鐵路路基樁板結(jié)構(gòu)荷載擴(kuò)散模式及有限元計(jì)算方法研究

徐玉龍,曾長(zhǎng)賢,郭建湖,陳尚勇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

高速鐵路路基工程工后沉降要求高，一般地段工后沉降要求不小于15 mm[1]，地質(zhì)條件復(fù)雜地段需采用特殊地基加固措施方可滿足要求。樁板結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的剛性特征，在軟土[2]、巖溶、采空區(qū)[3]、交叉工程[4]等地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)使用可有效控制工后沉降，取得了良好的效果，尤其在橋隧相接的短路基處，樁板結(jié)構(gòu)擁有和橋、隧結(jié)構(gòu)相媲美的剛度，可使高速列車在橋、隧連接處平順通過(guò)。

路基工程設(shè)計(jì)中，需對(duì)樁板結(jié)構(gòu)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，反復(fù)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形，以求結(jié)構(gòu)最優(yōu)。現(xiàn)行《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》[5]對(duì)樁板結(jié)構(gòu)荷載多沿用橋涵結(jié)構(gòu)中荷載類型及規(guī)定，但橋涵與路基結(jié)構(gòu)差異大，軌道、列車產(chǎn)生豎向、水平向荷載經(jīng)由路基基床結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到樁板結(jié)構(gòu)上的模式多未明確，且路基樁板結(jié)構(gòu)屬“上軟下硬”雙層結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)前成熟的“上硬下軟”地層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散角已不再適用，諸此種種均有待研究確定。

樁板結(jié)構(gòu)屬多次超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)計(jì)算多借助于ANSYS、SAP2000等國(guó)外商業(yè)有限元計(jì)算軟件。這些軟件功能雖強(qiáng)大，但技術(shù)門檻高、使用復(fù)雜，一線設(shè)計(jì)人員使用起來(lái)較為困難，難以適應(yīng)設(shè)計(jì)院高效的設(shè)計(jì)節(jié)奏。此外，成熟有限元分析軟件多為國(guó)外技術(shù)壟斷，存在技術(shù)壁壘，在國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化的今天，過(guò)度依賴國(guó)外商業(yè)軟件容易埋下技術(shù)隱患。為改變這一現(xiàn)狀，有必要基于有限元基本原理，自主編制輕便、實(shí)用的樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，提高設(shè)計(jì)效率，打破技術(shù)壟斷。

通過(guò)對(duì)路基樁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、荷載類型與擴(kuò)散模式及有限元計(jì)算方法進(jìn)行研究，采用Java語(yǔ)言和Matlab語(yǔ)言混合編制了樁板結(jié)構(gòu)V1.0計(jì)算軟件，計(jì)算方法可為結(jié)構(gòu)計(jì)算提供借鑒，軟件可服務(wù)于工程設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

樁板結(jié)構(gòu)為三維結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)化為三維框架結(jié)構(gòu)或二維框架結(jié)構(gòu)，已有研究證明，兩種簡(jiǎn)化模式計(jì)算結(jié)果接近，均能滿足軌道控制標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。樁板結(jié)構(gòu)V1.0采用輕便的二維梁-桿模型，計(jì)算模型如圖1所示，橫向、縱向均取單幅板條設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)二維梁-桿框架模型

樁和板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬典型梁構(gòu)件，土體與樁的相互作用則可借助溫克爾彈性地基理論[7]將土體簡(jiǎn)化為桿構(gòu)件。一般而言，板是直接覆蓋在土體上，土體對(duì)板也存在豎向支撐作用，但考慮到樁板混凝土結(jié)構(gòu)與土體的剛度相差甚大，土體發(fā)生微量沉降時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)樁體變形和土體變形不協(xié)調(diào)情況，板底與下部土體之間出現(xiàn)離層脫空，板底土體的支撐作用也就消失，故土體的豎向支撐作用不再考慮。

樁底約束方式一般為簡(jiǎn)支或固支，簡(jiǎn)支約束水平位移和豎向位移2個(gè)自由度，固支約束3個(gè)自由度，除位移外，轉(zhuǎn)動(dòng)也予以約束。樁底約束條件可根據(jù)樁底所在地層形式和施工工藝確定，一般樁底嵌入基巖且樁底清孔條件較好時(shí)可采用固支約束，其他情況下樁底容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，采用簡(jiǎn)支約束更符合實(shí)際。

