軟土地區(qū)無碴軌道線路橋梁樁基礎(chǔ)沉降規(guī)律和預(yù)測(cè)分析

邵 烈，楊龍才，王炳龍

（同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804）

鐵路線路的高平順性是客運(yùn)專線列車高速、安全運(yùn)行，保證乘客舒適性的前提條件。高速鐵路無碴軌道對(duì)沉降的要求較普通鐵路更高?！缎陆〞r(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[1]指出：無碴軌道鋪設(shè)前，應(yīng)對(duì)橋涵、路基、隧道工程變形做系統(tǒng)評(píng)估，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)執(zhí)行客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估要求的相關(guān)規(guī)定?！犊瓦\(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》[2]（下文簡(jiǎn)稱《指南》）指出:無碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估的重點(diǎn)應(yīng)是線下工程的變形，評(píng)估應(yīng)綜合考慮沿線路方向各種結(jié)構(gòu)物間的變形關(guān)系。工程上通常的做法是對(duì)結(jié)構(gòu)物施工階段長期的沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，分析其沉降趨勢(shì)，進(jìn)而預(yù)測(cè)工后沉降值。這要求有大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析擬合的基礎(chǔ)，擬合結(jié)果才是可信的。

我國客運(yùn)專線建設(shè)相比于國外高速鐵路建設(shè)任務(wù)繁重、工期緊張。如我國的京滬高速鐵路總長度1 318 km，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，計(jì)劃工期4年時(shí)間。法國在1981年至2001年20年時(shí)間修建時(shí)速大于200 km的高速鐵路約1 600 km，包括TGU東南線、大西洋線、北方線和地中海線。地中海線Grenette預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋全長947 m，施工工期25個(gè)月；Garde-Adhemar大跨度系桿鋼拱橋全長325 m，施工工期28個(gè)月；Avignon Sud下式系桿鋼拱橋全長190 m，施工工期20個(gè)月。在線下工程沉降控制問題的處理上，國外高速鐵路建設(shè)工期長，施工節(jié)奏緩，允許地基基礎(chǔ)在合理的范圍內(nèi)固結(jié)沉降，從而達(dá)到減小工后沉降的目的。國內(nèi)高速鐵路任務(wù)重、工期緊，采取的是樁基礎(chǔ)、復(fù)合地基等提高地基基礎(chǔ)剛度，控制地基沉降。

因此，在緊急工期條件下，根據(jù)前期實(shí)測(cè)的沉降觀測(cè)值，合理分析結(jié)構(gòu)物的沉降量，精確預(yù)測(cè)工后沉降及最終沉降量，對(duì)我國鐵路客運(yùn)專線建設(shè)具有符合國情的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合華東地區(qū)某在建鐵路客運(yùn)專線線下工程沉降觀測(cè)與評(píng)估工程，針對(duì)某橋梁區(qū)段的沉降發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件及地基處理概況

某客運(yùn)專線橋址分布有沖湖積平原區(qū)、剝蝕丘陵區(qū)、崗地及湖沼積平原區(qū)，地層為：上部為灰色、灰黃色黏土、粉質(zhì)黏土，層厚0～4 m；淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，夾腐植質(zhì)及貝殼，層厚4～35 m不等；下部灰黃色粉質(zhì)黏土、粉土等，層厚10～20 m不等；局部地段分布有粉細(xì)砂、圓礫土、角礫土等。區(qū)內(nèi)河溝縱橫、水塘密布，地下水較發(fā)育；地下水為孔隙潛水，埋深為0.5～2.0 m，與地表水聯(lián)系密切。

橋梁的特殊結(jié)構(gòu)有大跨度的現(xiàn)澆連續(xù)梁、道岔連續(xù)梁和31.5 m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，總共196個(gè)橋墩。橋梁基礎(chǔ)采用樁徑φ1 m鉆孔樁，樁長從22.11 m到72.64 m不等，鉆孔樁的持力情況有三種：一是打穿軟弱土層進(jìn)入W2弱風(fēng)化巖層的嵌巖端承樁，二是打穿軟弱土層僅進(jìn)入W3強(qiáng)風(fēng)化或W4全風(fēng)化巖層的端承摩擦樁，三是未打穿軟弱土層的摩擦樁。

1.2 橋墩觀測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)橋墩均在承臺(tái)上設(shè)置2處觀測(cè)標(biāo)，在墩身上設(shè)置2處觀測(cè)標(biāo)，如圖1所示。承臺(tái)觀測(cè)標(biāo)為臨時(shí)觀測(cè)標(biāo)，當(dāng)墩身觀測(cè)標(biāo)正常使用后，承臺(tái)觀測(cè)標(biāo)隨基坑回填將不再使用。

2《指南》對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降評(píng)估的有關(guān)要求及解讀

《指南》（鐵建[2006]158號(hào)文）關(guān)于橋梁工后沉降預(yù)測(cè)評(píng)估要求主要有3條：

1）關(guān)于觀測(cè)時(shí)間的規(guī)定：橋梁主體工程完工后，沉降觀測(cè)期一般應(yīng)不少于6個(gè)月，巖石地基等良好地質(zhì)區(qū)段的橋梁，沉降觀測(cè)期應(yīng)不少于2個(gè)月，當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)不足或工后沉降不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長觀測(cè)期；

