桩板结构受力及变形特性研究

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

6、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

7、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520m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

8、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

9、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。文献11通过借鉴国内外客运专线经验，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

10、板构成。桩径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介绍了郑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

11、结构路基研究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内力，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1

12、3将桩板结构简化为平面刚架，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内力的影响，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阐述了郑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

13、应，分析结果表明桩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节中列举了大量国内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

14、，而且这些结构的名称也各不相同。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

15、捷快速。缺点:造价高，不易维修，抗裂性差。适用范围: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，内力小的优点，通常桩板结构为超静定式。

16、从跨度布置可分为连续式和分联式，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

17、边支承的板为单向板32，按梁分析。从构造缝的形式，可分为托梁式和悬臂式，托梁式在构造缝处设置有一桩基支承托梁，板支承在托梁上;悬臂式是指两侧板悬挑出，中间有一构造缝。1.2.5桩板结构路基的破坏模式文献【27进行了桩板结构路基大比例模型破坏试验，加载位置为跨中截面，当加载6t时，承台板开始进入破坏阶段，当加载达到7t时，承台板跨中下表面开始出现肉眼可识别的裂缝，试验结束后，取出模型，承台板跨中截面上侧混凝土压碎，下侧受拉钢筋屈服，下表面上破坏裂纹横向贯通。测试过程表明，托梁钢筋进入屈服阶段。承台板破坏时，桩基未达到破坏状态。桩板结构路基的破坏标准为承台板跨中截面、托梁支座截面破坏，达到承载力极

18、限状态，属于适筋梁破坏。1.2.6桩板结构路基的结构分析与力学模型结构计算简图是进行结构计算时用以代表实际结构的经过简化的模型。选择计算简图的原则是:(l)反映实际结构的工作性能;(2)便于计算。选取计算简图时，必须分清主次，抓住本质和主流，略去不重要的细节。计算简图的选择是力学计算的基础，极为重要。计算简图一经确定，就需采取适当构造措施使实际结构尽量符合简图的特点。因此，选定符合实际结构的计算简图和在构造上采取措施保证其简图特点的实现，是一个问题的两个方面，必须统筹考虑。1.2.6.1构件的力学特点桩板路基是轨道的基础，也是一种钢筋混凝土建筑物。桩板路基中有若干构件，构件的受力分析是结构设计

19、的基础。下面介绍主要构件的受力特点。承台板，承受轨道静荷载和列车动荷载。荷载作用方向垂直轴线，产生弯曲变形，内力以弯矩及剪力为主。属于平面受弯构件。承台板和桩基刚接，构成线路纵向方向上的刚架。托梁，承受上部结构静荷载和列车动荷载。荷载作用方向垂直轴线，产生弯曲变形，内力以弯矩及剪力为主。属于平面受弯构件。托梁和桩基刚接，构成线路横向方向上的刚架。桩，受力状态较复杂，承受了竖向荷载和水平荷载。一是承受上部结构传来的压力和自重，荷载方向平行于轴线;二是承受列车制动力或牵引力，以及横向摇摆力和离心力，荷载方向垂直于轴线;桩是偏心受压构件。1.2.6.2结构体系的简化承台板和桩基刚接接，构成线路纵向方

20、向上的刚架，限制了桩板路基纵向位移。托梁和桩基刚接，构成线路横向方向上的刚架，限制了桩板路基横向位移，保证了横向稳定性。板、梁、桩构成了空间刚架体系，具有较大的刚度，在列车荷载作用下有较大的纵横向稳定性，限制了桩板路基纵横向的水平位移。桩板结构实际上是空间刚架结构，直接分析较为困难，为了简化计算可以分解为平面结构。分解方法是沿纵向和横向分布按平面结构计算。承台板和托梁有类似主次梁的支承关系，板、梁、桩构成一个交叉体系。首先可把空间刚架看做双向正交刚架体系:然后把空间刚架分解为平面刚架;再选择计算两个平面，得到纵向体系和横向体系。如图1.2一23，建立空间坐标系来分析桩板结构。线路纵向为X轴，横

