1、樁板結構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濟的大動脈，2004年1月，國務院審議通過了我國鐵路史上第一個中長期鐵路網規劃，確定到2020年，我國鐵路營業里程將達到10萬km，其中客運專線1.2萬km;復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發展的方向。高速鐵路是一個系統工程。列車與線路是相互依存、相互適應的關系，列車是載體，線路是基礎。高速運行的列車要求線路具有高平順性、高穩定性、高精度、小殘變、少維修以及良好的環境保護等。路基是承受軌道結構重量和列車荷載的基礎，是鐵路線路工程的一個重要組成部分。高

2、速鐵路對軌道的平順性和穩定性提出了更高的要求。與此相應，高速鐵路路基除應具備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提出的性能要求。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，就要求路基的剛度越大，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，也不能做到平穩運行。2、穩固、耐久、少維修要求路基在列車荷載的長期作用下，塑性累積變形小。3、高平順性不僅要求靜態條件下平順，而且還要求動態條件下平順。穩定、沉降小且沉降均勻的平順路基是高平順性軌道的基礎。穩定性好的路基，主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

3、設計、施工與普通鐵路的主要區別。路基工后沉降一般由三部分組成:地基在軌道、路堤自重及列車動力作用下的壓密沉降;路基填土(包括基床與路堤本體)在自重作用下產生的壓密沉降: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鍵的。通常采用地基處理來提高地基強度、剛度，減少沉降。高速鐵路建設中最為常見的特殊土路基包括濕陷性黃土、軟土等。常規地基處理方式有換填法、強夯法、復合地基法、排水固結法等，前三者的處理深度或受限于處理原理，或受限于施工設備，處理深度一般不超過3Om，后者的處理時間較長，不能滿足當前建設要求。當遇到深厚軟弱地基時，傳統的設計方案是將路基方案改為橋梁方案，以橋代路。在挖方

4、地段和站場，橋梁方案并不適用，而且橋梁結構的橫向穩定性方面較差，在曲線段上，橫向穩定性問題成為設計考慮的主要因素。我國高速鐵路建設規模大、線路長，區域地質條件復雜，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、穩定性和耐久性好，并且建筑成本適當、施工工藝簡單的高速鐵路路基新型結構。基于以上因素提出的樁板結構路基是高速鐵路的一種新路基結構形式，它具有地基處理和路基結構兩種功能，它由鋼筋混凝土的樁基、托梁、承臺板及土質路基組成，樁板結構路基的承臺板直接與軌道結構連接，樁一梁和樁一板固結與土路基共同組成一個承載結構體系。樁板結構路基有別于傳統土工結構物的概念，傳統土路基承受荷

5、載的豎向體系是基床路堤一地基，而樁板結構路基承受荷載的體系為板一梁一樁一地基，并且利用樁一土、板一土、梁一土之間的共同作用來提高結構的強度和剛度滿足高速鐵路的沉降要求。樁板結構路基一般采用鉆孔灌注樁，目前最大處理深度可達60m，處理深度大是相比于傳統地基處理的最大優勢。在國內外，樁板結構路基的理論探討與應用研究基本上是一個新課題，其有限的應用卻顯示出非常良好的技術經濟效益，有開展進一步深入研究的巨大價值。傳統土路基的動力學研究開展較多，也進行了大量現場行車動態試驗。樁板結構是一種新型路基結構，動力學研究和動態試驗較少，試驗手段也單一。文獻26通過遂渝線樁板結構路基大比例動態模型試驗，研究了樁基

6、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構，通過模型試驗，綜合研究了樁板結構靜動力特性;模型試驗受限于模型尺寸和邊界條件，得出的結果與工程實際還有一定差距。文獻5測試了CRHZ行車時樁板結構路基的動態響應。高速鐵路必須考慮列車重復荷載作用下路基的疲勞特性，包括強度疲勞失穩和變形疲勞失穩兩方面。土質路基基床在重復荷載作用下會產生累積下沉，樁板結構在重復荷載作用下的研究尚未見報道，需要進行現場激振試驗，研究樁板結構動力響應和疲勞特性。1.2樁板結構路基概述 1.2.1樁板結構路基應用現狀“樁一板結構”在歐洲已有上千年歷史，在英國、比利時、荷蘭等國家都發現該技術修建的道路。當高速鐵路開

7、始采用無碎軌道技術之后，由于無柞軌道對工后沉降有極其嚴格的要求，在一些地質條件較為惡劣的地段，常規地基處理工藝難以滿足要求，工程界研發出現代鋼筋混凝土樁一板結構。“樁一板結構”在控制沉降方面具有相當優越性能，我國工程技術人員獨立自主研發出多種結構形式已應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“樁一板結構”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早期土層組成，層厚為520m不等，黏性土內部有砂質土。這種黏土易于下沉，還具有膨膚性。該地區的線路采用了“樁一板結構”，鉆孔樁直徑0.9m，樁頂現澆0.6m厚鋼筋混凝土板。為了樁板路基盡可能均勻過渡到土質路基，采用了

