浅谈桩板结构桩基计算

文/陈渝江 铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司 重庆 400023

桩板结构路基（pile-plank embankment）作为近年来一种新兴的高速铁路无碴轨道的路基结构形式。它的上部结构主要是由钢筋混凝土承载板构成，下部结构则包括路基和钢筋混凝土桩基两部分；且板与轨道结构直接相连，由此，可将桩、板、土路基三者组成一个完整的承载结构体系。此体系充分结合了无碴轨道结构与桩基础两者各自的优点，使二者能共同作用，以满足无碴轨道所要求的强度与沉降变形。本文主要以郑西线临潼车站为例，考虑负摩阻力对桩的影响，对桩板结构桩基计算进行研究，以期达到能够初步确定负摩阻力深度、得到计算桩基负摩擦的方法和桩基承载力检算方法等目的。

1、结构形式

桩板结构(piled slab structure)是随着铁路的建设而出现的一种新型轨下基础结构形式，最显著的特征是该结构拥有与路基土体相互作用的钢筋混凝土板，并且该板受其下路基土体的支承作用，同时桩在全长范围内受路基土体的侧向约束作用[1]。如图1所示：其中，板是设计中最关键的构件。

根据目前国内外工程的实践应用情况，桩板结构主要有如下2种形式： (1)结构由桩、钢筋混凝土板、路基土体三部分组成，板位于路基表面，并与桩固结，轨道结构直接作用在板上，如图1所示；(2)结构由桩、托梁、钢筋混凝土板、路基土体四部分组成，具体为：先通过托梁横向连接桩基，其上再与板相连，轨道结构直接作用在板上；在板中位置处，桩板为固结；在板端位置处，桩板为搭接；如图2所示[3]；

2、国内工程实例

我国第一次采用桩板结构是在遂渝线无砟轨道综合试验段上。遂渝线采用的桩板结构桩与板完全固结，板有单线跨度6×5m、5×5m、(5+10+5)m3种规格。其中，(5+10+ 5)m用在跨涵洞地段，其他两种用于一般地段。同时板厚分情况设计：一般地段为0.6m，跨涵地段为0.8m。由于遂渝线是我国首次在土质路基上铺设无砟轨道结构，为了施工的成功，还特意在板下浇筑了厚约0.1m的混凝土层。

对于新建的郑州至西安客运铁路段（350km/h），为典型的双线无碴轨道。由于其位于深度湿陷性黄土地段，深度超过20m，故普通复合地基的措施难以满足设计要求，所以最终采用了带托梁的桩板结构。其中托梁采用现浇混凝土梁；板采用厚为0.6～0.8m、宽为10.5m的钢筋混凝土板；桩采用钻孔灌注桩；需要注意的是：在板的中间位置，桩与板是固结的；而在板端位置，桩与板是搭接的。京津城际铁路是我国第一条时速300km以上的高速铁路，最高运营时速达到350km。

京津城际铁路有三段路段因路基工后沉降或地基强度不能满足铁路建设技术要求，而采用了桩板结构。其中DK81+906～DK84+000段的桩板结构，桩采用的是CFG桩，桩顶设0.15m厚碎石垫层，碎石垫层上设0.5m厚的钢筋混凝 土 板；DK105+337.2～DK108+723.91段的桩板结构，桩采用了预制管桩及CFG桩，桩顶设0.15m或0.5m厚碎石垫层，碎石垫层上面设0.5m厚的钢筋混凝土板；DK108+365～DK108 + 449段桩板结构，桩采用钻孔灌注桩，桩顶设0.5m厚碎石垫层，碎石垫层上设0.5m厚的钢筋混凝土板。这三段桩板结构，均在板上又填筑了一定厚度的路基填料，然后在其上采用了CRTSⅡ型板式无砟轨道结构。

3、桩板结构桩基计算

本文主要以郑西线临潼车站为例，阐述以上述结构类型2为模型的桩基设计。就高压缩性土层而言，我们考虑负摩阻力对桩的影响，具体为阻力计算深度增大导致桩长度太大，从而使施工难度系数增加[3-4]。

下述内容将对钻孔灌注桩考虑负摩阻力情况下桩基的计算方式、承载力检算方式、沉降检算方式进行简单的阐述。

3.1 负摩阻力深度确定

桩负摩阻力，即桩在穿越软弱土层的过程中，由于某种原因的发生，软土层可能出现地面沉降、或黄土因湿陷而下沉等现象。此时，桩周围的土体相对于桩身产生向下的位移，使桩身承受向下作用的摩擦力，这部分摩擦力即为负摩阻力[5]。

中性点，在地面发生沉降的地基中,长桩的上部为负摩擦力而下部往往仍为正摩擦力.正负摩擦力分界的地方称为中性点.。

为确定桩基的负摩擦计算深度，根据附加应力小于0.2倍自重应力的条件，荷载影响的附加应力等于土体自重的附加应力的0.2倍时，即为本工程的计算深度。路基填土容重为19KN/m3,地基地层的容重为17KN/m3，仅考虑桩板结构宽度范围板下部填土影响时，我们分别对填土高度为3m～8m的各种情况进行了计算。具体情况如下：

