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，2023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》，拟定到2023年，我国铁路营业里程将达成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。列车与线路是互相依存、互相适应的关系，列车是载体，线路是基础。高速运营的列车规定线路具有高平顺性、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规定。与此相应，高速铁路路基除应具有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规定。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，就规定路基的刚度越大，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，也不能做到平稳运营。2、稳固、耐久、少维修规定路基在列车荷载的长期作用下，塑性累积变形小。3、高平顺性不仅规定静态条件下平顺，并且还规定动态条件下平顺。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，重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、施工与普通铁路的重要区别。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(涉及基床与路堤本体)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。通常采用地基解决来提高地基强度、刚度，减少沉降。高速铁路建设中最为常见的特殊土路基涉及湿陷性黄土、软土等。常规地基解决方式有换填法、强夯法、复合地基法、排水固结法等，前三者的解决深度或受限于解决原理，或受限于施工设备，解决深度一般不超过3Om，后者的解决时间较长，不能满足当前建设规定。当碰到深厚软弱地基时，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，桥梁方案并不合用，并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重要因素。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、施工工艺简朴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，它具有地基解决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，并且运用桩一土、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规定。桩板结构路基一般采用钻孔灌注桩，目前最大解决深度可达60m，解决深度大是相比于传统地基解决的最大优势。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，有开展进一步进一步研究的巨大价值。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实验。桩板结构是一种新型路基结构，动力学研究和动态实验较少，实验手段也单一。文献[26]通过遂渝线桩板结构路基大比例动态模型实验，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，通过模型实验，综合研究了桩板结构静动力特性;模型实验受限于模型尺寸和边界条件，得出的结果与工程实际尚有一定差距。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反复荷载作用下路基的疲劳特性，涉及强度疲劳失稳和变形疲劳失稳两方面。土质路基基床在反复荷载作用下会产生累积下沉，桩板结构在反复荷载作用下的研究尚未见报道，需要进行现场激振实验，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规定，在一些地质条件较为恶劣的地段，常规地基解决工艺难以满足规定，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称优越性能，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初期土层组成，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。为了桩板路基尽也许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Rheda2023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实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解决措施。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。桩板结构路基重要合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规定。作者提出一种新型地基解决方式—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0.6~0.8m，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7.0~9.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，涉及设计理论、数值分析、模型实验和现场实验。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[l5][18]提出将承载板当作连续梁解决，按影响线法计算活载作用的内力，最终拟定板的翘曲变形能否满足土质路基上铺设无碴轨道允许挠度及视觉高差的规定。