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1、桩板结构受力及变形特性研究1绪论1.1研究背景与意义铁路是我国国民经济的大动脉，2004年1月，国务院审议通过了我国铁路史上第一个中长期铁路网规划，确定到2020年，我国铁路营业里程将达到10万km，其中客运专线1.2万km;复线率和电气化率均达50%。自1964年日本修建世界上第一条高速铁路东海道新干线以来，高速铁路成为世界铁路行业发展的方向。高速铁路是一个系统工程。列车与线路是相互依存、相互适应的关系，列车是载体，线路是基础。高速运行的列车要求线路具有高平顺性、高稳定性、高精度、小残变、少维修以及良好的环境保护等。路基是承受轨道结构重量和列车荷载的基础，是铁路线路工程的一个重要组成部分。高
2、速铁路对轨道的平顺性和稳定性提出了更高的要求。与此相应，高速铁路路基除应具备一般铁路路基的基本性能之外，还需要满足高速铁路轨道对基础提出的性能要求。这些性能概括起来有以下几点:1、足够的刚度列车速度越高，就要求路基的刚度越大，弹性变形越小。当然，刚度也不能过大，过大了会使列车振动加大，也不能做到平稳运行。2、稳固、耐久、少维修要求路基在列车荷载的长期作用下，塑性累积变形小。3、高平顺性不仅要求静态条件下平顺，而且还要求动态条件下平顺。稳定、沉降小且沉降均匀的平顺路基是高平顺性轨道的基础。稳定性好的路基，主要是靠控制路基工后沉降和不均匀沉降，以及控制路基顶面的初始不平顺来保证。这正是高速铁路路基
3、设计、施工与普通铁路的主要区别。路基工后沉降一般由三部分组成:地基在轨道、路堤自重及列车动力作用下的压密沉降;路基填土(包括基床与路堤本体)在自重作用下产生的压密沉降:基床表层在动荷载作用下的塑性累积变形。其中控制地基沉降是最为关键的。通常采用地基处理来提高地基强度、刚度，减少沉降。高速铁路建设中最为常见的特殊土路基包括湿陷性黄土、软土等。常规地基处理方式有换填法、强夯法、复合地基法、排水固结法等，前三者的处理深度或受限于处理原理，或受限于施工设备，处理深度一般不超过3Om，后者的处理时间较长，不能满足当前建设要求。当遇到深厚软弱地基时，传统的设计方案是将路基方案改为桥梁方案，以桥代路。在挖方
4、地段和站场，桥梁方案并不适用，而且桥梁结构的横向稳定性方面较差，在曲线段上，横向稳定性问题成为设计考虑的主要因素。我国高速铁路建设规模大、线路长，区域地质条件复杂，深厚软弱地基较多，在财力有限的前提下，迫切需要寻求一种强度高、刚度大、稳定性和耐久性好，并且建筑成本适当、施工工艺简单的高速铁路路基新型结构。基于以上因素提出的桩板结构路基是高速铁路的一种新路基结构形式，它具有地基处理和路基结构两种功能，它由钢筋混凝土的桩基、托梁、承台板及土质路基组成，桩板结构路基的承台板直接与轨道结构连接，桩一梁和桩一板固结与土路基共同组成一个承载结构体系。桩板结构路基有别于传统土工结构物的概念，传统土路基承受荷
5、载的竖向体系是基床路堤一地基，而桩板结构路基承受荷载的体系为板一梁一桩一地基，并且利用桩一土、板一土、梁一土之间的共同作用来提高结构的强度和刚度满足高速铁路的沉降要求。桩板结构路基一般采用钻孔灌注桩，目前最大处理深度可达60m，处理深度大是相比于传统地基处理的最大优势。在国外，桩板结构路基的理论探讨与应用研究基本上是一个新课题，其有限的应用却显示出非常良好的技术经济效益，有开展进一步深入研究的巨大价值。传统土路基的动力学研究开展较多，也进行了大量现场行车动态试验。桩板结构是一种新型路基结构，动力学研究和动态试验较少，试验手段也单一。文献26通过遂渝线桩板结构路基大比例动态模型试验，研究了桩基的
