高速铁路桩板结构桩-板-路基土体相互作用研究结题摘要

桩板结构是一种新型的结构型式，目前在国内外已有一定的工程应用。由于对桩-板-路基土体的相互作用机理不清楚，当前在工程实践中，采用不考虑路基土体对板的支承作用及对桩的约束作用而进行保守设计，工程造价相对较高，制约了桩板结构的推广应用。 本项目从静、动力两个角度出发，建立列车-轨道-桩板结构空间耦合精细化模型，对桩土、板土的相互作用进行了研究，明确了在列车荷载作用下桩土、板土的相互作用大小及规律。对比分析了板下土体脱空与不脱空情况下对承载板受力及变形的影响，明确了路基土体对板的支承贡献大小。研究了横向荷载作用下路基土体对桩的侧向约束作用，揭示了板土摩擦、桩土承压等对桩的侧向约束作用。分析了速度、轴重、曲线半径、桩长与桩径、承载板跨度与厚度、路堤填料性质与结构尺寸，以及桩的支承形式等对桩板结构桩土、板土相互作用的影响，并开发了桩板结构承载板设计计算软件。建立了温度场、列车荷载等多场作用下桩板结构分析模型，研究了温度、温度与荷载耦合作用等对桩板固结处应力集中的影响，提出了桩板结构设计时应考虑整体温度升高、降低，以及温度梯度与列车荷载作用组合等各种工况。通过桩板结构水平加载试验与竖向循环加载试验等大比例模型试验，进一步揭示了桩板结构桩-板-土相互作用机理及随加载次数的变化规律。在上述研究基础上，结合工程案例，具体分析了目前桩板结构保守设计的技术经济性，为形成高速铁路桩板结构的设计理论及方法提供了有力的支承。 2100433B

桩板结构是一种新型的结构型式，在国内外的工程应用方面并不多见，理论研究严重滞后于工程实践，没有对应的设计规范，目前还处于工程应用探索阶段。当前在具体的工程设计时，不考虑路基土体对板的支承作用及对桩的约束作用，致使最终的设计结果偏于保守，工程造价较高。在仅有的理论研究中，大多是做一些有限的试验和少量的数值分析，目的主要是验证该工程设计的正确性。这些严重制约了桩板结构的推广应用。.项目主要针对目前桩板结构理论研究成果较少、工作机理还不明确的现状，进行桩-板-路基土体的相互作用研究，重点分析路基土体对板的支承作用及随列车作用次数的变化规律，路基土体对桩的水平支撑特性与约束能力，桩板结构参数及温度变化对相互作用的影响，以及评价当前保守设计方法的技术经济性。目的是通过研究，使对桩板结构桩-板-路基土体的相互作用认识方面有所突破，为桩板结构工程设计提供理论依据，为建立桩板结构设计计算方法奠定理论基础。

《高速铁路路基非埋式桩板结构理论与实践》结合郑西高速铁路湿陷性黄土地基路基设计，论述高速铁路路基非埋式桩板结构的设计理论、方法，及其在设计、科学试验中的应用。主要内容包括：路基桩板结构选型与设计理论、路基桩板结构优化设计与分析、路基桩板结构室内模型试验研究、路基桩板结构现场实测研究、路基桩板结构激振试验研究、路基桩板结构行车试验等，是对非埋式桩板结构进行系统总结和介绍的工程专业书籍 。