2 設(shè)計(jì)荷載

作用在樁板結(jié)構(gòu)上的荷載可分為主力和附加力，主力又進(jìn)一步分為恒載和活載。樁板結(jié)構(gòu)的埋置形式不同，需考慮的荷載種類也有所不同。由于軌道、列車荷載均經(jīng)由基床擴(kuò)散到樁板結(jié)構(gòu)，首先對(duì)路基樁板結(jié)構(gòu)的荷載擴(kuò)散模式進(jìn)行討論，再對(duì)各類具體荷載進(jìn)行研究。

2.1 “上軟下硬”地層結(jié)構(gòu)荷載擴(kuò)散模式

路基樁板結(jié)構(gòu)由路基結(jié)構(gòu)和樁板結(jié)構(gòu)兩部分組成，兩者組合后可視為雙層結(jié)構(gòu)體系。雙層結(jié)構(gòu)理論研究歷史較長(zhǎng)，從20世紀(jì)40年代已有相關(guān)研究[8]，到20世紀(jì)60年代發(fā)展出“雙層體系理論”，由于應(yīng)用層面較少，發(fā)展較慢，且雙層結(jié)構(gòu)一般只有在軸對(duì)稱下才有可能獲取理論解，研究多側(cè)重于圓形荷載下的雙層結(jié)構(gòu)體系[9]。對(duì)于條形荷載下的平面應(yīng)變問(wèn)題，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)多引用捷克的K.E.葉戈羅夫的雙層體系研究成果[10-12]，包括軟弱下臥層承載力計(jì)算涉及到的雙層地基條形荷載下，應(yīng)力擴(kuò)散所涉及的擴(kuò)散角，也采用該理論解加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、簡(jiǎn)化處理后確定[13]，此后換填墊層地基處理也沿用該擴(kuò)散角模式[14]。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較成熟的附加應(yīng)力擴(kuò)散模式主要針對(duì)“上硬下軟”地層結(jié)構(gòu)體系，如軟弱下臥層或換填墊層設(shè)計(jì)，只規(guī)定了上下兩層壓縮模量比≥3的情況(Es1/Es2≥3)，雖然有研究將其擴(kuò)展至上下兩層壓縮模量一致(Es1/Es2=1)的情況[15]，但仍局限于“上硬下軟”地層結(jié)構(gòu)體系。

而由于樁板結(jié)構(gòu)剛性大，遠(yuǎn)大于路基基床結(jié)構(gòu)，路基樁板結(jié)構(gòu)屬于典型“上軟下硬”結(jié)構(gòu)?！吧宪浵掠病苯Y(jié)構(gòu)在條形荷載下呈現(xiàn)出完全不同的變化規(guī)律，壓縮土層厚度h小于荷載面寬度一半(b/2)時(shí)會(huì)出現(xiàn)“應(yīng)力集中”(圖2)，即條形荷載下“上軟下硬”結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力峰值σz大于均質(zhì)地層中界面深度的應(yīng)力峰值。而“上硬下軟”結(jié)構(gòu)體系主要表現(xiàn)為“應(yīng)力擴(kuò)散”，即條形荷載下“上硬下軟”結(jié)構(gòu)界面應(yīng)力峰值小于均質(zhì)地層中界面深度的應(yīng)力峰值。這就要求路基樁板結(jié)構(gòu)的條形荷載擴(kuò)散模式需重新定義。

圖2 “上軟下硬”地層結(jié)構(gòu)在地層界面上的應(yīng)力集中現(xiàn)象[12]

在K.E.葉戈羅夫“上軟下硬”雙層結(jié)構(gòu)體系中，層面中點(diǎn)的附加應(yīng)力系數(shù)主要取決于下臥層埋藏深度h與荷載跨度b之間的關(guān)系

σz=αDp

(1)

式中，σz為層面荷載中點(diǎn)的應(yīng)力；αD為層面中點(diǎn)的附加應(yīng)力系數(shù)；p為分布荷載。

進(jìn)一步根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》所采用的附加應(yīng)力系數(shù)換算擴(kuò)散角方法，可換算得到不同深寬比下的擴(kuò)散角?？紤]樁板結(jié)構(gòu)并非完全剛性，仍會(huì)發(fā)生一定變形，應(yīng)力集中程度會(huì)削弱，對(duì)擴(kuò)散角進(jìn)一步修正，如表1所示。