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，对比了允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应，分析结果表白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，涉及轨道、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【24〕[25]针对遂渝线桩板结构路基某工点，进行离心模型实验，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实验，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，通过模型实验，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，并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性:①结构的大部分构件埋入地基或路基;②以钢筋混凝土为材料;③以板一桩为荷载传递体系;④以控制沉降为重要目的;满足以上四个特性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因素;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:解决深度大，强度高，刚度大，工后沉降小，施工便捷快速。缺陷:造价高，不易维修，抗裂性差。合用范围: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，可以分为地基解决式和路基结构式，通常地基解决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解决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，特别对温度变化敏感。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。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，双线式桩板结构中也许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，可分为托梁式和悬臂式，托梁式在构造缝处设立有一桩基支承托梁，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实验，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，当加载达成7t时，承台板跨中下表面开始出现肉眼可辨认的裂缝，实验结束后，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。测试过程表白，托梁钢筋进入屈服阶段。承台板破坏时，桩基未达成破坏状态。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，达成承载力极限状态，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通过简化的模型。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。计算简图一经拟定，就需采用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用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的基础。下面介绍重要构件的受力特点。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。桩板结构事实上是空间刚架结构，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。一方面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。竖向荷载的传递途径从上至下，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，必须通过简化后才干用解析法分析。承台板为对边支承，可以看做连续单向板，重要发生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实验资料，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白，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。桩板结构采用允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路网中客货列车共线运营，旅客列车设计时速等于或小于160km、货品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200~250km和300~350km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重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合用性。其最大缺陷是可修复性差，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、施工机械化限度高、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，假如在路基上使用，需要增强其纵向连续性。1.3桩板结构的技术经济优势、合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，轨道变形小，且变形累积缓慢等优点，有助于高速行车，可大大减少养护维修工作量、减少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，设计施工并不增长多少困难。下部桩基础可以结合本地条件合理布置。第三，施工方便。由于承载板是实心板，外形简朴，并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但是是用板单元下面布设一些固结或简支的支承点来进行数值分析，并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立伸缩缝。