8、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，全線鋪設無柞軌道，大量采用了“無沉降樁板結構”。“無沉降樁板結構”由鉆孔灌注樁和現澆鋼筋混凝土板構成，一聯共6跨，每跨4m，全長26m，橫向樁間距3m。設計方對樁板結構上鋪設Rheda2000型無柞軌道進行優化，最終選擇超長連續型軌道板。英法海底隧道連接線在穿越一個沼澤地區時有7km路基采用了“樁板結構”，這種樁板結構由樁基礎和鋼筋混凝土板構成，橫向分布4排樁，樁間距為2.5m。我國遂渝線無柞軌道綜合試驗段地基沉降及工后沉降的控制技術采用鋼筋混凝土樁板結構的地基處理措施。樁板結構路基是高速鐵路無碎軌道

9、一種新的路基結構形式，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構連接。樁板結構路基主要適用范圍為己建路堤的補強加固，工程地質條件復雜的路塹地段、既有線有柞改無柞軌道工程，以及兩橋(隧)之間短路基、道岔區路基等。承載板的尺寸為4.4mx0.6mx3Om，一聯六跨，跨度為5m，橫向樁間距2.5m，在相鄰聯處由托梁支承。文獻11通過借鑒國內外客運專線經驗，提出建設客運專線時采用支承于樁基礎上的彈性地基梁來代替土質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構。樁筏結構由預應力管樁和現澆鋼筋混凝土筏

10、板構成。樁徑0.5m，樁長50m;筏板厚度 1.2m，一聯長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要求。作者提出一種新型地基處理方式連續埋入式無限長樁板結構。這種樁板結構由鉆孔灌注樁和現澆鋼筋混凝土承臺板構成，承臺板上填筑0.7m厚級配碎石基床表層。上部承臺板厚0.60.8m，寬10.5m(除道岔區)，下部基礎采用直徑1.0m或直徑1.25m鉆孔灌注樁基礎，橫向分布2排，間距5.Om，縱向樁間距一般為 7.09.om。埋入式無限長樁板結構一聯長度可達100Om。1.2.2樁板

11、結構路基研究現狀樁板結構是一種創新結構，我國工程界已經進行了一定研究，包括設計理論、數值分析、模型試驗和現場試驗。文獻l4系統闡述樁板結構路基的研究技術路線，分析了樁板結構路基的經濟效益，與橋梁方案相比，低路堤情況可節省工程造價20%一40%，指出樁板結構路基最適宜于新建客運專線鐵路工程地質條件復雜的路塹和低路堤段。文獻l518提出將承載板當作連續梁處理，按影響線法計算活載作用的內力，最終確定板的翹曲變形能否滿足土質路基上鋪設無碴軌道容許撓度及視覺高差的要求。文獻【16探討了樁板結構路基的設計理論，運用解析算法和有限元分析了樁板結構的應力與變形。文獻l7提出樁板結構路基的極限狀態設計法。文獻1

12、3將樁板結構簡化為平面剛架，運用力法求解，并且編制了計算程序。文獻【19分析了板、梁和樁對樁板結構路基造價的影響，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構內力的影響，得出了最優方案。文獻21以樁板結構配筋設計法為研究對象，對比了容許應力法和極限狀態法，得出極限狀態法有一定優勢。文獻27闡述了鄭西客運專線濕陷性黃土樁板結構的設計理論。文獻20對豎向荷載作用下樁板結構進行有限元仿真分析，得到樁板結構的應力和變形。文獻【22運用有限元軟件ANsys分析了諸多參數對樁板結構路基沉降的影響，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構路基在地震波作用下的動力響

13、應，分析結果表明樁截面處的承載板受力最不利。文獻10建立樁板結構路基整體有限元模型，包括軌道、樁板結構和地基，分析了列車荷載作用下整體模型的動力響應。文獻【2425針對遂渝線樁板結構路基某工點，進行離心模型試驗，研究了樁板結構路基的沉降。文獻【26通過遂渝線樁板結構路基大比例動態模型試驗，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構，通過模型試驗，綜合研究了樁板結構靜動力特性。文獻5測試了CRHZ行車時樁板結構路基的動態響應。1.2.3樁板結構路基的特點1.2.1節中列舉了大量國內外高速鐵路中樁板結構路基的實際應用，這些結構的結構方案、跨度布置、構造形式、施工工藝各有不同