表1 “上軟下硬”地層界面中點(diǎn)附加應(yīng)力系數(shù)及擴(kuò)散角

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，“上軟下硬”地層擴(kuò)散角與“上硬下軟”地層的擴(kuò)散角遠(yuǎn)不相同。對(duì)于淺埋式樁板結(jié)構(gòu)，板結(jié)構(gòu)上方僅有路基表層，厚度一般不大于0.6 m，小于荷載寬度的0.5倍，荷載擴(kuò)散角度可直接取0，即荷載不發(fā)生擴(kuò)散。對(duì)于深埋式板，可根據(jù)具體情況采用表1中計(jì)算擴(kuò)散角，h/b介于兩值之間的情況，可插值確定擴(kuò)散角。h/b>2.5情況，根據(jù)K.E.葉戈羅夫研究，基本接近于均質(zhì)地層的值，可根據(jù)條形荷載下均質(zhì)體應(yīng)力解進(jìn)行計(jì)算，但建議最大不超過(guò)30°。

2.2 恒載

恒載包括結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮和徐變影響、基礎(chǔ)變位影響、基床表層自重、路基本體及基床底層自重和軌道結(jié)構(gòu)自重。

結(jié)構(gòu)自重包括樁與板的自重，為均布荷載，按均布力施加即可；混凝土收縮和徐變影響可轉(zhuǎn)化為溫度變化進(jìn)行考慮[5]，后文再探討溫度應(yīng)力問(wèn)題；基礎(chǔ)變位影響在設(shè)計(jì)中少有考慮，暫不納入計(jì)算；基床表層自重、路基本體及基床底層自重均直接作用于板上，按板上均布力進(jìn)行考慮。

軌道結(jié)構(gòu)自重荷載并非直接作用在板上，而是經(jīng)由基床結(jié)構(gòu)傳遞到板上。這就涉及到條形荷載引起的附加應(yīng)力問(wèn)題，可采用“上軟下硬”雙層結(jié)構(gòu)確定擴(kuò)散角進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示，其中，q0為線間荷載，q1為軌道荷載，線間荷載主要針對(duì)無(wú)砟軌道而言。雙線情況下，由于線間荷載和軌道荷載大小不同，可在路基面先進(jìn)行荷載等效后再擴(kuò)散到板上。

圖3 軌道自重荷載擴(kuò)散模式

2.3 活載

活載包括列車豎向靜活載、列車豎向動(dòng)力作用、離心力和橫向搖擺力。

列車靜活載與軌道荷載擴(kuò)散形式基本相同，在雙線情況下，也可先在路基面進(jìn)行等效，而后按照擴(kuò)散角進(jìn)行擴(kuò)散，如圖4所示。板較寬時(shí)，擴(kuò)散后荷載作用在板一定范圍內(nèi)，并非均布在板上。

圖4 列車荷載擴(kuò)散模式

高速鐵路、城際鐵路，頂面填土厚度≤3 m時(shí)，需考慮列車動(dòng)力作用。結(jié)構(gòu)計(jì)算中，動(dòng)力作用可通過(guò)動(dòng)力系數(shù)實(shí)現(xiàn)，將列車靜活載乘以動(dòng)力系數(shù)即可。動(dòng)力系數(shù)如下式[16]

(2)

式中，Lφ為加載長(zhǎng)度，m，樁板結(jié)構(gòu)加載長(zhǎng)度取平均跨度乘以調(diào)整系數(shù)，調(diào)整系數(shù)可將單塊樁板結(jié)構(gòu)視為連續(xù)梁，參照連續(xù)梁的調(diào)整系數(shù)取值(表2)；μ折減為動(dòng)力系數(shù)折減系數(shù)；hc為結(jié)構(gòu)頂面至路基面的填土厚度，m。

表2 跨數(shù)調(diào)整系數(shù)[16]

曲線樁板結(jié)構(gòu)地段需考慮列車豎向靜活載產(chǎn)生的離心力作用[16]。離心力為水平方向力，由于基床結(jié)構(gòu)為散體材料，散體材料具有耗散性，會(huì)通過(guò)自身調(diào)整、變形吸收一部分能量，傳遞到板上的力可能出現(xiàn)大幅減小。水平力經(jīng)由散體材料傳遞到樁板結(jié)構(gòu)的機(jī)理及精確解目前尚難明確，但考慮到基床結(jié)構(gòu)可提供摩擦力，水平力可借助基床結(jié)構(gòu)的摩擦作用傳遞到樁板結(jié)構(gòu)的板頂面，而摩擦力的存在是通過(guò)豎向荷載實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前暫推薦離心力qc采用與列車荷載相同的擴(kuò)散模式及擴(kuò)散角，如圖5所示。