21、向为Y轴，地基竖向为Z轴，以重力方向为正，整个坐标系符合右手定则。桩板结构荷载可分为体力和面力，体力即自重和温度作用。面力按荷载作用方向可分为竖向荷载、横向荷载、纵向荷载。竖向荷载的传递路径从上至下，承台板传递至托梁，托梁传递至桩，最终由桩基传递至地基土。中跨四桩的主筋锚固在承台板中，边跨支承允许承台板有微小横纵向位移，故认为横纵向荷载由板、梁传递至中跨四桩。桩板结构是空间超静定结构，必须经过简化后才能用解析法分析。承台板为对边支承，可以看做连续单向板，主要发生X一Z平面内弯曲。托梁发生Y一Z平面内的弯曲，单线列车荷载作用时，托梁也有扭转变形。边跨四桩只受轴力，而中跨四桩还受到水平荷载作用。目

22、前在列车荷载累计作用下，承台板与地基土是否会脱开尚无试验资料，计算中不考虑地基对承台板和托梁的反力。以上荷载传递和结构变形的分析表明，桩板结构可以分解为X一Z纵向平面模型和Y一Z横向平面模型。如图1.2一24纵向平面模型选单线模型，托梁在纵向平面的弯曲刚度为无穷大，当竖向力和弯矩作用时，纵向挠度为零，则纵向分析时忽略托梁，只分析承台板和桩组合的刚架。边跨支承简化为活动铰支座。如图1.2一25横向平面模型分析托梁和桩组合的刚架。1.2.6.3结构受力的分析超静定桩板结构应按弹性理论计算(可不计法向力及剪力对变形的影响)，同时应考虑基础不均匀变位(线位移和角位移)、温度变化及混凝土收缩、徐变的影响

23、。桩板结构采用容许应力法设计计算强度时，不应考虑混凝土承受拉力(除主拉应力检算外)，拉力应完全由钢筋承受。对桩板结构各构件应进行正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力验算。在列车竖向静活载作用下，承台板体的竖向挠度不应大于铁路桥规的规定。在ZK活载静力作用下，承台板板端竖向转角不应大于铁路桥规的规定。无柞轨道承台板板缝两侧钢轨支承点间的相对竖向位移不应大于1mm；对于设有纵向坡度的承台板，还应考虑由于活动支座纵向水平位移引起的板缝两侧钢轨支承点间的相对竖向位移。应进行单桩竖向承载力验算和桩基沉降分析，桩基的工后均匀沉降以及相邻桩基沉降之差(差异沉降)不应大于表的规定。1.2.7桩板结构路基的荷载铁

24、路网中客货列车共线运行，旅客列车设计时速等于或小于160km、货物列车时速等于或小于120km，列车竖向活载必须采用中华人民共和国铁路标准荷载，即“中一活载”，见图1.2一26一1.2一28。设计时速200250km和300350km客运专线铁路列车竖向活载必须采用ZK活载。1.2.8桩板结构路基的轨道结构形式目前具有高速铁路实际运营经验的桩板结构路基轨道结构形式主要有轨枕埋入式无碴轨道和柔性填充层板式无碴轨道两大类。如图1一2和图1一3所示。轨枕埋入式无碴轨道具有结构的高度整体性，对有碴轨道结构概念的良好继承性和混凝土工程的本质性等特点，在结构设计和施工上都可以借鉴桥梁工程、混凝土工程和有碴

25、轨道积累的经验，使之具有对桥上、隧道内、路基上、道岔区等具有广泛的适用性。其最大缺点是可修复性差，同时在桥上和单线隧道内铺设时，施工性受到影响。板式无碴轨道具有结构高度低、重量轻、施工机械化程度高、施工进度快和可修复性好等特点，更适合于桥梁和隧道内使用，板式轨道由于结构单元比较大，适应曲线布置能力差，在道岔区使用难度很大，由于存在纵向的周期性间断，对路基不均匀沉降适应性差，如果在路基上使用，需要增强其纵向连续性。1.3桩板结构的技术经济优势、适用场合及其存在的问题1.3.1桩板结构路基的技术经济优势由桩板结构路基的结构力学特点可知，这种结构第一个优点就是具有整体性强、稳定性好，坚固耐用，轨道变

