高速铁路桩板结构应用现状及研究方向

王峰

【摘 要】桩板结构作为高速铁路软土路基处理的一种新型结构形式,具有强度高、刚度大、稳定性好、施工工艺简单等优点.目前国内外均有所应用,但理论研究明显滞后于工程应用,其工作机理尚不十分明确,还没有系统的设计理论和设计方法.列举了国内外桩板结构应用实例,在综合分析设计理论、施工技术以及受力、变形特性研究现状的基础上,从设计方法、结构布置、静力计算、振动特性和动力设计参数、长期变形观测分析以及结构耐久性设计等方面阐述了有待进一步研究的主要问题,提出了完善桩板结构设计尤其是动力设计理论和方法的意见. 【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2011(000)006 【总页数】6页(P27-32)

【关键词】高速铁路;桩板结构;结构设计;动力分析;研究方向 【作 者】王峰

【作者单位】上海铁路局,上海,200071 【正文语种】中 文

【中图分类】U238;U213.1+52

传统的路基结构，采用高路堤时，总沉降及工后沉降量较大、差异沉降难以控制;采用低路堤结构，由于动力对地基的影响显著，工后沉降难以控制。目前解决软土

路基工后沉降的方式主要有2种，一是以桥代路，二是对软土进行处理。我国高速铁路建设规模大、线路长，区域地质条件复杂，优质填料缺乏，而桥梁结构造价相对较高，迫切需要寻求一种强度高、刚度大、稳定性和耐久性好，并且投资较低、施工工艺简单、环保型路基新结构［1］。

桩板结构是客运专线采用的一种新型路基结构形式，由钢筋混凝土桩基、路基本体与钢筋混凝土承载板(对于托梁式桩板结构路基还包括托梁)组成，承载板直接与轨道结构连接，桩、板固结与路基共同组成承载结构体系，它充分利用桩-土、板-土之间的共同作用来满足无砟轨道对强度与变形要求。通常，钢筋混凝土承载板现浇在路基填土表层，与桩通过钢筋固结相连，形成了桩-板-土三者共同作用的复合结构体系［1］。

桩板结构路基较传统的路基形式而言，不仅是无砟轨道一种新的路基结构形式，也是一新型的地基处理技术与加固方法，是介于桥梁与路基之间的一种特殊的结构形式。尽管国内外均有所应用，但其理论研究则远远滞后于工程应用，其工作机理目前尚不十分清楚，既缺乏系统的设计理论和方法，也没有形成完善的施工工艺和措施。

1 国内外应用实例 1.1 国外实例

1.1.1 德国纽伦堡一英戈尔施塔特线

德国纽伦堡一英戈尔施塔特线在具有膨胀性的北段黏性土地基上修建了桩板结构路基［2］，桩板结构形式采用钻孔灌注桩直径0.9 m，桩顶现浇0.6 m厚钢筋混凝土板，在过渡段处采用厚度渐变的素混凝土板来减小刚度的差异，素混凝土板长20 m(图1)。

图1 德国纽伦堡—英戈尔施塔特线桩板结构纵立面(单位:m) 1.1.2 荷比高速铁路

荷比高速铁路阿姆斯特丹至布鲁塞尔线，地质条件为海相沉积，土质极软。全线铺设无砟轨道，大量采用的桩板结构由钻孔灌注桩和现浇钢筋混凝土板构成(图2、图3)，单联长30 m或35 m，纵横向桩间距根据具体情况设计［3］。 图2 桩板结构的支承桩(HSL-Zuid)

图3 荷兰HSL-S段——桩板结构典型纵立面(单位:m) 1.1.3 英法海底隧道连接线

英法海底隧道连接线在穿越一个沼泽地区时有7 km路基采用了桩板结构，其桩板结构由桩基础和钢筋混凝土板构成(图4)，横向分布4排桩，桩间距为2.5 m，桩板结构上部铺设有砟轨道［4］。

图4 英法海底隧道连接线(英国段)桩板结构示意(单位:mm) 1.2 国内实例 1.2.1 遂渝线

遂渝线无砟轨道综合试验段采用钢筋混凝土桩板结构的地基处理措施，由钢筋混凝土桩基、路基本体与钢筋混凝土承载板组成，承载板直接与轨道结构连接(图5、图6)。钢筋混凝土承载板为长6×5 m=30 m，宽4.4 m，厚 0.6 m，厚跨比 1/8.33，C40 混凝土［5］;钻孔灌注桩直径1.2 m，横向采用2排桩，桩间距2.5 m，纵向采用6排桩，桩间距5 m，桩长21 m，入泥岩夹砂岩层2 m。 图5 遂渝线DK132桩板结构路基典型横断面(单位:m) 图6 遂渝线DK132桩板结构路基纵断面 1.2.2 郑西铁路客运专线