圖5 離心力擴(kuò)散模式

路基地基處理規(guī)程中對(duì)離心力并無(wú)明確規(guī)定，僅要求借鑒橋涵規(guī)范計(jì)算方法。在橋涵結(jié)構(gòu)中，離心力計(jì)算方法為[16]

(3)

式中，C為離心率，≯0.15；f為列車豎向活載折減系數(shù)；R為曲線半徑，m；W為列車荷載圖式中集中荷載或分布荷載，kN或kN/m。

離心力本質(zhì)上是活載在曲線上運(yùn)動(dòng)形成的慣性力，應(yīng)用到路基工程中時(shí)，W取列車活載q2(kN/m2)即可，獲得的離心力F可表示為離心荷載qc(kN/m2)。

列車運(yùn)動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生橫向搖擺力。按橫向搖擺力為集中力，大小為100 kN，只考慮1個(gè)股道搖擺力[5]。計(jì)算時(shí)，將橫向搖擺力在軌道板范圍內(nèi)進(jìn)行均布，再擴(kuò)散傳遞到板結(jié)構(gòu)上，如圖6所示。進(jìn)行荷載組合時(shí)，需將搖擺力Qns分別放在左線和右線進(jìn)行計(jì)算，選擇最不利組合。

圖6 搖擺力擴(kuò)散模式

2.4 附加力

附加力主要有制動(dòng)力或牽引力和溫度變化影響。

制動(dòng)力或牽引力作用方向?yàn)榫€路方向，在計(jì)算樁板結(jié)構(gòu)縱向板條時(shí)需考慮，作用方向水平，制動(dòng)力或牽引力大小取列車豎向靜活載的10%計(jì)算。由于制動(dòng)力或牽引力經(jīng)由軌道傳遞到路基結(jié)構(gòu)，軌道長(zhǎng)度一般遠(yuǎn)大于樁板結(jié)構(gòu)單塊板長(zhǎng)，制動(dòng)力或牽引力作用范圍分布在整個(gè)縱向板條。當(dāng)與列車豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的7%計(jì)算[5]。

溫度變化影響為結(jié)構(gòu)在均勻溫差和日照溫差引起的變形和應(yīng)力。樁板結(jié)構(gòu)可參照涵洞規(guī)定，對(duì)于涵洞，最冷月平均氣溫不低于-20 ℃時(shí)，氣溫變化影響可不考慮[16]。當(dāng)溫差過(guò)大時(shí)，結(jié)構(gòu)需考慮這種溫度變化效應(yīng)。

3 有限元計(jì)算方法

3.1 單元形式

樁板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維框架結(jié)構(gòu)后，有限元計(jì)算中涉及到的單元形式主要有桿單元和梁?jiǎn)卧?。土彈簧采用桿單元，樁與梁分別采用2種力學(xué)參數(shù)不同的梁?jiǎn)卧?。桿單元的劃分較為簡(jiǎn)單，可直接取每根桿件作為一個(gè)單元，梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)t要設(shè)定單元大小后劃分成若干單元。

3.1.1 桿單元

桿單元采用二力桿，位移函數(shù)采用2個(gè)待定常數(shù)，局部坐標(biāo)系下表達(dá)式為[17]

(4)

式中，u(x)為桿單元水平位移；ui、uj為桿單元兩端節(jié)點(diǎn)位移；l為桿單元長(zhǎng)度；x為i為原點(diǎn)，沿ij方向坐標(biāo)；[N]為形函數(shù)。桿單元本構(gòu)關(guān)系為

(5)

局部坐標(biāo)系下桿單元?jiǎng)偠染仃嚍?/p>

(6)

式中，E為桿彈性模量；A為桿截面積。

樁板結(jié)構(gòu)中，土體與樁體之間的接觸作用通常采用彈性地基理論的“m法”或“k法”，轉(zhuǎn)化為彈性力學(xué)中的桿單元需一定轉(zhuǎn)換關(guān)系。桿單元彈性模量E=mhL或E=kL，h為埋深，“m法”或“k法”可結(jié)合支擋工程相關(guān)規(guī)范確定[18]。其中，L為桿件長(zhǎng)度，可按L=1 m設(shè)置。單個(gè)彈簧作用面積為相鄰單元的平均長(zhǎng)度與樁有效寬度之積。