第六，与普通路基结构相比，由于板下是桩基础，对路基填料规定不高，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桩板结构路基的合用场合根据目前的实践经验，桩板结构路基重要合用范围为: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，但是投资分析自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一2023实现收支平衡，桩板结构路基便具有良好的经济效益。(2)实测资料的缺少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缺少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，增长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性的影响，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，所以控制噪音是此后的一个研究重点。(4)轨道弹性问题桩板结构路基的弹性重要由扣件及轨下橡胶垫板提供，橡胶垫板可以增长轨道的整体弹性，减少轮轨作用向板下的传递，起到隔振的作用;在扣件结构设计、材料选用和技术标准上严格规定，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，达成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拟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。单桩竖向承载力涉及地基对桩的支撑能力和桩的结构强度所允许的最大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成极限状态，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，前者重要受到桩的设立方法、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，后者重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，通过实验来拟定桩的承载力，涉及静载荷实验法、动力测试法、原位测试法等；另一类是间接法，涉及静力计算法、规范经验参数法、有限元法、神经网络法等。2.1静载实验法拟定单桩竖向受压承载力垂直静载实验法即在桩顶逐级施压轴向荷载，直至桩顶达成破坏为止，并在实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，分析拟定单桩轴向允许承载力。试桩可在已打好的工程桩中选定，也可专门设立与工程桩相同的实验桩。考虑到实验场地的差异及实验的离散性，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实验装置实验装置重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，向水箱中冲水作为荷载。堆载法合用于极限承载力较小的桩。锚桩法是在试桩周边布置4～6根锚桩，常运用工程群桩。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。观测系统重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，加荷系统相对简朴。但锚桩一般须事先拟定，由于锚桩一般需要通长配筋，且配筋总抗拉强度要大于其承担的上拔力的1.4倍。2.1.2实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1/10～1/15；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1/2.5～1/5，终了阶段取1/10～1/15。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，直到桩达成破坏状态，终止实验。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；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小时尚未达成稳定；c．桩顶加载已达成设计规定的最大加载量；d．异常情况经委托方或设计方批准终止实验。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。所有卸载后，隔3～4再测回弹量一次。2.1.3极限荷载和轴向允许承载力的拟定破坏荷载求得以后，可将其前一级荷载作为极限荷载，从而拟定单桩轴向允许承载力：=式中：——单桩轴向受压允许承载力（kN）；——试桩的极限荷载（kN）；——安全系数，一般为2。事实上，在破坏荷载下，处在不同土层中的桩，其沉降量及沉降速率是不同的，人为地统一规定某沉降值或沉降速率作为破坏标准，难以对的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，以综合评估基桩的极限承载力。(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相应的荷载作为极限荷载。由于当荷载超过该荷载后，桩底下土体达成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断滞的沉降，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，则极限荷载难以拟定，需借助其它方法辅助拟定，例如用对数坐标绘制曲线，也许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性来拟定极限荷载，大量试桩资料分析表白，桩在破坏荷载以前的每级下沉量（）与时间（）的对数成线性关系，可用公式表达为：=直线的斜率在某种限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长而增大，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从成桩到开始实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成设计规定，但由于单桩承载力时间效应，试桩时间也应当距沉桩时间有尽也许长的休止期，否则实验得到的单桩承载力明显偏小。