14、，而且這些結構的名稱也各不相同。為了便于學術交流，本文嘗試給這類結構下一個定義，這些結構具有以下四個特征:結構的大部分構件埋入地基或路基;以鋼筋混凝土為材料;以板一樁為荷載傳遞體系;以控制沉降為主要目的;滿足以上四個特征的結構可以較為形象地統稱為樁板結構路基，亦可簡稱樁板路基。樁板路基與線路的其它形式對比，可以發現若干不同。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原因;樁板路基的材料為鋼筋混凝土，有別于傳統土路基以土石等松散介質為材料;樁板路基以板一樁為荷載傳遞體系，有別于傳統土路基的基床一路堤一地基體系。優點:處理深度大，強度高，剛度大，工后沉降小，施工便

15、捷快速。缺點:造價高，不易維修，抗裂性差。適用范圍:低矮路堤、路塹、站場、既有線改建加固。1.2.4樁板結構路基的分類從使用功能的角度，可以分為地基處理式和路基結構式，通常地基處理式的樁板結構埋入路基下，設計有土質基床，這類樁板結構路基受列車動力影響較小;路基結構式兼有地基處理和路基結構兩種功能，樁板結構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，上承式直接鋪設軌道結構，受外界自然條件的影響，樁板結構大多是超靜定結構，尤其對溫度變化敏感。埋入式埋入地下，受外界因素影響較小。從結構是否超靜定，可分為靜定式和超靜定式，由于超靜定結構有剛度大，內力小的優點，通常樁板結構為超靜定式。

16、從跨度布置可分為連續式和分聯式，連續式樁板結構中構造措施中不設溫度縫和沉降縫，一聯結構的跨數可超過100跨，長度超過千米;分聯式樁板結構一聯的跨數為3一6跨，聯與聯之間設構造縫，減少溫度變化和樁基不均勻沉降對結構的影響。從結構上線路的數量，可分為單線式、雙線式和多線式，結構的一塊板上只鋪設一條線路，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，雙線式樁板結構中可能產生翹曲和扭轉等較為復雜的受力現象，所以單線式應用較多。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

17、邊支承的板為單向板32，按梁分析。從構造縫的形式，可分為托梁式和懸臂式，托梁式在構造縫處設置有一樁基支承托梁，板支承在托梁上;懸臂式是指兩側板懸挑出，中間有一構造縫。1.2.5樁板結構路基的破壞模式文獻【27進行了樁板結構路基大比例模型破壞試驗，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，當加載達到7t時，承臺板跨中下表面開始出現肉眼可識別的裂縫，試驗結束后，取出模型，承臺板跨中截面上側混凝土壓碎，下側受拉鋼筋屈服，下表面上破壞裂紋橫向貫通。測試過程表明，托梁鋼筋進入屈服階段。承臺板破壞時，樁基未達到破壞狀態。樁板結構路基的破壞標準為承臺板跨中截面、托梁支座截面破壞，達到承載力極

18、限狀態，屬于適筋梁破壞。1.2.6樁板結構路基的結構分析與力學模型結構計算簡圖是進行結構計算時用以代表實際結構的經過簡化的模型。選擇計算簡圖的原則是:(l)反映實際結構的工作性能;(2)便于計算。選取計算簡圖時，必須分清主次，抓住本質和主流，略去不重要的細節。計算簡圖的選擇是力學計算的基礎，極為重要。計算簡圖一經確定，就需采取適當構造措施使實際結構盡量符合簡圖的特點。因此，選定符合實際結構的計算簡圖和在構造上采取措施保證其簡圖特點的實現，是一個問題的兩個方面，必須統籌考慮。1.2.6.1構件的力學特點樁板路基是軌道的基礎，也是一種鋼筋混凝土建筑物。樁板路基中有若干構件，構件的受力分析是結構設計

19、的基礎。下面介紹主要構件的受力特點。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，產生彎曲變形，內力以彎矩及剪力為主。屬于平面受彎構件。承臺板和樁基剛接，構成線路縱向方向上的剛架。托梁，承受上部結構靜荷載和列車動荷載。荷載作用方向垂直軸線，產生彎曲變形，內力以彎矩及剪力為主。屬于平面受彎構件。托梁和樁基剛接，構成線路橫向方向上的剛架。樁，受力狀態較復雜，承受了豎向荷載和水平荷載。一是承受上部結構傳來的壓力和自重，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;樁是偏心受壓構件。1.2.6.2結構體系的簡化承臺板和樁基剛接接，構成線路縱向方