26、形小，且变形累积缓慢等优点，有利于高速行车，可大大减少养护维修工作量、降低作业强度和改善作业条件。第二，桩板结构路基在构造上十分机动灵活，适应性强。上部钢筋混凝土承载板可以适应各种线路情况的，做成任何形状的特殊异形板，设计施工并不增加多少困难。下部桩基础可以结合当地条件合理布置。第三，施工方便。由于承载板是实心板，外形简单，而且直接浇筑在路基上，只需要侧模，加工制作简易。内部纵横双向布置钢筋，钢筋类型最少，加工和布设也简易，无须布设预应力筋。浇筑混凝土可以大面积进行，一气呵成，振捣方便，因此深受施工人员欢迎。第四，随之而来的优点是:设计省事，无论什么特殊的平面形状都只不过是用板单元下面布设一些

27、固结或简支的支承点来进行数值分析，而且混凝土为实心双向布筋，出图也极度简化。第五，与桥梁结构相比，桩与板之间通过钢筋固结，可以节省昂贵的支座，温度和收缩应力较小，只需在板与板连接处设置伸缩缝。第六，与普通路基结构相比，由于板下是桩基础，对路基填料要求不高，可以就地取材，且沉降相对小而快，工后沉降较易控制，可缩短工期，相对加快工程进度。1.3.2桩板结构路基的适用场合根据目前的实践经验，桩板结构路基主要适用范围为:已建路堤的补强加固、旧线改造工程、工程地质条件复杂的路堑地段、既有线有碴改无碴轨道工程、以及两桥(隧)之间短路基、道岔区路基等，桩板结构路基具有良好的技术和经济优越性，是宜于推广的新型

28、无碴轨道路基结构形式。1.3.3桩板结构路基存在的问题(l)初期投资和综合效益问题与其他无碴轨道路基结构相比，桩板结构路基初期投资较大是影响其推广应用的重要问题，但是投资分析本身就是一个比较复杂的问题。通过对遂渝线桩板结构与桥进行经济比较，得出在相同纵向长度范围内，桩板结构路基造价仅为桥梁结构造价的一半，有着良好的经济效益。一般要能控制其初期投资在桥梁以下，相对于其他无碴轨道路基，略高或相差不大，相对于有碴轨道来说，按结构生命周期60年计算，一般能在ro一12年实现收支平衡，桩板结构路基便具有良好的经济效益。(2)实测资料的缺乏由于对桩板结构路基的研究才刚起步，对深厚软层地区及特殊土地区的设计

29、缺乏有科学依据的设计参数，对桩板结构加固的抗震、抗液化理论方面有待进一步的研究。(3)噪音问题一般无碴轨道刚度较大，弹性较差，增加了轮轨的振动及辐射噪声。无碴轨道的混凝土构件形成了较强的声反射刚性表面，加强了噪声的混响作用和噪声向两侧的辐射，使噪声强度增大。由于上述两者结构特征的影响，一般无碴轨道线路的噪声和振动都大于有碴轨道，噪声约高5dB左右。而对于同一种轨道结构其噪音的大小是:桥梁>桩板结构路基>土质路基，所以控制噪音是今后的一个研究重点。(4)轨道弹性问题桩板结构路基的弹性主要由扣件及轨下橡胶垫板提供，橡胶垫板可以增加轨道的整体弹性，减少轮轨作用向板下的传递，起到隔振的作用

30、;在扣件结构设计、材料选用和技术标准上严格要求，实现轨道弹性的均衡稳定。(5)修理与修复问题桩板结构作为刚性结构，在后期运营阶段仅允许少量的改善，如调整轨道几何形态，一般只能靠扣件来实现，当发生较大变化时，调整十分困难，特别是钢筋混凝土承载板，达到承载强度极限时将产生断裂，轨道几何尺寸将发生急剧恶化，这些问题都为桩板结构路基维修工作提供新的课题。2 钻孔灌注桩单桩竖向承载力的确定方法单桩竖向承载力是指桩所具有的承受竖向荷载的能力，其最大值称为极限承载力。它通常指受压承载力，抗拔承载力、单桩的荷载传递规律、承载力时间效应及负摩阻力等。单桩竖向承载力包括地基对桩的支撑能力和桩的结构强度所允许的最大

31、轴向荷载两个方面的含义，以其小值控制桩的承载性能。通常情况下，地基土的承载能力一般先达到极限状态，结构强度具有较大的安全度，本文将在此前提下进行分析讨论。单桩竖向承载力分为桩端阻力和桩侧摩阻力，前者主要受到桩的设置方法、土的种类、桩的入土深度、制桩材料、桩土间的相对位移、成桩后的时间等因素影响，后者主要受桩进入持力层的深度、桩的尺寸、加载速率等因素的影响。加之施工工艺的优劣，影响因素众多，因而选用合适的方法显得尤为重要。目前，常用方法可分为两大类，一类是直接法，通过试验来确定桩的承载力，包括静载荷试验法、动力测试法、原位测试法等；另一类是间接法，包括静力计算法、规范经验参数法、有限元法、神经网