郑西客运专线采用双线托梁式桩板结构，主要由桩基、托梁、承载板3部分组成(图7)，承载板厚0.6～0.8 m，宽10.5 m，厚跨比1/11.67～1/11.25，采用C40钢筋混凝土，桩基为直径1 m或1.25 m钻孔灌注桩，横向2根桩，间距5 m，纵向间距7～9 m，C30钢筋混凝土［6］。承载板为现浇钢筋混凝土板，托梁为

现浇钢筋混凝土梁，桩基为钻孔灌注桩，三跨一联，相邻联处共用托梁和桩基，相邻联的板间纵向预留2 cm伸缩缝。桩与托梁均固接，边托梁与承载板搭接，中托梁与承载板固接。考虑双线行车对承载板的动力作用问题，承载板采用上下行线双板分幅设置，以降低横向扭曲变形，减小单线过车对桩板结构整体使用性能的影响。承载板板宽采用2×4.99 m(双线)，中间预留2 cm构造缝;托梁根据承载板宽度确定，取为10.4 m。

图7 郑西客运专线典型托梁式桩板结构 1.2.3 武广铁路客运专线

图8 武广客运专线典型托梁式桩板结构(单位:m)

武广铁路客运专线上首次尝试在高边坡陡坡地段使用该结构，进一步扩充了桩板结构的使用领域，取得了一定的经验。其桩板结构由钢筋混凝土桩基、托梁和混凝土承载板组成(图8)。桩基钢筋伸入托梁中，与托梁钢筋相连。承载板分别采用2块“3×7.5 m”、3块“3×7.5 m”+1块“(7.5+10+7.5)m”、3块“3×7.5 m”的板结构形式，板厚均为0.8 m，厚跨比为1/9.38～1/12.5，板宽2×4.99 m，在与土质路基相连端均设10 m长的钢筋混凝土搭板［7］。每排桩顶均设置1榀托梁，7.5 m跨度的托梁尺寸为:长×宽×高=10.4 m×1.6 m×0.85 m。桩基采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩直径1.2 m，按端承桩设计，要求桩嵌入稳定基岩不小于3 m，桩沿线路方向布置2排。 1.2.4 沪杭高速铁路

沪杭高速铁路桩板结构路基均采用桩-托梁-承载板结构(图9、图10)，有2种形式，一种是托梁下纵向布置2根φ1.25 m钻孔灌注桩，桩长45 m，另一种是托梁下纵向布置4根φ0.8 m钻孔灌注桩，桩长43 m，桩体混凝土强度等级为C35。承载板采用C40钢筋混凝土结构，承载板宽2×4.4 m，跨度3×10 m，板厚1 m。两中支点通过桩主筋穿过托梁铺入承载板而使托梁与托板刚接，两边支点托梁与承

载板搭接，托梁与承载板间设置聚酯长丝复合聚乙烯土工膜滑动层。 图9 桩板结构设计详图(单位:m)

图10 沪杭高速铁路DK30+951.5～DK31+115.085段路基

综上可知，国外桩板结构大多采用承载板与桩基直接固结，从而形成多跨连续板梁结构;我国客运专线铁路非埋式桩板结构大多采用三跨一联板(承载板)-梁(托梁)-桩基一体化且承载板左右分幅的结构形式。相比于桥梁结构，桩板结构路基更适用于挖方以及低填方路段，也适用于既有软弱路基的提速加固处理。由于桩身与承载板之间固结，为缓解承载板温度应力的影响，在边跨处桩顶设置托梁结构，承载板搭在托梁上，在板与板之间设置2 cm的伸缩缝，托梁与承载板间设置聚酯长丝复合聚乙烯土工膜滑动层。承载板在平面内的稳定性好，不易产生侧向位移，而且桩能分担板在静载和动载下产生的弯矩，因而承载板较薄，一般只有0.5～1.0 m厚，纵向桩间距为5～10 m不等，在板内不需要布置预应力筋，施工简单，降低了工程造价［1］。 2 研究现状

