2010年4月高速铁路技术No.1,Vol.I第1卷第1期HIGH SPEED RAILWAY TECHNOLOGYApr.2010文章编号：1674一8247(2010)01002205无砟轨道桩一网结构路基设计方法研究魏求幸薛新华12(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031：2.浙江大学建筑工程学院，杭州310058)摘要：分析客运专线无砟轨道桩一网结构路基的破坏模式，提出桩·网结构路基设计对策，并对桩-网结构路基设计方法进行了探讨。钢筋混凝土桩一网结构应进行单桩承载力验算，地基沉降验算、桩顶加筋垫层验算：当地基土层较差，特别是单一无硬壳层的极软地基，还应进行桩一树结构抵抗路堤荷载侧向滑移作用的横向稳定验算。在桩-网结构单桩承载力验算中，为充分发挥桩的承载作用，建议引入单桩承载力发挥系数。关键词：无诈轨道铁路：桩~网结构路基：破坏模式：设计方法中图分类号：U213.】文献标识码：ADesign Method of Pile-Net Composition foundation of Ballastless TrackWEI Yong-xing'XUE Xin-hua'.2(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Lid.Chengdu 610031,China;2.College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University 310058,China)22Abstract:This paper analyzes the failure mode of the pile-net composition foundation,presents and discuses the measureand method for design of the pile-net composition.In the design of the reinforced concrete pile-net composition founda-tion,the computation and check are required for the bearing capacity of single pile,the settlement of the embankment andthe reinforced cushion at the top of pile.When the subsoil property is very poor,especially for the single soft ground with-out transition layer,the computation is as well required for the lateral stability resistancing the lateral slips of embank-ment.In calculation of the bearing capacity of single pile of the pile-net composition,the coefficient of the pile bearingcapacity is proposed to be introduced to play a very important role in the pile bearing capacity.Key words:ballastless track railway;pile-net subgrade;failure mode;design method1引言2钢筋混凝土桩一网结构原理客运专线无砟轨道铁路，对路基沉降提出严格的钢筋混凝土桩-网结构路基如图】所示，其中钢限制要求，一般要求路基工后沉降不大于15mm。筋混凝士桩~网结构基础由钢筋混凝土桩（群）、桩帽为有效控制地基沉降，在软弱地基处理中广泛采用了及加筋垫层组成，钢筋混凝土桩（群）一般采用灌注桩刚性桩基础，包括钢筋混凝土桩一网结构231。工程实或预制管桩。践表明，钢筋混凝土桩-网结构路基具有变形小、沉降有关研究表明45]，钢筋混凝土桩-网结构，其工稳定快等特点，但其设计方法尚不统一。本文研究分作原理与柔性桩复合地基不同。由于桩一网结构刚性析了钢筋混凝土桩-网结构路基破坏模式，并对桩-桩和桩间土的刚度差异较大，在填土柔性荷载作用下，网结构路基设计方法进行了探讨。桩与桩之间的加筋垫层将产生向下的变形，直至受到加筋筋材的约束以及桩间土的抵抗而趋于平衡、稳定，四根桩之间、加筋垫层上部的填土也因加筋垫层的下凹而产生变形，当上部填土较厚时最终形成土拱。此收精日期：2009-12-19时，桩-网结构地基上部除土拱部分外的填土重量以作者简介：魏永幸(1964)，另，教授级高级工程师，中铁二院技术中心副主任，注册土木（岩土）工程师。第1期魏水幸，等：无砟轨道桩-网结构路基设计方法研究2010年4月图3(a)所示：路堤加筋垫层(2)桩-网结构基础发生整体下沉超出设计控制值，如图3(b)所示；桩帽(3)桩-网结构因加筋垫层缺陷不能形成稳定的桩土复合土拱而丧失结构承载功能，如图3(c)所示：(4)桩-网结构不能抵抗路堤荷载侧向滑移作用出现横向失稳，特别是单一无硬壳层的极软地基，容易出现这种情况，如见图3(d)所示。