20、向上的剛架，限制了樁板路基縱向位移。托梁和樁基剛接，構成線路橫向方向上的剛架，限制了樁板路基橫向位移，保證了橫向穩定性。板、梁、樁構成了空間剛架體系，具有較大的剛度，在列車荷載作用下有較大的縱橫向穩定性，限制了樁板路基縱橫向的水平位移。樁板結構實際上是空間剛架結構，直接分析較為困難，為了簡化計算可以分解為平面結構。分解方法是沿縱向和橫向分布按平面結構計算。承臺板和托梁有類似主次梁的支承關系，板、梁、樁構成一個交叉體系。首先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構。線路縱向為X軸，橫

21、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。樁板結構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。豎向荷載的傳遞路徑從上至下，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。樁板結構是空間超靜定結構，必須經過簡化后才能用解析法分析。承臺板為對邊支承，可以看做連續單向板，主要發生X一Z平面內彎曲。托梁發生Y一Z平面內的彎曲，單線列車荷載作用時，托梁也有扭轉變形。邊跨四樁只受軸力，而中跨四樁還受到水平荷載作用。目

22、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試驗資料，計算中不考慮地基對承臺板和托梁的反力。以上荷載傳遞和結構變形的分析表明，樁板結構可以分解為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結構受力的分析超靜定樁板結構應按彈性理論計算(可不計法向力及剪力對變形的影響)，同時應考慮基礎不均勻變位(線位移和角位移)、溫度變化及混凝土收縮、徐變的影響

23、。樁板結構采用容許應力法設計計算強度時，不應考慮混凝土承受拉力(除主拉應力檢算外)，拉力應完全由鋼筋承受。對樁板結構各構件應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大于鐵路橋規的規定。在ZK活載靜力作用下，承臺板板端豎向轉角不應大于鐵路橋規的規定。無柞軌道承臺板板縫兩側鋼軌支承點間的相對豎向位移不應大于1mm；對于設有縱向坡度的承臺板，還應考慮由于活動支座縱向水平位移引起的板縫兩側鋼軌支承點間的相對豎向位移。應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)不應大于表的規定。1.2.7樁板結構路基的荷載鐵

24、路網中客貨列車共線運行，旅客列車設計時速等于或小于160km、貨物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。設計時速200250km和300350km客運專線鐵路列車豎向活載必須采用ZK活載。1.2.8樁板結構路基的軌道結構形式目前具有高速鐵路實際運營經驗的樁板結構路基軌道結構形式主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構的高度整體性，對有碴軌道結構概念的良好繼承性和混凝土工程的本質性等特點，在結構設計和施工上都可以借鑒橋梁工程、混凝土工程和有碴

25、軌道積累的經驗，使之具有對橋上、隧道內、路基上、道岔區等具有廣泛的適用性。其最大缺點是可修復性差，同時在橋上和單線隧道內鋪設時，施工性受到影響。板式無碴軌道具有結構高度低、重量輕、施工機械化程度高、施工進度快和可修復性好等特點，更適合于橋梁和隧道內使用，板式軌道由于結構單元比較大，適應曲線布置能力差，在道岔區使用難度很大，由于存在縱向的周期性間斷，對路基不均勻沉降適應性差，如果在路基上使用，需要增強其縱向連續性。1.3樁板結構的技術經濟優勢、適用場合及其存在的問題1.3.1樁板結構路基的技術經濟優勢由樁板結構路基的結構力學特點可知，這種結構第一個優點就是具有整體性強、穩定性好，堅固耐用，軌道變

26、形小，且變形累積緩慢等優點，有利于高速行車，可大大減少養護維修工作量、降低作業強度和改善作業條件。第二，樁板結構路基在構造上十分機動靈活，適應性強。上部鋼筋混凝土承載板可以適應各種線路情況的，做成任何形狀的特殊異形板，設計施工并不增加多少困難。下部樁基礎可以結合當地條件合理布置。第三，施工方便。由于承載板是實心板，外形簡單，而且直接澆筑在路基上，只需要側模，加工制作簡易。內部縱橫雙向布置鋼筋，鋼筋類型最少，加工和布設也簡易，無須布設預應力筋。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，隨之而來的優點是:設計省事，無論什么特殊的平面形狀都只不過是用板單元下面布設一些

27、固結或簡支的支承點來進行數值分析，而且混凝土為實心雙向布筋，出圖也極度簡化。第五，與橋梁結構相比，樁與板之間通過鋼筋固結，可以節省昂貴的支座，溫度和收縮應力較小，只需在板與板連接處設置伸縮縫。第六，與普通路基結構相比，由于板下是樁基礎，對路基填料要求不高，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樁板結構路基的適用場合根據目前的實踐經驗，樁板結構路基主要適用范圍為:已建路堤的補強加固、舊線改造工程、工程地質條件復雜的路塹地段、既有線有碴改無碴軌道工程、以及兩橋(隧)之間短路基、道岔區路基等，樁板結構路基具有良好的技術和經濟優越性，是宜于推廣的新型