A=b0(li+li+1)/2

(7)

式中，A為單個(gè)彈簧作用面積，對(duì)應(yīng)桿單元截面積；li與li+1為彈簧節(jié)點(diǎn)連接的兩個(gè)相鄰樁單元長(zhǎng)度，b0為樁單元有效寬度，可根據(jù)樁基規(guī)范[19]確定。

設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)板伸入路基本體中情況，采用“m法”計(jì)算彈性模量時(shí)，需確定深度h的計(jì)算零點(diǎn)?？紤]到路基本體并非大面積填土[13]，并不能提高路基側(cè)向約束，故計(jì)算零點(diǎn)從地面起較合適。但路基本體填料具有較高的壓實(shí)性，也能夠提供一定側(cè)向約束，與樁體形成接觸關(guān)系。如此，可假設(shè)路基本體層厚度為h0，在路基本體層，深度計(jì)算零點(diǎn)從板開始算起，k=-m0y，m0為路基本體的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；而地面以下土層，深度計(jì)算零點(diǎn)從地面開始，k=-m(y-h0)，如圖7所示。

圖7 埋置于路基本體的樁板結(jié)構(gòu)水平抗力示意

3.1.2 梁?jiǎn)卧?/p>

梁?jiǎn)卧膊捎脙晒?jié)點(diǎn)模型構(gòu)造，形函數(shù)矩陣[Nv]和單剛矩陣[k]e如下

[Nv]=

(8)

單元?jiǎng)偠染仃?/p>

(9)

式中，l為單元長(zhǎng)度；A為截面積；EI為抗彎剛度；I為慣性矩。

樁和板結(jié)構(gòu)均可簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，截面積A和慣性矩I按材料力學(xué)確定[20]。板結(jié)構(gòu)彈性模量根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)確定即可，但樁簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧獣r(shí)，抗彎剛度EI建議參照《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]確定，對(duì)于鋼筋混凝土樁，EI=0.8EcI，其中，Ec為混凝土彈性模量，I為樁身截面慣性矩。

3.2 荷載等效

荷載通過(guò)等效節(jié)點(diǎn)力的形式施加到單元節(jié)點(diǎn)。等效節(jié)點(diǎn)力是根據(jù)功互等原理，將分布載荷轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)上所得到的載荷。對(duì)于均布荷載作用下樁板結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧?圖8)，每個(gè)單元在局部坐標(biāo)系下的等效節(jié)點(diǎn)力為

(10)

式中，p為水平方向均布荷載；q為豎直方向均布荷載；l為單元長(zhǎng)度。

圖8 均布荷載下梁?jiǎn)卧刃Ч?jié)點(diǎn)荷載

樁板結(jié)構(gòu)中需計(jì)算溫度變化引起的變形和內(nèi)力，混凝土徐變也借助溫度變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。樁板結(jié)構(gòu)溫度變化引起的應(yīng)力變形屬于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，也可采用等效節(jié)點(diǎn)荷載進(jìn)行計(jì)算[22]。溫度荷載內(nèi)力表達(dá)式如下

(11)

式中，E為單元彈性模量；A為單元截面積；αtemp為混凝土線膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

溫度引起的變形和內(nèi)力只考慮梁與板，桿單元可不予考慮。

3.3 計(jì)算流程

整個(gè)計(jì)算流程分為前處理、有限元計(jì)算和后處理，如圖9所示。前處理主要通過(guò)Java Swing模塊編制輸入界面，有限元計(jì)算采用Matlab軟件編制，后處理可輸出內(nèi)力圖和計(jì)算書等。

圖9 樁板結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算流程

有限元計(jì)算部分流程為[17]：(1)建立計(jì)算模型(結(jié)構(gòu)離散化、劃分單元、節(jié)點(diǎn)編號(hào)等)；(2)計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧墓?jié)點(diǎn)力列陣；(3)形成整體剛度矩陣；(4)計(jì)算整體節(jié)點(diǎn)力；(5)引入位移邊界條件；(6)求解整體平衡方程；(7)回代求解單元內(nèi)力。

4 案例分析

下面采用樁板結(jié)構(gòu)V1.0與商業(yè)有限元軟件對(duì)典型案例的計(jì)算運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

