桩板结构受力及变形特性研究

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:①地基在轨道、路堤自重及列车动力作用

下的压密沉降;②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:③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。

在国内外，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，研究了桩基的荷载传递;文献

[27]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;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5~20m不等，黏性土内部有砂质土。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。