在国外，虽然德国、日本、荷兰、比利时及英法海底隧道连接线使用过类似桩-板的高架结构，但关于桩板结构路基的研究文献还较为少见。我国铁二院、西南交大、重庆大学等单位结合遂渝铁路建设较为系统地开展了无砟轨道桩板结构路基的设计技术研究［1］，对桩板结构路基的设计理论及计算方法进行探讨，比较系统阐述了土质路基桩板结构的设计及计算要求，总结了桩板结构路基静、动态设计方法，运用解析法和有限元法分析了桩板结构的受力与变形，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［5，8］，并参考我国《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》［9］的有关规定，初步提出了桩板结构静力设计方法。针对遂渝线桩板结构路基进行的离心模型试验，研究了桩板结构路基的沉降，并运用有限元软件Ansys分析了诸多参数对桩板结构路基沉降的影响，

得到了荷载、桩长和地基土模量对桩板结构路基沉降值影响最大等结论［10，11］。通过遂渝线桩板结构路基大比例动态模型试验［12］、现场测试和数值模拟等手段，研究了桩基的荷载传递规律，分析了列车移动荷载作用下结构的动力响应问题，得到桩板结构路基的动力系数［13］。在工程费用方面，综合比较了桩板结构与传统桥梁结构间的造价优劣，分析了板、梁和桩对桩板结构路基造价的影响，并进行了不同跨度方案的比选［14］。2010年8月铁道部发布的行业标准《铁路工程地基处理技术规程》中，对钢筋混凝土桩板结构的设计及施工作出了原则规定［17］。

桩板结构因其构造较为简单，且主要由普通的桩基及钢筋混凝土结构组成，因此，其施工难度较小，施工管理及质量控制也相对比较容易。但就桩板结构设计而言，尽管目前在对桩板结构路基的静力性能及沉降变形研究方面做了一些工作，但对其动力特性研究明显偏少，尤其是高速列车通过桩板结构路基及其与其他形式路基的过渡段时，列车运营的平稳性和乘客的舒适性、桩板结构路基的动力响应及其横向稳定性方面的研究成果很少;对桩板结构的路基性能研究较多，而对桩板结构自身(承载板、托梁及桩基)的合理构造和设计参数尤其是动力设计参数研究较少，桩板结构设计理论尤其是其动力设计理论还远未系统化、科学化。 3 主要问题 3.1 设计方法

当前，我国《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》［9］及《铁路工程地基处理技术规程》［15］对于钢筋混凝土结构均采用容许应力法进行设计，但我国《混凝土结构设计规范》［16］及日本［17］、美国、欧洲等国家大多数规范均采用基于概率理论的极限状态设计法。容许应力法对不同的荷载形式均根据容许强度取统一的安全系数，使得结构设计偏于保守;极限状态法中的安全系数则是以概率统计为根据而制定的，并将单一安全系数分解为抗力和荷载两方面，对不

同的抗力和不同的荷载原始数据进行统计分析，采用不同的分项系数，较为全面地考虑了影响结构安全度等因素的客观变异性，使设计的工程结构更加合理，可以更好地处理结构的安全性和经济性之间的矛盾，并可使同类结构构件在不同荷载情况下具有较佳的安全度和一致性。鉴于桩板结构主要由桩基、承载板(或包括托梁)等钢筋混凝土构件组成，组成构件相对单一，因此，需要也能够通过加强桩板结构设计方法的研究，使得以可靠度设计理论为基础的极限状态法尽早应用于桩板结构设计。 3.2 结构布置

桩板结构是一种较为灵活的结构形式，按构造形式大致可分为独立墩柱式、托梁式和复合式3种。独立墩柱式桩板结构为桩基与承载板直接相连接的结构，承载板直接固接或铰接于桩上，此时承载板为多跨连续双向板。托梁式由桩基、托梁与承载板3部分组成，托梁连接横向桩基，并与承载板相连。中支点处桩基钢筋穿过托梁锚固于承载板中，使得桩基、托梁及承载板在桩基位置处三者固接;边支点处桩基与托梁固接，板梁间搭接，此时承载板为多跨连续单向板，在局部荷载作用下为双向板。复合式则为独立墩柱式、托梁式的组合结构，中跨采用独立墩柱式，边跨为托梁式。3种构造形式的桩板结构有很多共性又各有其特点，其中，独立墩柱式板体为双向板，视支撑情况可以任意方向共同受力，边支点处宜设计成悬臂，活载作用下，在边支点悬臂处易产生较大折角，对钢轨受力不利，并影响行车平顺性;托梁式桩板结构在双线铁路上一般采用上、下行分开的两块独立承载板，板体则主要纵向受力，其受力较独立墩柱式明确，设计也相对较简单;复合式桩板结构其构造及受力特性介于独立墩柱式和托梁式之间，即边支点处设置托梁，中支点处桩基与承载板直接连接，双线铁路可以采用两块板，也可采用单块板。