假設(shè)淺埋式樁板結(jié)構(gòu)，板寬度15 m，板條縱向單幅長(zhǎng)5 m，板厚0.8 m。樁間距5 m，兩端懸挑2.5 m，共3根樁，樁長(zhǎng)15，8，3 m，樁徑0.8 m，樁底均為固支條件。

軌道結(jié)構(gòu)采用Ⅲ型板，軌道分布寬度b=3.1 m，軌道自重q1=13.7 kPa，列車荷載q2=40.4 kPa，線間距b0=5 m，線間荷載q0=2.3 kPa?；脖韺雍穸?.4 m，計(jì)算得到擴(kuò)散角為0°。水平荷載考慮搖擺力100 kN作用在整個(gè)板上，單幅作用力按25 kN計(jì)，分布區(qū)間[-4.05 m，-0.95 m]，分布力為8.1 kN/m。計(jì)算考慮徐變影響，通過(guò)設(shè)定板與樁溫度均下降15 ℃實(shí)現(xiàn)。樁與板均采用C35混凝土，彈性模量均為31.5 Pa。地層參數(shù)如表3所示。

表3 地層參數(shù)

計(jì)算時(shí)，樁與板單元網(wǎng)格長(zhǎng)度0.5 m，桿單元網(wǎng)格長(zhǎng)度1 m。

采用樁板結(jié)構(gòu)V1.0計(jì)算得到彎矩如圖10(a)所示。板上最大彎矩為535 kN·m，最小彎矩為-669.5 kN·m。樁上最大彎矩106.3 kN·m，最小彎矩-22.7 kN·m，其中，下緣纖維受拉、上緣纖維受壓時(shí)彎矩為正。采用商業(yè)有限元軟件計(jì)算的彎矩如圖10(b)所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用樁板結(jié)構(gòu)V1.0計(jì)算得到彎矩最大值、最小值及彎矩形態(tài)與商業(yè)軟件獲取值是一致的。

除內(nèi)力外，采用樁板結(jié)構(gòu)V1.0計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)位移也與商業(yè)軟件獲取的位移存在較好的吻合，見表4，說(shuō)明樁板結(jié)構(gòu)V1.0有限元算法是正確的。

圖10 彎矩對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)路基工程中常用的樁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、荷載擴(kuò)散模式、有限元計(jì)算方法進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

(1)借助溫克爾彈性地基梁理論，樁板結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為二維梁-桿框架結(jié)構(gòu)，便于有限元計(jì)算。

(2)針對(duì)路基基床結(jié)構(gòu)與樁板結(jié)構(gòu)組成的“上軟下硬”雙層地基結(jié)構(gòu)體系，面荷載作用下，分界面會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，路基荷載擴(kuò)散至樁板結(jié)構(gòu)上的擴(kuò)散角與深寬比存在一定關(guān)系，整體上位于0～30°范圍內(nèi)。研究彌補(bǔ)了現(xiàn)行路基規(guī)范中對(duì)樁板結(jié)構(gòu)荷載規(guī)定過(guò)于模糊的問(wèn)題。

表4 代表性節(jié)點(diǎn)位移比較

(3)構(gòu)建了有限元理論框架下的梁、桿單元?jiǎng)偠染仃嚺c溫度等效荷載，自主編制了樁板結(jié)構(gòu)V1.0結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。對(duì)比商業(yè)有限元軟件與自編軟件的計(jì)算結(jié)果，顯示兩者具有良好的吻合性，樁板結(jié)構(gòu)V1.0可服務(wù)于工程設(shè)計(jì)優(yōu)化。

實(shí)踐證明，自編樁板結(jié)構(gòu)V1.0軟件可高效應(yīng)用于鐵路設(shè)計(jì)中，但也存在一定不足。當(dāng)前梁?jiǎn)卧圆捎贸Ｓ玫腅uler梁，由于樁板結(jié)構(gòu)跨度較小，采用考慮剪切變形的Timoshenko梁更為合適。同時(shí)，隨著異形結(jié)構(gòu)的發(fā)展，樁板結(jié)構(gòu)中樁排列方式并不完全規(guī)則對(duì)稱，簡(jiǎn)化為二維框架結(jié)構(gòu)存在誤差較大問(wèn)題，三維樁板結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的實(shí)現(xiàn)也迫在眉睫。