据《建筑桩基技术规范》规范相关规定，中性点深度ln，在黏性土层中折减系数一般取为0.5～0.6倍，当桩周土层计算沉降量小于20mm时，可以进一步折减0.4～0.8倍。

根据以往的施工经验，同时结合临潼车站已

桩板结构施工前已经采用复合地基加固，从而已经进一步缩小了沉降的实际情况。在施工工序上桩板结构的施工在路基填土完成后1个月以上的时间才开始施工下部桩基，使得桩板结构下部地基的剩余沉降较小，负摩擦深度可以进行折减。我们最终确定此工程折减系数为0.5倍，并按照5～10m的深度考虑负摩擦力的影响。

3.2 计算桩基负摩擦的方法

具体分为以下两种情况：

（1）对于中性点以上的情况，计算公式为

式中：

qin--第i层土的桩侧负摩擦阻力标准值。

ξni--桩周第i层土的负摩擦阻力系数。

σi--桩周第i层土的平均竖向有效应力。

（2）对于考虑群桩效应的情况，计算公式为：

式中：

Qgn--群桩中桩基负摩阻力

n--中性点以上的层数。

li--中性点以上第i层的厚度。

ηn--负摩擦阻力群桩效应系数。

sax、say--分别为纵横向桩的中心距。

qin--第i层土的桩侧负摩擦阻力标准值。

rm---桩周土层厚度的加权平均重度。

μ--负摩擦阻力系数

d—桩直径

3.3 桩基承载力检算

在此计算实例中，由于临潼东站地基下部均为厚层黏性土，可按摩擦桩进行承载力检算[7]。

具体计算公式如下：

Ra=qpaAp+up∑qsiali

式中：

Ra--单桩竖向承载力特征值。

qpa、qsia--为桩端、桩侧阻力的特征值。

Ap--为桩底端横截面面积。

up-桩身周边长度。

3.4 桩基沉降计算

沉降检算分别按照单桩基础进行分析。

对于桩底压缩层沉降计算深度按照附加应力小于0.2倍的地层的自重应力进行控制，根据检算结果桩端土层的平均附加应力均小于0.2倍的土层的自重应力，桩端沉降可以忽略，桩基沉降仅需考虑桩本身的压缩变形部分。

对桩基深度范围单桩压缩变形按照以下公式计算:

式中Se-桩身压缩量

ξe—桩身压缩系数，摩擦桩l/d≤30时取值为2/3, l/d ≥50时取值为1/2,介于两者之间可线性插值。

Qj—桩顶的附加荷载

Lj—桩长

EC—桩身混凝土的弹性模量

Aps—桩身截面面积

结语：

目前桩板结构广泛应用与高速铁路地基处理中，特别是在时速300km/h在无砟轨道铁路路基地基处理中。对于解决软土地基，岩堆及桥隧间短路基有显著效果。能有效改善传统土工建筑与结构建筑之间的过渡条件。

郑西客专经过7年的运行，证明桩板结构效果良好，安全可行。

在设计过程中，负摩擦阻力跟土体的压缩性，湿陷性密切相关，目前埋入式桩板结构地基处理时，负摩擦阻力影响范围内，桩侧提供正摩擦力在设计中不予以考虑。在桩板结构施工前会采取以消除从而进一步减小负磨擦阻力折减系数，提高桩的有效长度，可以提高桩板结构在将来的应用中的经济效应。

但桩板结构的设计中仍然存在以下问题：

1.桩板结构的设计目前尚没有具体的规范，高压缩土层负摩擦阻力折减系数只能靠经验来确定，相对保守。

2.对于板的支承能力，目前没有考虑土体对板的支承和约束。仅仅考虑了桩的作用，计算中明显偏于保守，加强对土-桩-板之间的作用关系的研究能大大提高桩板结构在应用中的经济效应。

3.对于桩与板连接处、连续板的两端、板上下产生的温差所带来的温度应力势必会造成结构中部分地方的应力集中，对于桩板结构的安全影响也不可低估。所以对温度应力对桩板结构的影响的研究，对桩板结构有着重要的指导意义。

[1]肖宏,郭丽娜.桩板结构技术应用研究[J].铁道标准设计,2010(2):47-51.

[2]詹永祥,蒋关鲁,魏永幸,等.无碴轨道桩板结构路基的设计与计算[C].中国交通土建工程学术论文集.2006.P.723-P.725

[3]黄健平.郑西客运专线路基桩板结构的设计与计算[J].广东公路交通,2006(s1):182-185.

[4]中华人民共和国国家行业标准.JGJ94-2008,建筑桩基技术规范[M].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[5]鹿群,张岳文,郑述海,等.桩基负摩擦力的成因、机理与危害分析[J].河北建筑科技学院学报自然科学版,2003,20(4):46-49.

[6]魏成国.湿陷性黄土地基桩基湿陷负摩擦力计算与研究[D].西安理工大学,2006.

[7]张兆宁,孙学先.桩基承载能力的可靠性分析计算研究[J].兰州交通大学学报,2004,23(6):42-44.