下卧软土层持力层图】钢筋混凝土桩-网结构路基的填土重量则由桩间土和加筋筋材共同承担，其中部(b)破坏模式2分通过加筋筋材传递至刚性桩上。(c)破坏模式3(d破坏模式4路堤填土高度H图3桩-网结构路基破坏模式桩间填土柔性拱高度3.2钢筋混凝土桩-网结构设计方法轨道结构重量W列车静载形针对钢筋混凝土桩一网结构可能出现的几种破坏模式，工程设计应采取相应对策，进行相应的控制。23图2桩一网结构路基工作原理示意图3.2.1单桩承载力设计为防止出现破坏模式1，桩-网结构的桩必须具很明显，桩净间距D越小，填土柔性拱高度h越有承受荷载的承载能力，即桩一网结构的桩应进行单小。在桩顶设置扩大的桩帽，可保持桩净间距D不变桩承载力设计。而增大桩间距。对于填土高度大于填土柔性拱的路3.2.2地基沉降验算堤，只有四桩之间填土柔性拱部分土体重力通过加筋在满足单桩承载力的情况下出现破坏模式2，则垫层分散均化后部分作用在桩间土上。西南交通大学主要是桩基础下卧层在荷载作用下出现超出设计预期完成的室内模型试验表明，桩-网结构路基桩帽面积的沉降所致，因此，对于以控制沉降为主要目的的桩-与单桩加固地基面积的比例大于25%，桩所承受填土网结构，必须验算地基沉降。荷载作用力占全部填土荷载的比例在90%以上[。3.2.3桩顶构造设计为避免桩一网结构出现结构失稳破坏（破坏模式因此，工程实际应用中完全可以忽略填土荷载对桩间3),应根据保持桩顶柔性土拱稳定的要求，对加筋垫土的影响，而认为桩-网结构路基的刚性桩基承担全层筋材的性能做出相应要求。桩-网结构在桩顶设置部路堤及荷载。扩大的桩帽，可避免桩顶的刺入破坏，有利于充分发挥3钢筋混凝土桩一网结构设计方法桩的承载作用，同时也可以改善桩顶部加筋垫层受力。探讨3.2.4横向整体稳定验算当地基土层较差，特别是单一无硬壳层的极软地3.1桩网结构破坏模式基，应进行桩-网结构抵抗路堤荷载侧向滑移作用的钢筋混凝土桩-网结构可能出现以下4种破坏形横向整体稳定的验算，并针对不同情况采取加强桩-式，即：网结构横向稳定性的措施，如增长桩嵌固段、增强桩顶(1)由于单桩承载不满足要求而出现下沉，如联系构造，或与其它地基加固措施联合使用等。第1期魏水幸，等：无砟轨道桩-网结构路基设计方法研究2010年4月3.2.1单桩承载力验算3.2.2地基沉降验算由于桩-网结构桩顶柔性加筋垫层，桩间土实际受到有限荷载的作用（小于10%）。对于地基沉降控桩一网结构地基沉降包括加固区沉降和下卧层压制标准十分严格的无砟轨道铁路路基，应充分发挥桩缩量2部分：的承载作用。因此，建议在桩-网结构单桩承载力验(6)算公式中引人单桩承载力发挥系数。式中：S一桩-网结构地基总沉降；引入了单桩承载力发挥系数后的单桩承载力验算公式如下：S。一桩-网结构加固区沉降，包括桩身压缩量Sp及桩端刺人变形S,即：(7)式中：P。一单桩加固范围内的路堤以及轨道结构、列(2)加固区沉降计算车荷载，kN;桩-网结构加固区沉降包括桩身压缩量S及桩R,一单桩竖向容许承载力，kN:端刺入变形S,其中桩身压缩量Sp可按下式计算业一一单桩承载能力发挥系数，可取0.9~1.0。P L(8)路基基底应力σ。采用下式计算)：式中：L一桩长；E。—桩体材料弹性模量。式中：y一路基填料容重(kN/m3);桩端刺入变形S,目前尚难以准确计算，但可以根据单桩载荷试验P-S曲线得到，或根据地区经验a一边坡斜率m的反正切，以弧度计，即α=取值。从理论上讲，按承载力设计的桩基础，其桩底刺入变形是很小的，工程上可以忽略不计。24m(3)下卧层的附加应力计算和轨道静重组成的换算土柱荷载(kN/下卧层压缩量Sa通常采用分层总和法计算，即：m),b为路基面对半宽(m),m为路堤边坡坡率。则单桩加固范围内的荷载P。为：E(9)(3)式中：A一单桩加固面积，m2。下卧层分层的附加应力计算方法主要有应力扩散单桩竖向容许承载力R。的取值，可采用单桩载荷法、等效实体法、改进的Geddes法、Boussinesq法以及试验资料，取单桩竖向极限承载力除以安全系数2的L/3法等。值得注意的是：应力扩散法在实际应用中扩散角等参数难以确定；等效实体法、改进的Geddes值；无单桩载荷试验资料时，可按式(4)和(5)估算并法，其侧摩阻力的分布大小不易确定：L/3法计算沉降取小值。时，由于将下卧层提升至距桩端L/3处，其中包含了部(4)分加固区，因此计算出的下卧层的沉降误差可能较大。5)3.2.3桩顶构造设计对于桩-网结构，桩顶构造设计十分重要。桩顶式中：P一桩体抗压强度平均值，kPa:构造设计包括：桩帽和加筋垫层。桩-网结构应在桩7一一桩身强度折减系数，可取0.35~0.5；顶设置扩大的桩帽。桩顶设置扩大的桩帽，可避免桩d一一桩的平均直径，m;顶的刺人破坏，有利于荷载向桩集中，以便更充分发挥桩的承载作用，同时也可以改善桩顶部加筋垫层受力，一—桩长范围内所划分的土层数；如图2所示。在桩顶设置扩大的桩帽，可保持桩净间l一桩周第i层土的厚度，m;距D不变而增大桩间距，实际工程应用中可以通过调9:一桩周第i层土的容许摩阻力，kPa;整桩帽面积，使桩净间距D控制在一个较小数值，可9。一桩端地基土容许承载力，kPa。显著改善桩顶部加筋垫层受力。