32、络法等。2 .1静载试验法确定单桩竖向受压承载力垂直静载试验法即在桩顶逐级施压轴向荷载，直至桩顶达到破坏为止，并在试验过程中测量每级荷载下不同时间的桩顶沉降，根据沉降与荷载及时间的关系，分析确定单桩轴向容许承载力。试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专门设置与工程桩相同的试验桩。考虑到试验场地的差异及试验的离散性，试桩数目应不小于基桩总数的2%，且不应小于2根；试桩的施工方法以及试桩的材料和尺寸、入土深度均应与设计相同。2.1.1 试验装置试验装置主要由加载系统与观测系统两部分组成。加载方法有堆载法与锚桩法两种。堆载法是在荷载平台上堆放重物，一般为钢锭或砂包，也有在荷载平台上置放水箱，向水箱中冲

33、水作为荷载。堆载法适用于极限承载力较小的桩。锚桩法是在试桩周围布置46根锚桩，常利用工程群桩。锚桩深度不宜小于试桩深度，且与试桩有一定距离，一般应大于3且不小于1.5m（为试桩直径或边长），以减小锚桩对试桩承载力的影响。观测系统主要对桩顶位移和加载数值进行观测，位移通过安装在基准梁上的位移计或百分表量测，加载数值通过油压表或压力传感器观测。每根基准梁固定在两个无位移影响的支点或基准点上，支点或基准点与试桩中心距应大于4且不小于2m（为试桩直径或边长）。锚桩法的优点是适应范围广，当试桩极限承载力较大时，加荷系统相对简单。但锚桩一般须事先确定，因为锚桩一般需要通长配筋，且配筋总抗拉强度要大于其负担

34、的上拔力的1.4倍。2.1.2 试验方法试桩加载应分级进行，每级荷载约为预估破坏荷载的1/101/15；有时也采用递变加载方法，开始阶段每级荷载取预估破坏荷载的1/2.51/5，终了阶段取1/101/15。测读沉降时间，在每级加载后的第一小时内，在5、10、15、30、45、60时各测读一次，以后每隔30测读一次，直至沉降稳定为止。沉降稳定的标准，通常规定为对砂性土为30内沉降不超过0.1mm，对粘性土为1内不超过0.1mm。待沉降稳定后，方可施加下一级荷载。循环加载观测，直到桩达到破坏状态，终止试验。当出现下列情况之一时，可终止加载：a某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍

35、；b某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24小时尚未达到稳定；c桩顶加载已达到设计规定的最大加载量；d异常情况经委托方或设计方同意终止试验。终止加载后进行卸载，每级基本卸载量按每级加载量的2倍控制，并按15、30、60测读回弹量，然后进行下一级的卸载。全部卸载后，隔34再测回弹量一次。2.1.3 极限荷载和轴向容许承载力的确定破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而确定单桩轴向容许承载力： = 式中：单桩轴向受压容许承载力（kN）；试桩的极限荷载（kN）；安全系数，一般为2。实际上，在破坏荷载下，处于不同土层中的桩，其沉降量及沉降速率是不同的，人为地统一

36、规定某沉降值或沉降速率作为破坏标准，难以正确评价基桩的极限承载力。因此，宜根据试桩曲线采用多种方法分析，以综合评定基桩的极限承载力。(1)-曲线明显转折点法在-曲线上，以曲线出现明显下弯转折点所对应的荷载作为极限荷载。因为当荷载超过该荷载后，桩底下土体达到破坏阶段发生大量塑性变形，引发桩发生较大或较长时间仍不停滞的沉降，所以在-曲线上呈现出明显的下弯转折点。然而，若-曲线转折点不明显，则极限荷载难以确定，需借助其它方法辅助确定，例如用对数坐标绘制曲线，可能使转折点显得明显些。(2)法（沉降速率法）该方法是根据沉降随时间的变化特征来确定极限荷载，大量试桩资料分析表明，桩在破坏荷载以前的每级下沉量

