大正弯矩、最 大负弯矩、最大剪力分别减小了8 9 9 1 、9 88 3 、9 59 3 。见下图。 盐 静 距离m 图22 - 6 托粱弯矩图 5 】o 2 ( i 4 0 1 0 0 2 0 0 删 枷 删 伽 。 姗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 1 0 0 0 5 0 0 e 茎 。 0 擘 静 5 0 0 l0 0 0 1 0 0 兰8 0 釜6 0 静4 0 二2 0 璀0 距离m 图22 - 7 托粱剪力图 k ，( n 5 ，0 c o m - 3 5 0 0 k ( n c m 3 图2 2 s 托粱最大正弯矩与k 值关系斟：2 9 托梁最大负弯矩与k 值关系 i ( ) 至i j “ 喜卸f 1 2 5 0 0 l ：= ： o 市一3 ) ”o o 图2 2 1 0 托粱最大剪力与k 值关系 2 2l3k 值对桩基的影响性分析 随着k 值的增加，桩身最大弯矩、最大剪力、桩顶位移及桩顼竖向力均 减小，且呈非线性关系变化，k 值在大于2 0 0n c m 3 后变化趋缓弯矩及剪力 很小，桩基受力以受压为主。相比于k = on c m l ( 不考虑地基土对桩基的支 薯氦黑= 二一 二二一 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 撑作用) ，k = l o o o n c m 3 时桩基最大弯矩、最大剪力、桩顶位移、桩顶竖向 力分别减小了9 9 9 1 、9 9 9 1 、9 9 9 9 、8 4 。2 9 。见下图。 e * 至2 0 0 撩 静1 0 0 略 o o z 上 穴 蜜 k 鹾 0 5 0 01 0 0 00 k ( n c m 3 ) 图2 2 11 桩基最大弯矩与k 值关系 2 0 0 0 一 z 1 5 0 0 杂 层1 0 0 0 膨 鳖5 0 0 誊 0 o 5 0 01 0 0 0 k ( n c m6 3 ) 图2 2 1 2 桩基最大剪力与l ( 值关系 2 垂1 5 、 冀 l g0 5 纂 0 5 0 01 0 0 00 k ( n c m “3 ) 5 0 01 0 0 0 k ( n c m 3 ) 图2 2 1 3 桩项竖向力与k 值关系图2 2 1 4 桩项位移与k 值关系 2 2 1 4k 值对桩板结构影响综合性评价 由承台板、托梁、桩组成的桩板结构为框架模型。地基系数k 值的不 同，不仅影响到承台板与托梁的内力，也导致桩基的内力发生变化。计算 表明，地基土的支撑使桩板结构内力减小，考虑列车长期荷载作用下地基 土可能发生脱离，设计中地基土对承台板及托梁的支撑可视为安全储备不 予考虑。 2 2 2桩1 9 1 , t j m 值影响性分析 由前述知，土的横向抗力系数k 沿桩身的分布规律是国内外学者长期以 来研究的课题，目前仍处于不断探讨之中。一般认为，m 法，即k 。- - m x z ，适 用于计算横向抗弯刚度较大的灌注桩，在我国的铁道、公路等部门得到广 泛应用。m 值一般需通过桩水平静载试验取得，由于缺乏试验资料，拟对不 同m 值对桩板结构内力与变形的影响性进行分析。参考规范m 3 抗滑桩不同土 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 质比例系数的范围，计算中，桩长为3 9 m ，取m 值为0 、0 5 、1 5 、2 5 、4 、 7 、1 4 m n 对。 2 2 2 1m 值对承台板的影响性分析 随着m 值的增加，承台板的最大正弯矩减小，最大负弯矩与最大剪力增 大。相比于m = o ( 不考虑桩侧土的约束作用) ，m = 1 4m n m 4 时承台板最大正弯 矩减小了2 1 1 ，最大负弯矩增加了4 5 3 ，最大剪力增加了o 7 3 。 1 4 9 0 一 一1 8 0 0 e * z y 袋 舯 眨 k 略 1 4 6 。l 1 4 3 0 。 1 4 0 0 * z l 鼎 静 联 嫒 1 7 5 0 1 7 0 0 051 0 1 5 051 01 5 m ( m n m 4 )m ( m n m4 4 ) 图2 2 1 5 承台板最大正弯矩与m 值关系图2 2 1 6 承台板最大负弯矩与m 值关系 】4 5 0 r 蠢1 4 2 5 厂一 略 1 4 0 0 051 01 5 m ( m n m 4 ) 图2 2 】7 承台板最大剪力与m 值关系 2 2 2 2 m 值对托梁的影晌性分析 随着m 值的增加，托梁的最大负弯矩、最大剪力均增大，且呈非线性关 系变化。不考虑桩侧土约束作用时，托梁没有出现正弯矩。相比于m = o ( 不 考虑桩侧土的约束作用) ，m = 1 4 i d n m 4 时托梁最大负弯矩、最大剪力均增大 0 3 4 。见下图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 = 1 2 ( 1 茎1 0 0 考8 0 静6 ( 】 三4 0 2 0 0 曹 1 2 m 2 4 距离h = 14 图22 - 1 8 托粱弯矩图 ， 胪? 圈22 - 1 9 托粱剪力图 o5 1 0 m ，( m n ，m 4 蚤一10 5 ( i 窿一l o o f j 0 w o5 510 m ( m n m + 4 j 图：2 - 2 0 托梁最大正弯矩与m 值关系圈2 2 - 2 1 托梁最大负弯矩与m 值关系 o 0 o 0 o 0 o 0 0 0 0 0 o o o o i i 2 i一一 划 一 卅q 鲫蛐舯 扣 ；帅 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 8 0 07 歪 一 o 密7 7 5 一 必 磁 7 5 0 o51 01 5 m ( m n m 4 ) 图2 2 2 2 托梁最大剪力与m 值关系 2 2 2 3m 值对桩基的影响性分析 随着m 值的增加，桩身最大弯矩、最大剪力增大，且呈非线性关系变 化。不考虑桩侧土的约束作用时，桩顶位移为3 1 9 7 8 n n ，随着m 值增加，桩 顶位移逐渐减小。相比于m - - o 5m n m 4 ，m = l o o o m n m 4 时桩基最大弯矩增加了 3 9 7 6 ，最大剪力增加了1 6 8 倍，桩顶位移减小6 9 4 。见下图。 e * z _ 、 裂 静 嵯 亦 囊 o o 8 0 7 - j c 妄6 0 霎4 0 略2 0 亦 誊0 51 01 5 0 m ( m n m 4 ) 51 01 5 m ( m n m 4 ) 图2 2 2 3 桩基最大弯矩与1 1 1 值关系图2 2 。2 4 桩基最大剪力与m 值关系 3 5 3 0 星2 5