一般规定，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小结采用静载实验法拟定单桩允许承载力直观可靠，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实验。配合其它测试设备，也能直接了解桩的荷载传递特性，提供有关资料，因此静载实验法是桩基础研究分析最常用的方法。李建强、张季超[1]对桩基静载实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，它是一种新的静载实验方法，避免了传统静载荷实验的很多缺陷，应用前景广阔，特别适合超长桩体检测。2.2规范法拟定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数年的传统方法，《桩基规范》在《地基规范》的基础上，积累了更为丰富的资料，使这种方法合用于各类型的桩，并用极限设计的形式表达。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，经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，而拟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，、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。侧阻的尺寸效应重要发生在砂、碎石类土中，这是由于大直径桩一般为钻、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，从而导致侧阻力减少。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，这重要是由于大直径桩，特别是扩底桩，其静载实验的—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，事实上由于桩端荷载不是作用于地基表面而是作用于地基内部，因此与并不是简朴的反比关系。《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，近十数年的模型与原型实验研究都表白：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。此外，嵌岩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长而递减，当嵌岩深度达成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，超过某一界线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（/d＜30），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（中档风化、微风化、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/d00.51234≥5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注当嵌岩段为中档风化时，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。一般合用于初步设计阶段和非重要工程，或与其他方法综合使用，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。结果表白，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，该方法还具有简朴、方便和实用等优点。2.3单桩竖向抗拔承载力的拟定桩基础承受上拔力的结构类型较多，重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结识还很不充足，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，重要涉及以下几方面：（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、软硬或密实限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拟定单桩抗拔承载力的重要方法一般来讲，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，桩侧摩阻力是最重要的。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，故以抗拔静载实验拟定单桩抗拔承载力是最重要而可靠的方法，因而重要工程均应进行现场抗拔实验。对次要工程或无条件进行抗拔实验时，实用上可按经验格式估算单桩抗拔承载力。（1）单桩抗拔静载实验单桩抗拔静载实验的设备与抗压实验相似，加载分级、读数时间及稳定标准一般可参照抗压实验慢速法进行，但实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相应的荷载。取安全系数2，可拟定出单桩抗拔承载力特性值。（2）经验公式法由于单桩抗拔荷传递机理的研究还不充足，一般经验公式多按承压桩摩阻力值打折扣并适当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0.8～1.0。单桩抗拔承载力的特性值可为：=/式中：——单桩抗拔承载力特性值，kN；——抗拔安全系数，一般可取2.0～3.0。上式只合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0.6～0.8工业与民用建筑0.5～0.92.4单桩竖向负摩阻力的拟定2.4.1负摩阻力产生的因素在一般情况下，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，当桩周土体因某种因素发生下沉，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，负摩阻力不仅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，桩的承载力相对减少，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，重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因素有：（1）在桩基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因素使地下水位下降，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。