37、（）与时间（）的对数成线性关系，可用公式表示为： = 直线的斜率在某种程度上反映了桩的沉降速率。值不是常数，它随着桩顶荷载的增加而增大，越大则桩的沉降速率越大。当桩顶荷载继续增大时，如发现绘得的线不是直线而是折线时，则说明在该级荷载作用下桩沉降骤增，即地基土塑性变形骤增，桩破坏。因此可将相应于线形由直线变为折线的那一级荷载定位该桩的破坏荷载，其前一级荷载即为桩的极限荷载。2.1.4 从成桩到开始试验的时间间歇对灌注桩应满足混凝土养护所需的时间，一般宜为成桩后28天。对预制桩，尽管施工时桩身强度已达到设计要求，但由于单桩承载力时间效应，试桩时间也应该距沉桩时间有尽可能长的休止期，否则试验得到的单

38、桩承载力明显偏小。一般要求，对于砂性土，不应小于10天；对于粉土和粘性土，不应小于15天；对于淤泥或淤泥质土，不应小于25天。2.1.5 小结采用静载试验法确定单桩容许承载力直观可靠，但费时、费力，通常只在大型重要工程或地基较复杂的桩基工程中进行试验。配合其它测试设备，也能直接了解桩的荷载传递特征，提供有关资料，因此静载试验法是桩基础研究分析最常用的方法。李建强、张季超1对桩基静载试验中存在的一些技术问题进行了阐述，并结合实际工程给出了自己的见解。陆肖春、郭洪涛2研究了自平衡试桩法，它是一种新的静载试验方法，避免了传统静载荷试验的很多缺点，应用前景广阔，尤其适合超长桩体检测。2.2 规范法确定

39、单桩竖向受压承载力根据静力试桩结果与桩侧、桩端阻力和物理土性指标间的经验关系，从而预估单桩承载力的规范经验法是一种沿用多年的传统方法，桩基规范在地基规范的基础上，积累了更为丰富的资料，使这种方法适用于各类型的桩，并用极限设计的形式表示。根据静力平衡条件可得： = + 式中：单桩竖向极限承载力标准值，kN；单桩总极限侧阻力标准值，kN；单桩总极限端阻力标准值，kN。为了便于计算，常常假定同一土层中的单位侧摩阻力是均匀分布的，于是可得到根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，而确定承载力标准值公式。桩基规范针对不同的常用桩型，推荐了不同的估算表达式。（1）一般预制桩及灌注桩： = + 式中，、

40、分别为桩侧第层土的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值（kPa），其余符号意义同前。（2）大直径桩对于直径大于0.8m的大直径桩，其侧阻与端阻要考虑尺寸效应。侧阻的尺寸效应主要发生在砂、碎石类土中，这是因为大直径桩一般为钻、挖、冲空灌注桩，在无粘性土成空过程中将会出现孔壁土的松弛效应，从而导致侧阻力降低。孔径越大，降幅越大。大直径桩的极限端阻力也存在着随桩径增大而呈双曲线关系下降的现象，这主要是由于大直径桩，特别是扩底桩，其静载试验的曲线一般呈缓变型，单桩承载力的取值常以沉降控制。根据计算沉降的弹性力学公式可知，当变形相同时，桩端承载力与桩径成反比，实际上由于桩端荷载不是作用于地基表面而是作用于

41、地基内部，因此与并不是简单的反比关系。桩基规范推荐用下式计算大直径单桩竖向极限承载力标准值，即： = + 式中：桩侧第层土的极限侧阻力标准值，kPa；桩径为0.8m时的极限端阻力标准值，kPa；、大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，按表1取值；桩底面积，。表1 大直径桩侧阻力尺寸效应系数、端阻力尺寸效应系数土类型粘性土、粉土砂土、碎石类土土类型粘性土、粉土砂土、碎石类土1注 D为桩端直径（3）嵌岩桩随着沿海开发区高层建筑的增多，嵌岩桩被大量应用。过去对这些桩都是按纯端承桩计算承载力的，近十多年的模型与原型试验研究都表明：一般情况下，嵌岩桩只要不是很短，上覆土层的侧阻力能部分发挥作用。另外，嵌岩