1 绪论

1.1 引言

1.2 高速铁路路基工程的技术特征

1.2.1 高速铁路路基的工程要求

1.2.2 高速铁路路基沉降控制标准

1.3 高速铁路路基地基处理工法

1.4 桩板结构应用现状

1.5 桩板结构路基的特点及分类

2 非埋式桩板结构选型与设计理论

2.1 结构选型与构造

2.1.1 整体构造

2.1.2 承台板形式

2.1.3 托梁形式

2.1.4 桩基形式

2.2 荷载工况

2.2.1 竖向荷载

2.2.2 水平荷载

2.2.3 温度荷载

2.2.4 桩基不均匀沉降

2.3 桩板结构设计方法

2.3.1 容许应力法

2.3.2 概率极限状态法

2.3.3 两种设计方法的比较

2.4 结构体系的简化

2.5 桩板结构计算模型

2.6 桩板结构理论计算方法

2.6.1 承台板计算

2.6.2 托梁计算

2.6.3 桩基计算

2.6.4 换算桩长法的验证

2.6.5 桩板结构温度力计算理论

2.7 桩板结构有限元计算方法

2.7.1 桩板结构与地基土相互作用

2.7.2 桩板结构纵向计算

2.7.3 桩板结构横向计算

2.8 桩板结构设计原则

3 路基桩板结构优化设计与分析

3.1 优化分析基础理论

3.2 桩板结构各部件受力特性

3.2.1 承台板受力特性

3.2.2 托梁受力特性

3.2.3 桩基受力特性

3.2.4 结构整体受力特性

3.3 结构几何尺寸优化

3.3.1 优化因素及方法

3.3.2 方案组合与目标函数

3.3.3 计算结果综合分析

3.4 设计计算参数影响性

3.4.1 地基系数K值影响性

3.4.2 桩侧m值影响性

3.4.3 桩长影响性

3.5 小结

4 路基桩板结构三维动力数值仿真

4.1 数值仿真的意义

4.2 有限元法简介

4.3 计算模型

4.3.1 地质参数

4.3.2 结构单元

4.3.3 计算关键技术

4.4 列车荷载施加

4.5 边界条件

4.6 桩板结构自振特性

4.6.1 自振频率计算有限元模型

4.6.2 自振频率与振型

4.6.3 弹性模量影响

4.6.4 跨度影响

4.6.5 桩长影响

4.7 激振试验动力仿真

4.7.1 激振动力有限元模型

4.7.2 计算时程曲线

4.7.3 激振频率影响

5 路基桩板结构室内模型试验

6 路基桩板结构现场实测研究

7 路基桩板结构激振试验研究

8 路基桩板结构行车试验

9 经济效益分析及推广应用

10 工程应用

参考文献

后记 2100433B

桩板结构是高速铁路无砟轨道一种新的环保型路基结构形式，因其具有强度高、刚度大、稳定性和耐久性好以及建筑成本适当、施工工艺简单等特点，目前已在国内外多条高速铁路路基以及普通铁路不良地基处理中得到一定应用，并将会作为一种有效控制基础变形尤其是工后沉降的地基处理方式而得到广泛应用。

尽管桩板结构从其传力路径上看类似于板式桥梁结构，但两者本质上还是存在较大差别的，其一是桩板结构没有墩台结构，也未设置支座，承载板与桩基或托梁的连接方式也明显不同于梁墩连接构造;其二是传统的桥梁结构每个墩台基础大多采用群桩基础，单个墩台桩基的根数、长度及桩径均明显多于或长于桩板结构的单个桩基。因此，针对桩板结构具体的结构构造特点，研究总结高速铁路无砟轨道桩板结构路基的设计、施工质量控制理论和方法，对于推广应用桩板结构路基具有重要的理论和工程意义。

2010年10月26日，上海铁路局管内的沪杭高速铁路开通运营，在整个建设过程和系统调试过程中，参建各方对桩板结构路基段进行了大量的现场试验和理论分析工作，从桩板结构的施工过程受力监测、桩板结构路基静动力性能分析以及高速动车组行车试验等方面，系统开展了桩板结构在高速铁路沿海滨海相软土地基处理中的应用研究。本书结合沪杭高铁的实践，阐述桩板结构路基的受力及变形机理，推导桩板结构温度应力的计算公式，明确了桩板结构静力计算方法，提出桩板结构的合理结构形式和构造参数;模拟高速动车组通过桩板结构路基及过渡段的全过程，计算分析高速列车一桩板结构一沿海滨海相软土地基系统的空间耦合振动响应，并与现场动力测试结果进行综合比较，在两者基本吻合的基础上，深入探讨了高速列车在桩板结构路基上的运营性能和结构振动特性，补充了桩板结构的动力设计参数，完善了桩板结构路基的动力设计理论。最后，对桩板结构路基的施工方法也进行了探讨，提出了高速铁路桩板结构路基设计若干建议。