淺談樁板結構樁基計算

【摘要】樁板結構路基的樁基屬于直徑較大的挖孔灌注嵌巖樁，其荷載傳遞具有摩擦樁的特性；與土體相比，樁承擔了絕大部分的動力荷載，且加載頻率和激振位置對動應力有明顯影響。正是由于樁基加深了這種影響，使得路基中土體的受力情況得到顯著改善，從而使沉降量在工后可以滿足鋪設無碴軌道的要求。本文主要針對樁板結構中樁基的計算進行探討。

【關鍵詞】無砟軌道；樁板結構；樁基設計；負摩阻力；承載力檢算；沉降計算

【Summary】The pile foundation of pile-plank embankment is a kind of bored piles with large diameter， and its loading transfer has a feature of friction piles. Comparing to soil，the pile has shared most of the dynamic loading. And the loading frequency and the position of tremor have effects on dynamic stress. Pile foundation expands of the dynamic impact range of the sub-base and improves the loading carrying status of the soil of the sub-base. The settlement meets the requirements of the settlement in terms of construction of ballasted track. This paper discusses the calculation of pile foundation in pile-plank embankment.

【Key words】ballastless track； pile-plank embankment； pile foundation； bearing capacity checking； negative friction Settlement calculation.

樁板結構路基（pile-plank embankment）作為近年來一種新興的高速鐵路無碴軌道的路基結構形式。它的上部結構主要是由鋼筋混凝土承載板構成，下部結構則包括路基和鋼筋混凝土樁基兩部分；且板與軌道結構直接相連，由此，可將樁、板、土路基三者組成一個完整的承載結構體系。此體系充分結合了無碴軌道結構與樁基礎兩者各自的優點，使二者能共同作用，以滿足無碴軌道所要求的強度與沉降變形。本文主要以鄭西線臨潼車站為例，考慮負摩阻力對樁的影響，對樁板結構樁基計算進行研究，以期達到能夠初步確定負摩阻力深度、得到計算樁基負摩擦的方法和樁基承載力檢算方法等目的。

1、結構形式

樁板結構（piled slab structure）是隨著鐵路的建設而出現的一種新型軌下基礎結構形式，最顯著的特征是該結構擁有與路基土體相互作用的鋼筋混凝土板，并且該板受其下路基土體的支承作用，同時樁在全長范圍內受路基土體的側向約束作用[1]。如圖1所示：其中，板是設計中最關鍵的構件。

根據目前國內外工程的實踐應用情況，樁板結構主要有如下2種形式： （1）結構由樁、鋼筋混凝土板、路基土體三部分組成，板位于路基表面，并與樁固結，軌道結構直接作用在板上，如圖1所示；（2）結構由樁、托梁、鋼筋混凝土板、路基土體四部分組成，具體為：先通過托梁橫向連接樁基，其上再與板相連，軌道結構直接作用在板上；在板中位置處，樁板為固結；在板端位置處，樁板為搭接；如圖2所示[3]；

2、國內工程實例

我國第一次采用樁板結構是在遂渝線無砟軌道綜合試驗段上。遂渝線采用的樁板結構樁與板完全固結，板有單線跨度6×5m、5×5m、（5+10+5）m3種規格。其中，（5+10+ 5）m用在跨涵洞地段，其他兩種用于一般地段。同時板厚分情況設計：一般地段為0.6m，跨涵地段為0.8m。由于遂渝線是我國首次在土質路基上鋪設無砟軌道結構，為了施工的成功，還特意在板下澆筑了厚約0.1m的混凝土層。

對于新建的鄭州至西安客運鐵路段（350km/h），為典型的雙線無碴軌道。由于其位于深度濕陷性黃土地段，深度超過20m，故普通復合地基的措施難以滿足設計要求，所以最終采用了帶托梁的樁板結構。其中托梁采用現澆混凝土梁；板采用厚為0.6～0.8m、寬為10.5m的鋼筋混凝土板；樁采用鉆孔灌注樁；需要注意的是：在板的中間位置，樁與板是固結的；而在板端位置，樁與板是搭接的。京津城際鐵路是我國第一條時速300km以上的高速鐵路，最高運營時速達到350km。

京津城際鐵路有三段路段因路基工后沉降或地基強度不能滿足鐵路建設技術要求，而采用了樁板結構。其中DK81+906～DK84+000段的樁板結構，樁采用的是CFG樁，樁頂設0.15m厚碎石墊層，碎石墊層上設0.5m厚的鋼筋混凝土板；DK105+337.2～DK108+723.91段的樁板結構，樁采用了預制管樁及CFG樁，樁頂設0.15m或0.5m厚碎石墊層，碎石墊層上面設0.5m厚的鋼筋混凝土板；DK108+365～DK108 + 449段樁板結構，樁采用鉆孔灌注樁，樁頂設0.5m厚碎石墊層，碎石墊層上設0.5m厚的鋼筋混凝土板。這三段樁板結構，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型板式無砟軌道結構。

3、樁板結構樁基計算

本文主要以鄭西線臨潼車站為例，闡述以上述結構類型2為模型的樁基設計。就高壓縮性土層而言，我們考慮負摩阻力對樁的影響，具體為阻力計算深度增大導致樁長度太大，從而使施工難度系數增加[3-4]。