42、深度内也有侧阻力作用，因而传递到桩端的阻力随嵌岩深度的增加而递减，当嵌岩深度达到5倍桩径时，传递到桩端的应力已接近与零。这说明，桩端嵌岩深度一般不必过大，超过某一界限并无助于提高竖向承载力。因此嵌岩桩单桩极限承载力标准值由桩周土总侧阻力、嵌岩段总侧阻力和总端阻力三部分组成，并可按下式计算： = + + = = = 式中： 覆盖层第层土的侧阻力发挥系数，当桩的长径比不大（/d30），桩端置于新鲜或微风化硬质岩中，且桩底无沉渣时，对于粘性土、粉土取=0.8，砂类土及碎石类土=0.7，其它情况=1.0； 第层土的极限侧阻力标准值，kPa； 岩石饱和单轴抗压强度，kPa； 桩身嵌岩（中等风化、微风化、

43、新鲜基岩）深度，m；超过5d时，取=5d，当岩层表面倾斜时，以坡下方的嵌岩深度为准； 、嵌岩段侧阻力和端阻力修正系数，与嵌岩深度比/d有关，按表2取值。其余符号意义同前。表2 嵌岩段侧阻和端阻修正系数嵌岩深度比/d00.512345侧阻修正系数00.0250.0550.0700.0650.0620.050端阻修正系数0.500.500.400.300.200.100注 当嵌岩段为中等风化时，表中数值乘以0.9折减。规范经验法计算简便，且花费费用较小，因此应用广泛。但由于施工水平差异、地区环境不同，它的可靠性较低，用作地区性规范较为合宜。一般适用于初步设计阶段和非重要工程，或与其他方法综合使用，

44、比如徐新跃3用贝叶斯方法将试桩法和经验法结合，大大提高了计算精度。徐新跃，陈显新4基于灰色系统理论，提出了一种定量开发经验知识的方法，并将其成功的用于桩基承载力的分析与评价。结果表明，在运用经验知识方面，该法与目前广泛使用的神经网络方法有异曲同工之妙。此外，该方法还具有简单、方便和实用等优点。2.3单桩竖向抗拔承载力的确定 桩基础承受上拔力的结构类型较多，主要有高压输电线路塔架、高耸建筑物、受地下水浮力的地下结构物、水平荷载作用下出现上拔力的结构物以及膨胀土地基上建筑物等。与单桩竖向抗压荷载传递相比，对桩竖向上拔荷载传递机理的认识还很不充分，其设计计算方法也很不成熟，因而需加深对影响单桩抗拔承

45、载力因素的研究。2.3.1 影响单桩抗拔承载力的因素影响单桩抗拔承载力的因素较多，主要包括以下几方面：（1）桩的几何特性，如桩长、桩断面形状及尺寸、桩端扩底情况等；（2）桩的施工方法，不同的施工方法对地基的影响不同，导致桩侧土体性质的改变不同；（3）桩的材料特性，如材料类型、桩身强度等；（4）桩侧土特性，如土的类型、软硬或密实程度以及土层层位关系等；（5）桩上荷载特性，如桩的加载历史以及桩上拔荷载大小及其他荷载组合情况等。2.3.2 确定单桩抗拔承载力的主要方法一般来讲，桩在承受上拔荷载后，其抗力可来自三个方面，桩侧向的摩擦力、桩重以及有扩大端头的桩端阻力。其中对直桩来讲，桩侧摩阻力是最主要的

46、。由于除桩重以外，对其他两部分阻力的发挥机理和估算方法研究得还不够，故以抗拔静载试验确定单桩抗拔承载力是最主要而可靠的方法，因而重要工程均应进行现场抗拔试验。对次要工程或无条件进行抗拔试验时，实用上可按经验格式估算单桩抗拔承载力。（1）单桩抗拔静载试验单桩抗拔静载试验的设备与抗压试验相似，加载分级、读数时间及稳定标准一般可参照抗压试验慢速法进行，但试验应进行到桩的上拔量不小于25mm。单桩抗拔极限承载力取上拔荷载T与上拔量s关系曲线上明显转折点对应的荷载。取安全系数2，可确定出单桩抗拔承载力特征值。（2）经验公式法由于单桩抗拔荷传递机理的研究还不充分，一般经验公式多按承压桩摩阻力值打折扣并适当