28、無碴軌道路基結構形式。1.3.3樁板結構路基存在的問題(l)初期投資和綜合效益問題與其他無碴軌道路基結構相比，樁板結構路基初期投資較大是影響其推廣應用的重要問題，但是投資分析本身就是一個比較復雜的問題。通過對遂渝線樁板結構與橋進行經濟比較，得出在相同縱向長度范圍內，樁板結構路基造價僅為橋梁結構造價的一半，有著良好的經濟效益。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，按結構生命周期60年計算，一般能在ro一12年實現收支平衡，樁板結構路基便具有良好的經濟效益。(2)實測資料的缺乏由于對樁板結構路基的研究才剛起步，對深厚軟層地區及特殊土地區的設計

29、缺乏有科學依據的設計參數，對樁板結構加固的抗震、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，增加了輪軌的振動及輻射噪聲。無碴軌道的混凝土構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的輻射，使噪聲強度增大。由于上述兩者結構特征的影響，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構其噪音的大小是:橋梁>樁板結構路基>土質路基，所以控制噪音是今后的一個研究重點。(4)軌道彈性問題樁板結構路基的彈性主要由扣件及軌下橡膠墊板提供，橡膠墊板可以增加軌道的整體彈性，減少輪軌作用向板下的傳遞，起到隔振的作用

30、;在扣件結構設計、材料選用和技術標準上嚴格要求，實現軌道彈性的均衡穩定。(5)修理與修復問題樁板結構作為剛性結構，在后期運營階段僅允許少量的改善，如調整軌道幾何形態，一般只能靠扣件來實現，當發生較大變化時，調整十分困難，特別是鋼筋混凝土承載板，達到承載強度極限時將產生斷裂，軌道幾何尺寸將發生急劇惡化，這些問題都為樁板結構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確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、單樁的荷載傳遞規律、承載力時間效應及負摩阻力等。單樁豎向承載力包括地基對樁的支撐能力和樁的結構強度所允許的最大

31、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到極限狀態，結構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摩阻力，前者主要受到樁的設置方法、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，后者主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，通過試驗來確定樁的承載力，包括靜載荷試驗法、動力測試法、原位測試法等；另一類是間接法，包括靜力計算法、規范經驗參數法、有限元法、神經網

32、絡法等。2 .1靜載試驗法確定單樁豎向受壓承載力垂直靜載試驗法即在樁頂逐級施壓軸向荷載，直至樁頂達到破壞為止，并在試驗過程中測量每級荷載下不同時間的樁頂沉降，根據沉降與荷載及時間的關系，分析確定單樁軸向容許承載力。試樁可在已打好的工程樁中選定，也可專門設置與工程樁相同的試驗樁。考慮到試驗場地的差異及試驗的離散性，試樁數目應不小于基樁總數的2%，且不應小于2根；試樁的施工方法以及試樁的材料和尺寸、入土深度均應與設計相同。2.1.1 試驗裝置試驗裝置主要由加載系統與觀測系統兩部分組成。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

33、水作為荷載。堆載法適用于極限承載力較小的樁。錨樁法是在試樁周圍布置46根錨樁，常利用工程群樁。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。觀測系統主要對樁頂位移和加載數值進行觀測，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大于4且不小于2m（為試樁直徑或邊長）。錨樁法的優點是適應范圍廣，當試樁極限承載力較大時，加荷系統相對簡單。但錨樁一般須事先確定，因為錨樁一般需要通長配筋，且配筋總抗拉強度要大于其負擔

34、的上拔力的1.4倍。2.1.2 試驗方法試樁加載應分級進行，每級荷載約為預估破壞荷載的1/101/15；有時也采用遞變加載方法，開始階段每級荷載取預估破壞荷載的1/2.51/5，終了階段取1/101/15。測讀沉降時間，在每級加載后的第一小時內，在5、10、15、30、45、60時各測讀一次，以后每隔30測讀一次，直至沉降穩定為止。沉降穩定的標準，通常規定為對砂性土為30內沉降不超過0.1mm，對粘性土為1內不超過0.1mm。待沉降穩定后，方可施加下一級荷載。循環加載觀測，直到樁達到破壞狀態，終止試驗。當出現下列情況之一時，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

35、；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24小時尚未達到穩定；c樁頂加載已達到設計規定的最大加載量；d異常情況經委托方或設計方同意終止試驗。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。全部卸載后，隔34再測回彈量一次。2.1.3 極限荷載和軸向容許承載力的確定破壞荷載求得以后，可將其前一級荷載作為極限荷載，從而確定單樁軸向容許承載力： = 式中：單樁軸向受壓容許承載力（kN）；試樁的極限荷載（kN）；安全系數，一般為2。實際上，在破壞荷載下，處于不同土層中的樁，其沉降量及沉降速率是不同的，人為地統一