要拟定桩身负摩阻力的大小，就要先拟定土层产生负摩阻力的范围和负摩阻力强度的大小。2.4.2中性点及其位置的拟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，桩侧下沉量有也许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。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，其变形深度会不同样，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的经验值拟定。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/0.5～0.60.7～0.80.91.0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0.15～0.250.25～0.40砂土自重湿陷性黄土0.35～0.500.20～0.35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性来估计单桩承载力的一种间接方法，涉及打桩公式和动测法。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、实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，提出了运用桩尖反射信号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实验，求得桩位上的阻力，通过公式推算桩的极限承载力。它相对静载荷实验法比较经济，目前在国内外已经获得广泛应用。最常用的有静力触探实验、动力触探实验和旁压实验三种。静力触探实验高效、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》。动力触探重要分为标准贯入与圆锥动力两大类，标准贯入实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]对标准贯入实验提出了一些改善方法，比如PDllGRI桩基动力公司提出的一种改善的标准贯入实验，与静力触探的方法结合起来，用静力下压和上拔及扭转实验来测量土阻力以改善测量精度，达成一定的改善目的。旁压实验始创于法国，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尚有些困难。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，合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]运用有限元软件GTS，以合肥地区灌注桩的静载荷实验为基础进行了数值模拟，为拟定单桩的极限承载力开辟了新的思绪，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，它的大规模并行解决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，它可以包含桩的所有信息并形成一个广义函数，从而在给定输入（各影响参数值）的情况下可以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实验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，钻孔灌注桩基。共设计钻孔灌注桩368根，桩长40m（桥台桩）、60m（桥墩桩），桩径1.5m，桩身混凝土强度C25。根据技术规定按桥台类型做一根单桩竖向抗压静载实验，验证单桩竖向抗压承载力是否满足设计规定。本次实验试桩桩长40m、桩径1.5m，桩身混凝土强度C25，设计承载力特性值为3900KN，试桩位置位于0#桥台。0#桥台工程桩做锚桩，锚桩桩长55m，桩径1.5m，桩身混凝土强度C25。地貌单元为冲积平原，地形基本平坦，地下水位埋藏深度在5.0～5.6m。地层重要为Q4冲积形成的粉砂、亚粘土、粘土、亚砂土等。该场区分布有软弱土，为不良地质体，设计施工时需对该层土进行地基解决，无其它不良现象。2.6.2实验设备实验设备重要涉及：1、反力装置JZ1500型锚桩钢梁反力架装置1套（主梁9米、副梁8米）。2、加荷及观测系统加荷装置：液压油缸（QW320）四台，并联使用；超高压油泵1套。荷载及沉降观测系统：RS—JYB全自动静力载荷实验仪1套。2.6.3实验方法采用慢速维持荷载法，逐级施加荷载，每级荷载达成相对稳定后加下一级荷载，最大加载至设计单桩承载力特性值的2倍（即7800KN），然后分级卸载到零。具体作法参照《建筑基桩检测技术规范JGJ106—2023》及《建筑桩基技术规范JGJ94—94》有关规定制定。1、加载与沉降观测①、加荷分级：按最终加载量的1／10分级加荷载，第一级按2倍分级荷载加荷，加荷采用超高压油泵驱动油压千斤顶，压力值由RS—JYB测试仪自动测试。②、沉降观测：每级加荷后间隔5、10、15分钟各测读一次，以后每隔15分钟测读一次，累计一小时后，每隔30分钟观测一次，沉降量观测采用对称安装在实验桩周边的四块50mm行程电子位移计测定，每次观测值由RS—JYB测试仪自动存入计算机。③、沉降相对稳定标准：每小时的沉降量不超过0.1mm且连续出现两次（由1.5小时内连续三次观测值计算），则认为已经达成相对稳定，此时可对试桩桩身应力进行观测记录，完毕后可以施加下一级荷载。④、终止加载条件当出现下列情况之一时，即可终止加载：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；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小时尚未达成稳定；c．最大载荷已达成最大加载量，对该工程为设计荷载值的2倍（7800KN）；d．异常情况经委托方或设计方批准终止实验。2、卸载与观测卸载的每级荷载为加载分级的2倍，每级卸载后隔15分钟观测一次残余沉降，读两次后，隔半小时再读一次，即可卸下一级荷载，所有卸载后隔3—4小时再测读一次。