6、荷载传递;文献27针对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;模型试验受限于模型尺寸和边界条件，得出的结果与工程实际还有一定差距。文献5测试了CRHZ行车时桩板结构路基的动态响应。高速铁路必须考虑列车重复荷载作用下路基的疲劳特性，包括强度疲劳失稳和变形疲劳失稳两方面。土质路基基床在重复荷载作用下会产生累积下沉，桩板结构在重复荷载作用下的研究尚未见报道，需要进行现场激振试验，研究桩板结构动力响应和疲劳特性。1.2桩板结构路基概述 1.2.1桩板结构路基应用现状“桩一板结构”在欧洲已有上千年历史，在英国、比利时、荷兰等国家都发现该技术修建的道路。当高速铁路开始采
7、用无碎轨道技术之后，由于无柞轨道对工后沉降有极其严格的要求，在一些地质条件较为恶劣的地段，常规地基处理工艺难以满足要求，工程界研发出现代钢筋混凝土桩一板结构。“桩一板结构”在控制沉降方面具有相当优越性能，我国工程技术人员独立自主研发出多种结构形式已应用在多条客运专线上。德国纽伦堡一英戈尔施塔特线共修建“桩一板结构”路基3.543km。新建线的北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520m不等，黏性土部有砂质土。这种黏土易于下沉，还具有膨肤性。该地区的线路采用了“桩一板结构”，钻孔桩直径0.9m，桩顶现浇0.6m厚钢筋混凝土板。为了桩板路基尽可能均匀过渡到土质路基，采用了厚度渐
8、变的素混凝土板来减小刚度的差异，素混凝土板长20m。荷比高速铁路阿姆斯特丹至布鲁塞尔线，全线铺设无柞轨道，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4m，全长26m，横向桩间距3m。设计方对桩板结构上铺设Rheda2000型无柞轨道进行优化，最终选择超长连续型轨道板。英法海底隧道连接线在穿越一个沼泽地区时有7km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2.5m。我国遂渝线无柞轨道综合试验段地基沉降及工后沉降的控制技术采用钢筋混凝土桩板结构的地基处理措施。桩板结构路基是高速铁路无碎轨道一种新
9、的路基结构形式，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。桩板结构路基主要适用围为己建路堤的补强加固，工程地质条件复杂的路堑地段、既有线有柞改无柞轨道工程，以及两桥(隧)之间短路基、道岔区路基等。承载板的尺寸为4.4mx0.6mx3Om，一联六跨，跨度为5m，横向桩间距2.5m，在相邻联处由托梁支承。文献11通过借鉴国外客运专线经验，提出建设客运专线时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。文献【12从控制低矮路堤沉降和减少路堤动力影响的角度，提出一种新型路基建筑形式桩筏结构。桩筏结构由预应力管桩和现浇钢筋混凝土筏板构成。桩
10、径0.5m，桩长50m;筏板厚度 1.2m，一联长18.2m，纵向排桩，纵向桩间距m，横向分布6排桩，横向桩间距1.72m。文献13介绍了西客运专线某站场工点地基存在较深的湿陷性黄土，对路基沉降控制提出严峻要求。作者提出一种新型地基处理方式连续埋入式无限长桩板结构。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0.7m厚级配碎石基床表层。上部承台板厚0.60.8m，宽10.5m(除道岔区)，下部基础采用直径1.0m或直径1.25m钻孔灌注桩基础，横向分布2排，间距5.Om，纵向桩间距一般为 7.09.om。埋入式无限长桩板结构一联长度可达100Om。1.2.2桩板结构路基研究
11、现状桩板结构是一种创新结构，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l4系统阐述桩板结构路基的研究技术路线，分析了桩板结构路基的经济效益，与桥梁方案相比，低路堤情况可节省工程造价20%一40%，指出桩板结构路基最适宜于新建客运专线铁路工程地质条件复杂的路堑和低路堤段。文献l518提出将承载板当作连续梁处理，按影响线法计算活载作用的力，最终确定板的翘曲变形能否满足土质路基上铺设无碴轨道容许挠度及视觉高差的要求。文献【16探讨了桩板结构路基的设计理论，运用解析算法和有限元分析了桩板结构的应力与变形。文献l7提出桩板结构路基的极限状态设计法。文献13将桩板结构简