36、規定某沉降值或沉降速率作為破壞標準，難以正確評價基樁的極限承載力。因此，宜根據試樁曲線采用多種方法分析，以綜合評定基樁的極限承載力。(1)-曲線明顯轉折點法在-曲線上，以曲線出現明顯下彎轉折點所對應的荷載作為極限荷載。因為當荷載超過該荷載后，樁底下土體達到破壞階段發生大量塑性變形，引發樁發生較大或較長時間仍不停滯的沉降，所以在-曲線上呈現出明顯的下彎轉折點。然而，若-曲線轉折點不明顯，則極限荷載難以確定，需借助其它方法輔助確定，例如用對數坐標繪制曲線，可能使轉折點顯得明顯些。(2)法（沉降速率法）該方法是根據沉降隨時間的變化特征來確定極限荷載，大量試樁資料分析表明，樁在破壞荷載以前的每級下沉量

37、（）與時間（）的對數成線性關系，可用公式表示為： = 直線的斜率在某種程度上反映了樁的沉降速率。值不是常數，它隨著樁頂荷載的增加而增大，越大則樁的沉降速率越大。當樁頂荷載繼續增大時，如發現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。因此可將相應于線形由直線變為折線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 從成樁到開始試驗的時間間歇對灌注樁應滿足混凝土養護所需的時間，一般宜為成樁后28天。對預制樁，盡管施工時樁身強度已達到設計要求，但由于單樁承載力時間效應，試樁時間也應該距沉樁時間有盡可能長的休止期，否則試驗得到的單

38、樁承載力明顯偏小。一般要求，對于砂性土，不應小于10天；對于粉土和粘性土，不應小于15天；對于淤泥或淤泥質土，不應小于25天。2.1.5 小結采用靜載試驗法確定單樁容許承載力直觀可靠，但費時、費力，通常只在大型重要工程或地基較復雜的樁基工程中進行試驗。配合其它測試設備，也能直接了解樁的荷載傳遞特征，提供有關資料，因此靜載試驗法是樁基礎研究分析最常用的方法。李建強、張季超1對樁基靜載試驗中存在的一些技術問題進行了闡述，并結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，它是一種新的靜載試驗方法，避免了傳統靜載荷試驗的很多缺點，應用前景廣闊，尤其適合超長樁體檢測。2.2 規范法確定

39、單樁豎向受壓承載力根據靜力試樁結果與樁側、樁端阻力和物理土性指標間的經驗關系，從而預估單樁承載力的規范經驗法是一種沿用多年的傳統方法，樁基規范在地基規范的基礎上，積累了更為豐富的資料，使這種方法適用于各類型的樁，并用極限設計的形式表示。根據靜力平衡條件可得： = + 式中：單樁豎向極限承載力標準值，kN；單樁總極限側阻力標準值，kN；單樁總極限端阻力標準值，kN。為了便于計算，常常假定同一土層中的單位側摩阻力是均勻分布的，于是可得到根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系，而確定承載力標準值公式。樁基規范針對不同的常用樁型，推薦了不同的估算表達式。（1）一般預制樁及灌注樁： = + 式中，、

40、分別為樁側第層土的極限側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，其側阻與端阻要考慮尺寸效應。側阻的尺寸效應主要發生在砂、碎石類土中，這是因為大直徑樁一般為鉆、挖、沖空灌注樁，在無粘性土成空過程中將會出現孔壁土的松弛效應，從而導致側阻力降低。孔徑越大，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系下降的現象，這主要是由于大直徑樁，特別是擴底樁，其靜載試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，實際上由于樁端荷載不是作用于地基表面而是作用于

41、地基內部，因此與并不是簡單的反比關系。樁基規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：樁側第層土的極限側阻力標準值，kPa；樁徑為0.8m時的極限端阻力標準值，kPa；、大直徑樁側阻力、端阻力尺寸效應系數，按表1取值；樁底面積，。表1 大直徑樁側阻力尺寸效應系數、端阻力尺寸效應系數土類型粘性土、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區高層建筑的增多，嵌巖樁被大量應用。過去對這些樁都是按純端承樁計算承載力的，近十多年的模型與原型試驗研究都表明：一般情況下，嵌巖樁只要不是很短，上覆土層的側阻力能部分發揮作用。另外，嵌巖