2.6.4实验资料整理与分析1、实验资料整理通过对实验桩的测试数据进行整理、计算，绘制成单桩竖向静载荷实验汇总表（表6）和单桩竖向静载荷实验测试曲线（图1、图2、图3）。2、实验数据分析本次加载终止条件满足上述c款，加载至最大加载量7800kN（设计承载力特性值的2倍）时，相应的最终沉降量为33.14mm（小于规范限定的40mm），未出现极限状态。因此，可取最大加载量7800kN作为该桩的极限承载力，该实验桩单桩竖向抗压承载力特性值Ra可取极限承载力的一半，为3900kN，且从曲线形态分析，Q—S曲线出现第一拐点相应的加载量为3900kN，综合以上分析，该实验桩单桩竖向抗压承载力特性值Ra可取3900kN。2.6.5小结经实验验证，该桩的单桩竖向抗压承载力特性值满足3900kN的规定。实验检测时间为3天（2023.12.13—2023.12.15），费用为八万余元，抽检数量为1根，抽检率为0.27%，很明显，静载荷实验法具有检测费用大、时间长、抽检数量有限、缺少代表性等缺陷。2.7结论本文重点介绍了拟定灌注桩单桩受压承载力、抗拔承载力、负摩阻力的静载实验法和规范经验法，并以保沧高速公路子牙新河特大桥桩基静载荷实验为例进行了说明，还简要介绍了其它几种常用方法。每一种方法都存在这样或那样的局限性，都有一定的合用范围和注意事项，假如忽略计算的局限性，势必导致安全隐患或经济损失。在进行实际设计和施工时，应根据建筑物的类型、级别、场地环境选择合适的一种或几种方法来使用，并不断的积累、摸索，不断的改善创新，如王华等[11]结合天津的实际状况，通过经验参数法估算钻孔灌注桩单桩竖向承载力与静载荷试桩结果对比分析，提出了对特殊土层及按深度对桩基参数修正的方法，只有这样才干促进桩基理论的长远发展。通过本文，希望为相关设计人员提供一些故意的建议。表6单桩竖向静载实验汇总表工程名称：保沧高速公路子牙新河特大桥试桩试桩桩号：1测试日期：2023—12—13桩长：40m桩径：1.5m序号荷载（kN）历时（min）沉降（min）本级累计本级累计00000.000.00115601201200.050.05223401202400.190.24331201203600.260.50439001204800.470.97546802106903.704.67654602109005.7610.437624021011106.9217.358702021013206.9924.349780024015608.8033.14106240601620-0.4832.66114680601680-0.7131.95123120601740-1.5330.42131560601800-1.9828.441402402040-3.3925.05最大沉降量：33.14mm最大回弹量：8.09mm回弹率：24.41%图1单桩竖向静载荷-曲线图2单桩竖向静载荷s-曲线图3单桩竖向静载荷s-曲线3桩板结构的设计3.1设计内容设计内容重要涉及结构尺寸设计、结构计算、配筋设计以及施工图设计四部分。具体设计内容如下:3.2设计原则郑西客运专线桩板结构为桩、托梁、承台板组合钢筋混凝土结构，结构设计时需要依据使用规定并结合现有的施工条件以及经济因素合理的选择设计参数。本文进行桩板结构设计时遵循了下述几方面的原则:a.安全，设计的桩板结构在强度、稳定、耐久性方面应有足够的安全储备;b.合用，桩板结构在通过设计荷载时不能出现大的变形和过宽的裂缝宽度;c.经济，遵循方便施工的原则，设计中考虑耗材少、维修的方便和维修费用少，维修时尽也许不中断交通，或中断交通时间最短。3.3设计荷载桩板结构计算工作中重要涉及三个部分:拟定结构计算模型、选定荷载和结构分析计算。其中荷载的种类、形式和大小选择是否恰当，关系到桩板结构的安全使用。桩板结构的设计荷载在时间上可分为永久荷载(恒载)和可变荷载(列车活载、温度荷载等)，在空间上可分为竖向荷载(结构自重、列车活载)和水平荷载(离心力、摇摆力，扣件阻力等)。3.3.1竖向荷载竖向荷载重要涉及恒载与可变荷载。恒载是指作用位置和大小、方向不变的荷载。作用在承台板上的恒载重要是承台板自身的重力及附属轨道结构外加重力;作用在托梁上的荷载重要是托梁自重以及承台板上乘结构传递下来的静载;作用在桩上的荷载重要上部托梁结构的恒载作用力、桩自身自重、土压力以及正负摩阻力。可变荷载重要是列车活载，郑西客运专线设计活载采用ZK一活载，活载形式见下图。考虑列车活载作用进行计算时需乘以动力系数，动力系数仁9]按下式计算：动力系数:计算剪力时:计算弯矩时:3.3.2水平荷载水平荷载可按横向、纵向分开考虑。横向重要涉及列车摇摆力、离心力、混凝土收缩徐变影响;纵向重要涉及长钢轨纵向水平挠曲力、牵引力或制动力以及收缩徐变影响力等温度荷载也是水平荷载。3.3.2.1横向1)离心力桩板结构在曲线上时，应考虑列车竖向静活载产生的离心力。离心力按下列公式计算:f为离心力折减系数，按下式计算:L—承台板跨度/m;V—设计列车车速/m/h;R—曲线半径/m。设计路段桩板结构位于直线上，不考虑该项荷载。2)横向摇摆力横向摇摆力取100KN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面。多线承台板只计算任一线上的横向摇摆力。计算最不利摆放位置见图。此时4#桩有最大横向水平力为:(100*1/2)/2=25KN3)收缩徐变的影响混凝土收缩的影响，可按减少温度的方法来计算。对于整体灌注的混凝土结构，相称于减少温度15℃，所以考虑收缩徐变的影响时，只需在计算温度荷载时，对结构施加一15℃的温度荷载。3.3.2.2纵向纵向力(F)涉及长钢轨纵向水平挠曲力、牵引力或制动力以及收缩徐变影响等，所有传递至轨道结构的纵向力均靠扣件纵向阻力来提供平衡，为方便计，纵向受力进行如下简化计算，每组扣件设计阻力为6.5KN，则:3.3.3温度荷载温度应力重要来自于承台板顶面与底面的温差。在桩板结构中，由于混凝土承台板结构底面与地基接触，而地基的温度又相称稳定，受外界环境温度变化的影响很小，因此，相对于承台板顶面的温度变化来说，底面的温度变化比较缓促。而承台板顶面(轨道板两侧)受日辐射和气温变化等因素影响下温度变化较为迅速，内部温度随之也发生变化。由于混凝土材料的导热性能较差，因此形成外表面温度高、内部温度低的温度分布状态。在最不利气象条件下;即无云天，有年最大的日辐射强度，风速接近于零，而前一天又处在较低气温的阴天等情况下，这将在承台板中产生最不利的温差分布状态，也就是在结构中发生最大温差荷载。最大温差约在地方时间14时左右出现。大约在上午7时左右旧出前)混凝土板中温差几乎接近零，整个承台板中的温度分布基本一致，此时可作为温差压力分析计算中的基准零点。