12、化为平面刚架，运用力法求解，并且编制了计算程序。文献【19分析了板、梁和桩对桩板结构路基造价的影响，进行了不同跨度方案的比选。文献ll分析了桩间距对桩板结构力的影响，得出了最优方案。文献21以桩板结构配筋设计法为研究对象，对比了容许应力法和极限状态法，得出极限状态法有一定优势。文献27阐述了西客运专线湿陷性黄土桩板结构的设计理论。文献20对竖向荷载作用下桩板结构进行有限元仿真分析，得到桩板结构的应力和变形。文献【22运用有限元软件ANsys分析了诸多参数对桩板结构路基沉降的影响，荷载、桩长和地基土模量的影响最大。文献【23运用动力有限元分析了桩板结构路基在地震波作用下的动力响应，分析结果表明桩
13、截面处的承载板受力最不利。文献10建立桩板结构路基整体有限元模型，包括轨道、桩板结构和地基，分析了列车荷载作用下整体模型的动力响应。文献【2425针对遂渝线桩板结构路基某工点，进行离心模型试验，研究了桩板结构路基的沉降。文献【26通过遂渝线桩板结构路基大比例动态模型试验，研究了桩基的荷载传递。文献27针对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5测试了CRHZ行车时桩板结构路基的动态响应。1.2.3桩板结构路基的特点1.2.1节中列举了大量国外高速铁路中桩板结构路基的实际应用，这些结构的结构方案、跨度布置、构造形式、施工工艺各有不同，而且这些结构的名称也
14、各不相同。为了便于学术交流，本文尝试给这类结构下一个定义，这些结构具有以下四个特征:结构的大部分构件埋入地基或路基;以钢筋混凝土为材料;以板一桩为荷载传递体系;以控制沉降为主要目的;满足以上四个特征的结构可以较为形象地统称为桩板结构路基，亦可简称桩板路基。桩板路基与线路的其它形式对比，可以发现若干不同。桩板路基埋入地基，有别于桥梁跨越空间障碍的形式，这是桩板路基之所以称为路基的原因;桩板路基的材料为钢筋混凝土，有别于传统土路基以土石等松散介质为材料;桩板路基以板一桩为荷载传递体系，有别于传统土路基的基床一路堤一地基体系。优点:处理深度大，强度高，刚度大，工后沉降小，施工便捷快速。缺点:造价高，
15、不易维修，抗裂性差。适用围:低矮路堤、路堑、站场、既有线改建加固。1.2.4桩板结构路基的分类从使用功能的角度，可以分为地基处理式和路基结构式，通常地基处理式的桩板结构埋入路基下，设计有土质基床，这类桩板结构路基受列车动力影响较小;路基结构式兼有地基处理和路基结构两种功能，桩板结构的板承担了基床的功能。从埋入深度的角度，可分为上承式和埋入式，上承式直接铺设轨道结构，受外界自然条件的影响，桩板结构大多是超静定结构，尤其对温度变化敏感。埋入式埋入地下，受外界因素影响较小。从结构是否超静定，可分为静定式和超静定式，由于超静定结构有刚度大，力小的优点，通常桩板结构为超静定式。从跨度布置可分为连续式和分
16、联式，连续式桩板结构中构造措施中不设温度缝和沉降缝，一联结构的跨数可超过100跨，长度超过千米;分联式桩板结构一联的跨数为3一6跨，联与联之间设构造缝，减少温度变化和桩基不均匀沉降对结构的影响。从结构上线路的数量，可分为单线式、双线式和多线式，结构的一块板上只铺设一条线路，称为单线式，双线式和多线式依次类推。由于列车荷载的动力作用，双线式桩板结构中可能产生翘曲和扭转等较为复杂的受力现象，所以单线式应用较多。多线式通常用于站场。从桩基的施工工艺上，可以分为打入桩式和钻孔桩式。从板的力学特性，可分为单向板式和双向板式。桩基点支承的板在两个方向上受弯，按双向板分析。有托梁对边支承的板为单向板32，按梁分析。从构造缝的形式，可分为托梁