42、深度內也有側阻力作用，因而傳遞到樁端的阻力隨嵌巖深度的增加而遞減，當嵌巖深度達到5倍樁徑時，傳遞到樁端的應力已接近與零。這說明，樁端嵌巖深度一般不必過大，超過某一界限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阻力、嵌巖段總側阻力和總端阻力三部分組成，并可按下式計算： = + + = = = 式中： 覆蓋層第層土的側阻力發揮系數，當樁的長徑比不大（/d30），樁端置于新鮮或微風化硬質巖中，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； 第層土的極限側阻力標準值，kPa； 巖石飽和單軸抗壓強度，kPa； 樁身嵌巖（中等風化、微風化、

43、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； 、嵌巖段側阻力和端阻力修正系數，與嵌巖深度比/d有關，按表2取值。其余符號意義同前。表2 嵌巖段側阻和端阻修正系數嵌巖深度比/d00.512345側阻修正系數00.0250.0550.0700.0650.0620.050端阻修正系數0.500.500.400.300.200.100注 當嵌巖段為中等風化時，表中數值乘以0.9折減。規范經驗法計算簡便，且花費費用較小，因此應用廣泛。但由于施工水平差異、地區環境不同，它的可靠性較低，用作地區性規范較為合宜。一般適用于初步設計階段和非重要工程，或與其他方法綜合使用，

44、比如徐新躍3用貝葉斯方法將試樁法和經驗法結合，大大提高了計算精度。徐新躍，陳顯新4基于灰色系統理論，提出了一種定量開發經驗知識的方法，并將其成功的用于樁基承載力的分析與評價。結果表明，在運用經驗知識方面，該法與目前廣泛使用的神經網絡方法有異曲同工之妙。此外，該方法還具有簡單、方便和實用等優點。2.3單樁豎向抗拔承載力的確定 樁基礎承受上拔力的結構類型較多，主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構物、水平荷載作用下出現上拔力的結構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認識還很不充分，其設計計算方法也很不成熟，因而需加深對影響單樁抗拔承

45、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，主要包括以下幾方面：（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，導致樁側土體性質的改變不同；（3）樁的材料特性，如材料類型、樁身強度等；（4）樁側土特性，如土的類型、軟硬或密實程度以及土層層位關系等；（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 確定單樁抗拔承載力的主要方法一般來講，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，樁側摩阻力是最主要的

46、。由于除樁重以外，對其他兩部分阻力的發揮機理和估算方法研究得還不夠，故以抗拔靜載試驗確定單樁抗拔承載力是最主要而可靠的方法，因而重要工程均應進行現場抗拔試驗。對次要工程或無條件進行抗拔試驗時，實用上可按經驗格式估算單樁抗拔承載力。（1）單樁抗拔靜載試驗單樁抗拔靜載試驗的設備與抗壓試驗相似，加載分級、讀數時間及穩定標準一般可參照抗壓試驗慢速法進行，但試驗應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關系曲線上明顯轉折點對應的荷載。取安全系數2，可確定出單樁抗拔承載力特征值。（2）經驗公式法由于單樁抗拔荷傳遞機理的研究還不充分，一般經驗公式多按承壓樁摩阻力值打折扣并適當

47、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；單樁穿越第層土內的長度，m；第層土樁側抗壓極限摩阻力，kPa；G樁體自重，水下取有效重力，kN；抗拔系數，可參考表3；抗折系數，一般可取0.81.0。單樁抗拔承載力的特征值可為： = /式中：單樁抗拔承載力特征值，kN；抗拔安全系數，一般可取2.03.0。上式只適用于無擴底的獨立單樁，對有擴底的樁，其估算方法較復雜，參見文獻5。表3 我國有關行業部門經驗值行業、部門抗拔系數鐵路、公路0.6港口、電業0.60.8工業與民用建筑0.50.92.4單樁豎向負摩阻力的確定2.4.1 負

48、摩阻力產生的原因在一般情況下，樁受軸向荷載作用后，樁相對于樁側土體作向下位移，使土對樁產生向上作用的摩阻力，稱為正摩阻力。但是，當樁周土體因某種原因發生下沉，其沉降速率大于樁的下沉時，則樁側土體就相對于樁作向下位移，而使土對樁產生向下作用的摩阻力，即稱為負摩阻力。樁的負摩阻力的發生將使樁側土的部分重力傳遞給樁，因此，負摩阻力不但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，若有負摩阻力發生，則樁的外荷載增大，樁的承載力相對降低，樁基沉降加大，這在樁基設計中應予以注意。樁的負摩阻力能否產生，主要看樁與樁周土的相對位移發展情況。樁的負摩阻力產生的原因有：（1）在樁基