约在地方时间21时左右混凝土承台板中的温度分布又会达成基本一致状态。在这三个时刻之间，板中的温度分布将出现各种不同状态，但从设计控制温差荷载考虑，只需要取两种最不利状态，即下午14时左右出现的顶面与底面之间的正温差荷载;零点左右的顶面与底面之间的负温差荷载，两种温差荷载的分布见下图：因缺少合适的工点实测资料，参照混凝土桥[’3j顶板温差荷载的分布情况，拟定承台板的温差荷载为如下形式：Ty一距顶面为y处的温差;T0—板顶面与底面之间的温度差;a指数值;y—以板顶面为原点，向下为正，单位m。3.3.3.1伸缩温度应力混凝土结构中，由于均匀升温或降温产生的伸缩应力，事实上亦是一种温差应力。伸缩应力计算公式如下:式中:—混凝土伸缩应力a—膨胀系数，取为0.00001—板顶面与底面温差E—混凝土变形模量3.3.3.2梯度温度应力温差应力是由于混凝土板顶面与底面间温差荷载而产生的，不管结构的顶面、底面间温差如何分布，都存在这种温差应力。温差应力按下式计算:其中:—混凝土伸缩应力a—膨胀系数，取为0.00001E—混凝土变形模量—板厚，单位my一计算点距板顶面的距离，单位ma一指数值，14时取为10，负温差时取为14—板顶面与底面温差，14时取为20，负温差时取为一10、—系数3.3.4荷载组合效应上面几节分析的各种荷载及外力，并非同时作用于桩板结构上，它们发生的概率也各不相同，因此，桩板结构设计时，应根据结构的特性，考虑它们同时作用的多种也许性进行适当的组合。在桩板结构设计中，当采用极限状态法设计时，应根据不同的极限状态和荷载组合，给出不同的荷载安全系数;当用允许应力法时，则应按不同的荷载组合给出不同的材料的允许应力值。3.4设计内力3.4.1计算模型郑西客运专线桩板结构(见图2.1一1)为超静定结构，结构形式比较复杂，对其进行受力分析时，不仅要考虑桩土之间的互相作用[l5]，并且要考虑温度应力以及桩基不均匀沉降[l6l等的影响，分析过程较为复杂，且存在诸多难点，桩板完全按照结构的实际情况进行力学分析是不也许的，也是不必要的。因此，对桩板结构进行力学计算以前，可以加以简化，赂去不重要的细节，显示其基本特点，用一个简化的图形来代替实构，这种通过了简化的图形称为结构的计算模型。本文按等刚度的原则，把空间的桩板结构分别按纵向、横向转化为平面结构进行分析，同时结构自重恒载与列车活载简化为均布荷载作用在平面杆件上:1)纵向，对承台板受力、变形以及桩的纵向受力、变形进行分析;2)横向，对托梁受力、变形以及桩横向受力变形进行分析。按上述转化进行分析重要基于以下几点:1)承台板为多跨连续单向板，只在纵向承受弯矩，无须进行横向受力计算分析;2)托梁纵向刚度大，重要起传递力的作用，无须进行纵向受力计算分析;3)计算时，取荷载最大位置断面进行分析，计算结果偏于安全;4)有助于减少不均匀沉降、温度应力的分析难度。纵断面计算模型图式及荷载分布简见图2.5一1，图中:x为列车驶入距离，和为列车活载，为作用在承台板上的恒载;横断面计算模型图式及荷载分布简见图2.5一2，q为作用在托梁上的均布荷载(涉及恒载、列车活载)。水平荷载对承台板托梁受力影响较小，故只在计算桩的内力和变形中考虑。此外考虑到桩板结构在使用阶段，随着地基土由于湿陷而产生沉降，以及桩板结构在列车活载作用下而产生的振动作用，承台板底部土体将与承台板体脱离，所以计算种不考虑土对托梁以及承台板的支撑作用。拟定了理论计算模型后，可用力矩分派法、力法〔‘7]求解承台板、托梁的内力及变形，用M法求解桩的内力及变形，用分层总和法分析桩的工后沉降。力矩分派法、力法、M法以及分层总和法的基本原理及推导很多文献都有论述，在此不再赘述。下面只针对计算中的难点与重点进行讨论。这重要涉及:桩土互相作用、温度荷载效应以及桩基的不均匀沉降三部分内容。3.4.2桩土互相作用计算力矩分派法对桩板结构进行受力分析时，力矩分派系数的计算是至关重要的一步。力矩分派是按刚结点各杆的转动刚度比进行分派的，某刚结点A的某一杆端的分派系数就等于该杆的转动刚度除以汇交于刚结点A的各杆转动刚度之和。在图2.5一1和图2.5一2中的AB、BC、CD杆的转动刚度可直接按结构力学刚度计算公式求得;假如不考虑土对桩的作用，BE、CF杆的转动刚度可按亦可按结构力学的转动刚度计算公式求得。但事实上，由于桩插入土中，土对桩的作用〔闭是不能忽略的，其转动刚度应为桩与土共同作用的结果，应由土的性质、桩长、桩的截面形状和尺寸、桩的材料等来决定。这里称这个刚度为“桩土综合转动刚度”，其物理意义为:桩土互相作用下，桩顶抵抗转动变形的能力。对桩土的综合刚度的分析，国内已有研究。桩土综合转动刚度对桩板结构的计算非常故意义，它解决了计算时不能很好的考虑桩土互相作用的难题，使得计算模型更为合理，并且易于理解与推广。目前我国较常用的分析桩土互相作用的方法重要有两种:地基系数法和有限元法。各种方法均要进行某些简化。目前规范中多采用地基系数法对桩进行分析与设计。地基系数法分析桩是将地基土当作弹性介质，重要是以捷克学者温克尔的“弹性地基”假说为计算理论的基础。本文选择采用“地基系数法”来推导桩板结构桩土的综合转动刚度计算公式。分析过程如下:郑西客运专线桩板结构桩均为摩擦桩，设地基系数k=cy，桩的挠曲微分方程如下:—桩截面的惯性矩(m4)，—抗弯截面系数，运用材料力学中有关梁的挠度，与转角，弯矩，剪力之间的关系，即：用幂级数展开的方法可求解出桩的挠曲微分方程的解，然后根据桩底的边界条件(郑西线地基为深厚湿陷性黄土，桩底按自由端考虑)，可得到桩顶的水平位移与转角计算公式目前常见的弹性桩的例题的解法多采用幂级数求解。对于弹性桩的计算也可以采用三角级数〔29]进行求解，限于篇幅，在此不再赘述。为了便于计算，可采用换算桩长对桩板结构进行计算。换算桩长是将与土互相作用的实际桩长换算为与土无互相作用的桩底铰接或固结的假想桩长。换算桩长可按实际桩土综合转动刚度与换算桩转动刚度等刚度的原则求得。如换算桩底视为铰接，则按桩土综合转动刚度换算桩长h的计算公式如下:需要注意得是，按平动刚度、转动刚度换算得桩长并不相等，计算时应根据需要进行选择。3.4.3温度荷载效应计算桩板结构为超静定结构，需考虑温度应力的影响。在图2.5一1中，结点B、C为刚结点，对BC杆需进行温度荷载效应计算。计算原理、过程及相关计算公式推导综述如下:1)伸缩温度分析假设BC跨度为L，按计算公式，假如两端约束变形，则伸缩应力为:;假如杆两端不约束变形，则要释放大小的温度应力，承台板伸缩量为:而实际温度应力不会所有释放，根据变形协调条件当桩顶不发生转动时:其中:—释放变形;—未释放变形;根据力的平衡条件有以下公式:根据公式(2.20)到(2.24)可求得BE、CF的杆端弯矩，两杆端弯矩大小相等，正负相反。