总体而言，我国客运专线铁路非埋式桩板结构大多采用三跨一联托梁式，承载板左右分幅，而国外则大多采用独立墩柱式，从而形成多跨连续板梁结构，但至目前为

止，单联桩板结构的合理跨数、跨径大小及其分布等均未有明确的结论。因此，究竟采用何种布置形式的桩板结构方能实现功能最优、投资最省的设计目标仍需进一步研究。 3.3 静力分析

我国桩板结构的静力设计荷载(包括竖向活载动力系数)及结构计算主要是沿用我国《铁路桥涵设计基本规范》［18］及《高速铁路设计规范(试行)》［19］的有关规定和方法，并未完全反应桩板结构的结构形式和构造特点，因此，有必要针对桩板结构的具体结构形式进行结构计算分析方法的研究，提出能反映桩板结构特征的静力分析方法和设计参数，如活载竖向动力系数的合理取值、结构温度应力(包括伸缩温度及梯度温度应力)的计算方法以及承载板体的竖向挠度限值等。 3.4 振动特性及动力设计参数

针对桩板结构动力性能所做的理论及试验研究，目前仅限于采用软件ANSYS瞬态分析原理计算了路基的动力响应［20］及遂渝线无砟轨道桩板结构路基列车时速不高于220 km的动力响应现场试验［21］，桩板结构动力设计理论尚未建立，动力设计参数有些直接引用桥梁结构设计规定(如承载板体的竖向刚度、竖向活载的动力系数等)，有些只是要求加以限制，但并未给出明确限值(如相邻桩基的差异沉降限值、过渡段与桩板结构间的不均匀沉降限值等)。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，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，直接采用桥梁结构的动力设计参数(如结构变形、变位限值)是不尽合理的。为了满足高速客运专线铁路桩板结构的动力设计需要，有必要进行高速动车组与桩板结构耦合系统振动分析，计算列车通过桩板结构路基时的列车运营性能及桩板结构自身的振动响应，研

究桩板结构的刚度特性(包括地基土的振动参与)及动力设计参数，并进行高速动车组通过桩板结构及其过渡段路基的动力测试，从理论及现场试验2个角度全面分析桩板结构的振动特性，从而为桩板结构动力设计理论的建立奠定基础。 3.5 长期变形

无砟轨道桩板结构的沉降尤其是工后沉降规律一直是确保高速列车安全、平稳运行所最为关心的问题，结合遂渝铁路无砟轨道桩板路基的应用进行了沉降变形长期观测研究［22］，并得出了桩板结构路基整体沉降随时间增加而增大，且在桩板结构构筑完成后放置约半年即趋于稳定，在约1年的运营期间也处于沉降稳定状态的结论，但鉴于遂渝铁路列车运营最高时速仅为200 km，其结构形式也具有自身的特殊性，因此，仍然有必要针对各种典型结构形式桩板结构加强其施工全过程及通车后的长期沉降规律的观测尤其是工后沉降值的监测。 3.6 耐久性设计

由于桩板结构一般均由钢筋混凝土构件组成，从其受力机理上讲为带裂缝工作构件，其耐久性远低于预应力混凝土结构，尽管桩板结构路基中的桩基与托梁大多埋置在地基土中，受外界环境影响小，对外界环境的适应能力强，在抗冻、耐腐蚀性方面有一定的优势;但对于高速客运专线铁路常用的非埋式桩板结构，其主要受力构件承载板一般均暴露于大气中，比较容易受到大气的腐蚀和碳化，其耐久性必然受到较大的影响。因此，为确保桩板结构在整个设计寿命期间不因外界环境的影响而导致刚度退化及强度失效，从而影响其正常工作，从结构设计强度、原材料性能、构件局部构造、施工工艺等方面进一步开展桩板结构耐久性研究具有很强的工程意义和理论价值。 4 结语

桩板结构可用于基础变形控制严格的深厚软弱地基、湿陷性黄土地基、桥隧间短路基过渡段、岔区路基及既有路基加固、岩溶及采空区地基处理、受地形条件限制不

能修建传统桥梁结构的路段地基加固，具有良好的技术和经济优越性，是宜于推广的新型无砟轨道路基结构形式。本文综合分析了桩板结构路基的应用实例、研究现状，提出了桩板结构需进一步研究完善的重要课题，为建立和完善桩板结构静、动力设计理论，明确关键设计参数，提高其耐久性及经济性提出了有益的建议。 参考文献:

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