49、礎地面附近有大面積堆載，引起地面沉降，對樁產生負摩阻力，對于橋臺路堤高填土的橋臺樁基礎、地坪大面積堆放重物的車間、倉庫建筑樁基礎，均要特別注意負摩阻力問題；（2）土層中抽取地下水或其他原因使地下水位下降，使土層產生自重固結下沉；（3）樁穿過欠固結土層（如填土）進入硬持力層，土層產生自重固結下沉；（4）樁數很多的密集群樁打樁時，使樁周土中產生很大的超空隙水壓力，打樁停止后樁周土的再固結作用引起下沉；（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，最易發生樁的負摩阻力問題。要確定樁身負摩阻力的大小，就要先確定土層產生負摩阻力

50、的范圍和負摩阻力強度的大小。2.4.2 中性點及其位置的確定樁身負摩阻力并不一定發生于整個軟弱壓縮性土層中，產生負摩阻力的范圍就是樁側土層對樁產生相對下沉的范圍。它與樁側土層的壓縮、樁身彈性壓縮變形和樁底下沉直接有關。樁側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，并隨深度逐漸減小；而樁在荷載作用下，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，樁側下沉量有可能在某一深度處與樁身的位移量相等。在此深度以上樁側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

51、。中性點的位置取決于樁與樁側土的相對位移，與作用荷載和樁周土的性質有關。當樁側土層壓縮變形大，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，由于樁側土層及樁底下土層的性質和作用的荷載不同，其變形深度會不一樣，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的經驗值確定。表4 中性點深度持力層性質粘性土、粉土中密以上砂礫石、卵石基巖中性點深度比/0.50.60.70.80.91.0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

52、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： 第層樁側土豎向有效應力（kPa）；土的側壓力系數；計算處樁土界面的內摩擦角；樁周土負摩阻力系數，可按表5取值。求得負摩阻力強度后，將其乘以產生負摩阻力深度范圍內樁身表面積，則可得到作用于樁身總的負摩阻力。 表5 負摩阻力系數土類土類飽和軟土粘性土、粉土0.150.250.250.40砂土自重濕陷性黃土0.350.500.200.35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

53、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 動力測試法是根據樁體被激振以后的動力響應特征來估計單樁承載力的一種間接方法，包括打樁公式和動測法。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、價廉等突出優點，故獲得廣泛應用，方法亦多種多樣。趙柏冬6研究了一種新的動測法，即采用炮筒內放入火藥為動力，使之作用在樁頂上產生推力，推樁向下測定樁的承載力。它因簡便易行、節省工時物料、試驗費用低廉等特點而受到基礎工程界的重視與歡迎。任齊、薛晶7推導了樁基入射應力波和反射應力的函數關系，并且以此為依據，提出了利用樁尖反射信號

54、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試驗，求得樁位上的阻力，通過公式推算樁的極限承載力。它相對靜載荷試驗法比較經濟，目前在國內外已經獲得廣泛應用。最常用的有靜力觸探試驗、動力觸探試驗和旁壓試驗三種。靜力觸探試驗高效、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規范。動力觸探主要分為標準貫入與圓錐動力兩大類，標準貫入試驗在國內外應用均很廣泛，圓錐動力觸探可以連續貫入，操作簡便迅速。徐國希8對標準貫入試驗提出了一些改進方法，比如PDllGRI樁基動力公司提出的一種改進的標準貫入試驗，與靜力觸探的方法結合起來，用靜力下壓和上拔

55、及扭轉試驗來測量土阻力以改進測量精度，達到一定的改進目的。旁壓試驗始創于法國，應用廣泛。在國內，由于國產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還有些困難。2.5.3 靜力計算法 靜力計算法是依據土木參數采用常規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，適用于初步設計和等級較低的建筑物樁基礎承載力的估算。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，具有精確度高等優點，因而可以相應地減少試樁數量，從而節約資金，但是由于樁土體系的復雜性，其龐大的解題規模是計算機運算能力和軟件功能的一種挑戰。錢德玲9

56、利用有限元軟件GTS，以合肥地區灌注樁的靜載荷試驗為基礎進行了數值模擬，為確定單樁的極限承載力開辟了新的思路，同時對深刻理解樁土作用的機理也有重要意義。2.5.5 神經網絡預測法20世紀80年代以來，神經網絡在工程實踐中的應用得到了長足發展，它的大規模并行處理和分布式的信息存儲，良好的適應性和自組織性，強大的學習功能和聯想及容錯功能，為樁土間作用機理這一復雜問題的解決奠定了良好的研究基礎。馮紫良9采用BP前饋建立ANN模型，它可以包含樁的全部信息并形成一個廣義函數，從而在給定輸入（各影響參數值）的情況下能夠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試驗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，上部結構為73×30m+25m+15×30m預應力混凝土T梁，下部結構為雙柱式橋墩，肋板式橋臺，鉆孔灌