求得杆端弯矩后，运用力矩分派法、力法即可求得在拉伸温度应力作用下结构的内力和变形。2)梯度温度分析分析原理同拉伸温度分析，假如杆两端不约束变形，则完全释放温度应力产生的转角为而实际温度应力不会所有释放，根据变形协调条件求得各杆端弯矩如下：求得杆端弯矩后，运用力矩分派法、力法即可求得在梯度温度应力作用下结构的内力和变形。3.4.4桩基不均匀沉降计算在桥梁基础设计时需考虑5mm的不均匀沉降，郑西客运专线桩板结构用于解决湿陷性黄土，由于湿陷土层并非均匀，并且桩板结构受力情况复杂，桩基发生不均匀沉降的也许性较大，不均匀沉降是桩板结构设计中不可忽视的一个问题，因此参考桥梁设计规范在桩板结构设计中亦考虑桩基5mm不均匀沉降。这规定我们对桩基所产生的5mm的不均匀沉降对桩板结构上部结构导致的影响进行计算。对于不均匀沉降分析可按支座位移考虑，具体环节操作如下:l)约束桩顶转动，分别计算单桩沉降5~时(即支座A、B、C或D竖向位移5mm)各杆端弯矩;2)释放桩顶约束，用力矩分派法求得各杆端最终弯矩。约束桩顶变形，纵断面各杆端弯矩计算公式可参见表2.5一1选取，横断面计算较为简朴，从略。对于不均匀沉降分析也可以用力法进行计算，但分析过程较为复杂，不如力矩分派法省时省力。3.5配筋设计3.5.1承台板结构配筋设计本文桩板结构配筋设计采用允许应力法，参照结构设计原理以及相关结构设计规范，认为桩板结构配筋设计时需遵循以下规定:1)截面最小配筋率:受弯及偏心受压构件的截面最小配筋百分率(仅计受拉区钢筋)取为0.15%。2)混凝土的保护层厚度:钢筋混凝土结构最外层钢筋的净保护层厚度不得小于35mm，并不得大于50mm，对于顶板有防水层及保护层的最外层钢筋净保护层不得小于30mm。3)受拉区域的钢筋可以单根或两至三根成束布置，钢筋的净距不得小于钢筋的直径(对带肋钢筋为计算直径)，并不得小于3Omm。当钢筋(涉及成束钢筋)层数等于或多于三层时，其净距横向不得小于1.5倍的钢筋并不得小于45mm，竖向仍不得小于钢筋直径并不得小于30mm。4)当计算板内不需要斜筋时，也应采用弯起钢筋并采用适当的架立钢筋(人行道板除外)。5)梁内应设立直径不小于Slnln的箍筋，其间距当支撑受拉钢筋时不应大于梁高的3/4及300mm;当支撑受压钢筋时不应大于受力钢筋直径的15倍及300mm。支座中心两侧各相称梁高1/2的长度范围内，钢筋间距不应大于100mm。每一箍筋一行上所箍的受拉钢筋不应多于5根，受压钢筋不应多于3根。承受扭矩作用的梁，箍筋应制成封闭式。6)结构最大裂缝宽度不应大于0.2mm，最大挠度不应大于承台板跨度的1/1800。桩板结构承台板与托梁均为矩形截面结构，对其进行设计时重要涉及两个环节:正截面受弯承载力计算、斜截面剪应力计算。3.5.1.1正截面受弯承载力计算对于单筋矩形截面结构，采用允许应力法计算时，其受弯承载力计算分为以下两步:1、配筋设计式中Z一内力偶臂(mm);一截面有效高度(mm);一受拉区纵向普通钢筋的截面面积M一计算弯矩(KN·m);一钢筋的允许应力(MPa)。根据上述计算，进行配筋。2、核算应力3.5.1.2斜截面剪应力计算中性轴处的剪应力:式中:—中性轴处的剪应力(Mpa);V—计算剪力(MN);B—构件中性轴处的腹板厚度(m);z—内力偶的力臂(m)。当不满足上式规定期，应修改截面尺寸或提高混凝土强度等级。当梁中各截面剪应力均小于或等于时，可不进行抗剪强度检算，而按构造规定配置箍筋。否则，对于剪应力大于的区段，应力应按所有钢筋(箍筋或斜筋)承担式中一箍筋所能承受的主拉应力或剪应力值(Mpa);nk一一箍筋的肢数;ak—每肢的截面积();—箍筋间距(mm)3.5.1.3结构裂缝与挠度计算设计桩板结构时，一方面应满足承载力的规定，另一方面是符合裂缝宽度及挠度的规定，亦即满足使用阶段的规定。由于混凝土抗拉强度很低，构件通常是带裂缝工作的，但从耐久性及对建筑观瞻的规定出发，应对裂缝宽度加以限制并进行验算。对于采用某些较高材料强度等级且跨径较大的某些构件，往往需控制构件的挠度，即对挠度进行验算。1)裂缝宽度验算矩形受弯构件的计算裂缝宽度可按下列公式计算:2)挠度验算根据力法推导(推导过程略)，承台板挠度计算公式如下:3.5.2桩的配筋设计桩采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，采用灌注桩时，符合下列条件，其桩身可按构造规定配筋。1)桩顶的轴向压应力符合下式规定式中:—建筑桩基重要系数，相应一、二、三级分别取1.1、1.0、0.9;N—桩顶轴向压力设计值;—混凝土轴心抗压强度设计值，此处需乘以折减系数0.8A—桩身截面面积。2)桩顶水平力符合下列公式规定:式中:—桩顶水平力设计值;—综合系数，软土取62，湿陷性黄土取52;—按基本组合设计算的桩顶永久荷载产生的轴向力设计值;—混凝土轴心抗拉设计强度;—桩身截面模量的塑性系数，圆截面取为2;A—桩身截面面积。当不满足条件2)的规定期，则应按以下规定配筋:当桩身直径为300一2023mm时，截面配筋率可取0.65一0.20%(小桩径取高值，大桩径取小值);对水平荷载特别大的桩根据计算拟定配筋率。3.5.3托梁的配筋设计托梁配筋正截面抗弯与斜截面抗剪以及裂缝宽度验算按照2.6.1节中执行。挠度验算按以下执行:对托梁而言，跨中的挠度小于悬臂端的挠度，故只需验算悬臂端的挠度。悬臂端挠度计算公式如下:式中：f—悬臂端挠度;—不计冲击力的活载;—同上式;—同上式;x—计算截面受压区高度。3.6单桩竖向承载力验算3.6.1负摩阻力郑西客专DK301+472.73一301+982.73区段的地基为深厚湿陷性黄土，在计算桩基承载力时，需考虑桩侧摩阻力。正常情况下，在桩顶竖向荷载的作用下，桩相对于土将产生向下的位移或者有位移的趋势，因而桩侧土对桩体产生向上的摩擦力，这种摩擦力构成了桩基承载力的一部分，称之为正摩擦力。但有时会发生相反的情况，即桩周边的土体由于某些因素发生下沉，且变形量大于相应深度处桩的下沉量，即桩侧土相对于桩产生向下的位移，土体对桩产生向下的摩擦力。这种摩擦力就称之为负摩擦力。在湿陷性黄土地区，当大量的水(雨水或施工用水)浸泡地基时会使黄土产生湿陷，从而导致负摩擦力的发生。负摩擦力对桩是一种不利因素，它相称于在桩上施加了附加的下拉荷载，其存在加大了桩所承受的外荷载或减少了桩的承载力，并可导致桩发生过量的沉降。所以，在也许发生负摩擦力的情况下，设计时应考虑其对桩基承载力和沉降的影响。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