47、考虑桩体自重的有利作用来估算单桩抗拔极限承载力值，即： = + 式中：单桩抗拔极限承载力值，kN；单桩桩断面周长，m；单桩穿越第层土内的长度，m；第层土桩侧抗压极限摩阻力，kPa；G桩体自重，水下取有效重力，kN；抗拔系数，可参考表3；抗折系数，一般可取0.81.0。单桩抗拔承载力的特征值可为： = /式中：单桩抗拔承载力特征值，kN；抗拔安全系数，一般可取2.03.0。上式只适用于无扩底的独立单桩，对有扩底的桩，其估算方法较复杂，参见文献5。表3 我国有关行业部门经验值行业、部门抗拔系数铁路、公路0.6港口、电业0.60.8工业与民用建筑0.50.92.4单桩竖向负摩阻力的确定2.4.1 负

48、摩阻力产生的原因在一般情况下，桩受轴向荷载作用后，桩相对于桩侧土体作向下位移，使土对桩产生向上作用的摩阻力，称为正摩阻力。但是，当桩周土体因某种原因发生下沉，其沉降速率大于桩的下沉时，则桩侧土体就相对于桩作向下位移，而使土对桩产生向下作用的摩阻力，即称为负摩阻力。桩的负摩阻力的发生将使桩侧土的部分重力传递给桩，因此，负摩阻力不但不能成为桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外荷载，对入土深度相同的桩来说，若有负摩阻力发生，则桩的外荷载增大，桩的承载力相对降低，桩基沉降加大，这在桩基设计中应予以注意。桩的负摩阻力能否产生，主要看桩与桩周土的相对位移发展情况。桩的负摩阻力产生的原因有：（1）在桩基

49、础地面附近有大面积堆载，引起地面沉降，对桩产生负摩阻力，对于桥台路堤高填土的桥台桩基础、地坪大面积堆放重物的车间、仓库建筑桩基础，均要特别注意负摩阻力问题；（2）土层中抽取地下水或其他原因使地下水位下降，使土层产生自重固结下沉；（3）桩穿过欠固结土层（如填土）进入硬持力层，土层产生自重固结下沉；（4）桩数很多的密集群桩打桩时，使桩周土中产生很大的超空隙水压力，打桩停止后桩周土的再固结作用引起下沉；（5）在黄土、冻土中的桩，因黄土湿陷、冻土融化产生地面沉降。从上述可见，当桩穿过软弱高压缩性土层而支撑在坚硬的持力层上时，最易发生桩的负摩阻力问题。要确定桩身负摩阻力的大小，就要先确定土层产生负摩阻力

50、的范围和负摩阻力强度的大小。2.4.2 中性点及其位置的确定桩身负摩阻力并不一定发生于整个软弱压缩性土层中，产生负摩阻力的范围就是桩侧土层对桩产生相对下沉的范围。它与桩侧土层的压缩、桩身弹性压缩变形和桩底下沉直接有关。桩侧土层的压缩决定于地表作用的荷载（或土的自重）和土的压缩性质，并随深度逐渐减小；而桩在荷载作用下，桩底的下沉在桩身各截面都是定值；桩身压缩变形随深度逐渐减小。因此，桩侧下沉量有可能在某一深度处与桩身的位移量相等。在此深度以上桩侧土下沉大于桩的位移，桩身受到向下作用的负摩阻力；在此深度以下，桩的位移大于桩侧土的下沉，桩身受到向上作用的正摩阻力。正、负摩阻力变换处的位置，即称中性点

51、。中性点的位置取决于桩与桩侧土的相对位移，与作用荷载和桩周土的性质有关。当桩侧土层压缩变形大，桩底下土层坚硬，桩的下沉量小时，中性点位置就会下移。此外，由于桩侧土层及桩底下土层的性质和作用的荷载不同，其变形深度会不一样，中性点位置随着时间也会有变化。要精确地计算出中性点的位置是比较麻烦和困难的，目前可按表4的经验值确定。表4 中性点深度持力层性质粘性土、粉土中密以上砂砾石、卵石基岩中性点深度比/0.50.60.70.80.91.0注：1. 、分别为中性点深度和桩周沉降变形土层下限深度。2. 桩超越自重湿陷性黄土层时，按表列值增大10%（持力层为基岩除外）。2.4.3 负摩阻力的计算一般认为，桩