下述內容將對鉆孔灌注樁考慮負摩阻力情況下樁基的計算方式、承載力檢算方式、沉降檢算方式進行簡單的闡述。

3.1負摩阻力深度確定

樁負摩阻力，即樁在穿越軟弱土層的過程中，由于某種原因的發生，軟土層可能出現地面沉降、或黃土因濕陷而下沉等現象。此時，樁周圍的土體相對于樁身產生向下的位移，使樁身承受向下作用的摩擦力，這部分摩擦力即為負摩阻力[5]。

中性點，在地面發生沉降的地基中，長樁的上部為負摩擦力而下部往往仍為正摩擦力.正負摩擦力分界的地方稱為中性點.。

為確定樁基的負摩擦計算深度，根據附加應力小于0.2倍自重應力的條件，荷載影響的附加應力等于土體自重的附加應力的0.2倍時，即為本工程的計算深度。路基填土容重為19KN/m3，地基地層的容重為17KN/m3，僅考慮樁板結構寬度范圍板下部填土影響時，我們分別對填土高度為3m～8m的各種情況進行了計算。具體情況如下：

據《建筑樁基技術規范》規范相關規定，中性點深度ln，在黏性土層中折減系數一般取為0.5～0.6倍，當樁周土層計算沉降量小于20mm時，可以進一步折減0.4～0.8倍。

根據以往的施工經驗，同時結合臨潼車站已

樁板結構施工前已經采用復合地基加固，從而已經進一步縮小了沉降的實際情況。在施工工序上樁板結構的施工在路基填土完成后1個月以上的時間才開始施工下部樁基，使得樁板結構下部地基的剩余沉降較小，負摩擦深度可以進行折減。我們最終確定此工程折減系數為0.5倍，并按照5～10m的深度考慮負摩擦力的影響。

3.2計算樁基負摩擦的方法

3.3樁基承載力檢算

在此計算實例中，由于臨潼東站地基下部均為厚層黏性土，可按摩擦樁進行承載力檢算[7]。

3.4樁基沉降計算

沉降檢算分別按照單樁基礎進行分析。

對于樁底壓縮層沉降計算深度按照附加應力小于0.2倍的地層的自重應力進行控制，根據檢算結果樁端土層的平均附加應力均小于0.2倍的土層的自重應力，樁端沉降可以忽略，樁基沉降僅需考慮樁本身的壓縮變形部分。

對樁基深度范圍單樁壓縮變形按照以下公式計算：

結語：

目前樁板結構廣泛應用與高速鐵路地基處理中，特別是在時速300km/h在無砟軌道鐵路路基地基處理中。對于解決軟土地基，巖堆及橋隧間短路基有顯著效果。能有效改善傳統土工建筑與結構建筑之間的過渡條件。

鄭西客專經過7年的運行，證明樁板結構效果良好，安全可行。

在設計過程中，負摩擦阻力跟土體的壓縮性，濕陷性密切相關，目前埋入式樁板結構地基處理時，負摩擦阻力影響范圍內，樁側提供正摩擦力在設計中不予以考慮。在樁板結構施工前會采取以消除從而進一步減小負磨擦阻力折減系數，提高樁的有效長度，可以提高樁板結構在將來的應用中的經濟效應。

但樁板結構的設計中仍然存在以下問題：

1.樁板結構的設計目前尚沒有具體的規范，高壓縮土層負摩擦阻力折減系數只能靠經驗來確定，相對保守。

2.對于板的支承能力，目前沒有考慮土體對板的支承和約束。僅僅考慮了樁的作用，計算中明顯偏于保守，加強對土-樁-板之間的作用關系的研究能大大提高樁板結構在應用中的經濟效應。

3.對于樁與板連接處、連續板的兩端、板上下產生的溫差所帶來的溫度應力勢必會造成結構中部分地方的應力集中，對于樁板結構的安全影響也不可低估。所以對溫度應力對樁板結構的影響的研究，對樁板結構有著重要的指導意義。

參考文獻：

[1]肖宏，郭麗娜.樁板結構技術應用研究[J].鐵道標準設計，2010（2）：47-51.

[2]詹永祥，蔣關魯，魏永幸，等.無碴軌道樁板結構路基的設計與計算[C].中國交通土建工程學術論文集.2006.P.723-P.725

[3]黃健平.鄭西客運專線路基樁板結構的設計與計算[J].廣東公路交通，2006（s1）：182-185.

[4]中華人民共和國國家行業標準.JGJ94-2008，建筑樁基技術規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[5]鹿群，張岳文，鄭述海，等.樁基負摩擦力的成因、機理與危害分析[J].河北建筑科技學院學報自然科學版，2003，20（4）：46-49.

[6]魏成國.濕陷性黃土地基樁基濕陷負摩擦力計算與研究[D].西安理工大學，2006.

[7]張兆寧，孫學先.樁基承載能力的可靠性分析計算研究[J].蘭州交通大學學報，2004，23（6）：42-44.

作者簡介：

陳渝江（1984?.05— ），男，重慶人，本科，工程師，主要研究方向：路基工程設計。