52、土间的粘着力和桩的负摩阻力强度取决于土的抗剪强度；桩的负摩阻力虽有时效，但从安全考虑，可取用其最大值以土的强度来计算。单桩负摩阻力标准值的计算公式为： = = 式中： 第层桩侧土竖向有效应力（kPa）；土的侧压力系数；计算处桩土界面的内摩擦角；桩周土负摩阻力系数，可按表5取值。求得负摩阻力强度后，将其乘以产生负摩阻力深度范围内桩身表面积，则可得到作用于桩身总的负摩阻力。 表5 负摩阻力系数土类土类饱和软土粘性土、粉土0.150.250.250.40砂土自重湿陷性黄土0.350.500.200.35注：1. 在同一类土中，对于打入桩或沉管灌注桩，取表中较大值，对于灌注桩，取表中较小值。2. 填土

53、按其组成取表中同类土的较大值。3. 当计算值大于正摩阻力时，取正摩阻力值。2.5其他方法简介2.5.1 动力测试法 动力测试法是根据桩体被激振以后的动力响应特征来估计单桩承载力的一种间接方法，包括打桩公式和动测法。打桩公式只能近似地估算单桩承载力。动测法具有快速、直接、简便、价廉等突出优点，故获得广泛应用，方法亦多种多样。赵柏冬6研究了一种新的动测法，即采用炮筒内放入火药为动力，使之作用在桩顶上产生推力，推桩向下测定桩的承载力。它因简便易行、节省工时物料、试验费用低廉等特点而受到基础工程界的重视与欢迎。任齐、薛晶7推导了桩基入射应力波和反射应力的函数关系，并且以此为依据，提出了利用桩尖反射信号

54、判断桩基承载力的方法，实用价值很高。2.5.2 原位测试法原位测试法通过对桩位土的物理力学性能的试验，求得桩位上的阻力，通过公式推算桩的极限承载力。它相对静载荷试验法比较经济，目前在国内外已经获得广泛应用。最常用的有静力触探试验、动力触探试验和旁压试验三种。静力触探试验高效、简便、易行。我国从20世纪70年代正式将其列入建筑桩基技术规范。动力触探主要分为标准贯入与圆锥动力两大类，标准贯入试验在国内外应用均很广泛，圆锥动力触探可以连续贯入，操作简便迅速。徐国希8对标准贯入试验提出了一些改进方法，比如PDllGRI桩基动力公司提出的一种改进的标准贯入试验，与静力触探的方法结合起来，用静力下压和上拔

55、及扭转试验来测量土阻力以改进测量精度，达到一定的改进目的。旁压试验始创于法国，应用广泛。在国内，由于国产旁压仪的工作压力还不太高，测定深部土层的强度和变形参数还有些困难。2.5.3 静力计算法 静力计算法是依据土木参数采用常规的土力学原理以静力分析方法估算单桩的极限承载力的常用方法，计算值比较保守，适用于初步设计和等级较低的建筑物桩基础承载力的估算。2.5.4 有限元法 有限元法是一种具有强大的计算功能的数值分析法，它可以模拟桩土的整个破坏过程，具有精确度高等优点，因而可以相应地减少试桩数量，从而节约资金，但是由于桩土体系的复杂性，其庞大的解题规模是计算机运算能力和软件功能的一种挑战。钱德玲9

56、利用有限元软件GTS，以合肥地区灌注桩的静载荷试验为基础进行了数值模拟，为确定单桩的极限承载力开辟了新的思路，同时对深刻理解桩土作用的机理也有重要意义。2.5.5 神经网络预测法20世纪80年代以来，神经网络在工程实践中的应用得到了长足发展，它的大规模并行处理和分布式的信息存储，良好的适应性和自组织性，强大的学习功能和联想及容错功能，为桩土间作用机理这一复杂问题的解决奠定了良好的研究基础。冯紫良9采用BP前馈建立ANN模型，它可以包含桩的全部信息并形成一个广义函数，从而在给定输入（各影响参数值）的情况下能够得到比较准确的输出（承载力）。2.6 保沧高速公路子牙新河特大桥桩基静载荷试验2.6.1 工程概况保沧高速公路子牙新河特大桥位于保定至沧州公路沧州段5标段，中心桩号K106+172.5，桥梁全长2671.5m，上部结构为73×30m+25m+15×30m预应力混凝土T梁，下部结构为双柱式桥墩，肋板式桥台，钻孔灌