橋梁主體完工至無碴軌道鋪設(shè)前，沉降觀測(cè)時(shí)間應(yīng)滿足以下條件：

S（t）/S（t =∞ ）≥75%,S（t）為預(yù)測(cè)時(shí)的沉降觀測(cè)值；S（t =∞ ）為預(yù)測(cè)的最終沉降值。

2）關(guān)于曲線擬合的規(guī)定：曲線回歸相關(guān)系數(shù)應(yīng)不低于0.92，首次回歸分析時(shí)，觀測(cè)期不應(yīng)少于橋涵主體工程完工后3個(gè)月，對(duì)于巖石地基等良好地質(zhì)的橋涵，不應(yīng)少于1個(gè)月，利用兩次回歸結(jié)果預(yù)測(cè)最終沉降，其時(shí)間間隔一般不少于3個(gè)月，差值不應(yīng)大于8 mm；

3）處于巖石地基等良好地質(zhì)的橋涵，當(dāng)墩臺(tái)沉降趨于穩(wěn)定且設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)沉降總量不大于5 mm時(shí)，可判定滿足無碴軌道鋪設(shè)條件。

通過對(duì)《指南》的解讀，可以對(duì)指南提出的各類指標(biāo)進(jìn)行分類分析。首先沉降控制的根本指標(biāo)是工后沉降，指南中所有指標(biāo)都是為了保證工后沉降值不超限。其次圍繞這個(gè)根本指標(biāo)，可以分析出要求曲線回歸相關(guān)系數(shù)不低于0.92是為保證沉降變形趨勢(shì)是可靠的；要求兩次預(yù)測(cè)值差值不大于8 mm是為保證預(yù)測(cè)結(jié)果是可靠的，但在工期緊張的大環(huán)境下，在主體完工后鋪設(shè)無碴軌道前很難有4-6個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)提供2次預(yù)測(cè)，所以此項(xiàng)指標(biāo)在目前大環(huán)境下很難有實(shí)際意義；要求S（t）/S（t =∞ ）≥75%，S（t）/S（t =∞ ）越大，說明觀測(cè)期內(nèi)發(fā)生的沉降比例越大，后續(xù)沉降比例越小，從而評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)也越小。

再次，往外擴(kuò)延可以分析出觀測(cè)時(shí)間和觀測(cè)期次兩項(xiàng)指標(biāo)，雖然長期的觀測(cè)數(shù)據(jù)和足夠的觀測(cè)期次有利于保證曲線擬合的基礎(chǔ)是可靠的，但這只是必要條件，觀測(cè)數(shù)據(jù)的收斂性和可靠性才是關(guān)鍵，緊張工期下特別是后施工的工程節(jié)點(diǎn)很難保證主體完工后2-6個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，而且國內(nèi)高速鐵路沉降是以控制為主而非發(fā)展沉降的模式，所以在施工線上工程之前過長的觀測(cè)時(shí)間的工程意義相對(duì)于工期來說并不明顯。

3 實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)分析和沉降預(yù)測(cè)

在所有196個(gè)橋墩中，根據(jù)樁的持力層情況、上部橋梁結(jié)構(gòu)、主體完工時(shí)間情況、觀測(cè)時(shí)間開始情況選取了具有代表性的8個(gè)橋墩，橋墩的具體情況見表1、表2，對(duì)此8個(gè)橋墩進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)分析和沉降預(yù)測(cè)。

表1 橋墩情況表Tab.1 The statement of bridge piers

表2 土層性質(zhì)表Tab.2 The property of soillayer

3.1 端承樁實(shí)測(cè)沉降分析及評(píng)估

1#，2#橋墩的沉降時(shí)間曲線見圖2。1#，2#橋墩的沉降數(shù)據(jù)見表3。

表3 1#，2#橋墩沉降數(shù)據(jù)Tab.3 The settlement data of bridge piers 1#and 2#

由表2可見即使對(duì)于進(jìn)入W2灰?guī)r的嵌巖樁，設(shè)計(jì)提出的零沉降也是很難達(dá)到的。在嵌巖樁的施工過程中，孔底浮渣沉淀是難以避免的，橋涵施工規(guī)范對(duì)于端承樁樁底清孔的規(guī)定不超過5 cm。對(duì)于進(jìn)入良好巖石基礎(chǔ)嵌巖樁的沉降主要原因在于樁底浮渣。1#，2#沉降穩(wěn)定值分別為3.3，2.2 mm。

通過1#，2#的對(duì)比可以看出：兩橋墩在架梁前后在架梁荷載（架梁機(jī)504 T+運(yùn)梁車120 T+31.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁梁體900 T）下均發(fā)生了明顯的沉降，此沉降由施工荷載引起（遠(yuǎn)大于運(yùn)營期荷載），在墩身總沉降中所占比例大（50%以上），經(jīng)歷時(shí)間短（架梁后1到2周時(shí)間），之后沉降趨于穩(wěn)定，本文中定義該沉降為主沉降。1#在架梁前有4個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，架梁后至評(píng)估時(shí)有近6個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，2#在架梁前有5個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，架梁后至評(píng)估時(shí)有2個(gè)多月的觀測(cè)時(shí)間。由圖3和表2可見1#架梁后至評(píng)估前208天沉降增量為0.7 mm，2#架梁后至評(píng)估前78天沉降增量為1.3 mm，沉降增量多分布在架梁后的一個(gè)月內(nèi)，在橋梁主體完成一個(gè)月后沉降數(shù)值的特點(diǎn)是小沉降，小波動(dòng)。根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)“處于巖石地基等良好地質(zhì)的橋涵，當(dāng)墩臺(tái)沉降趨于穩(wěn)定且設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)沉降總量不大于5 mm時(shí)，可判定滿足無碴軌道鋪設(shè)條件”通過評(píng)估。此外，雖然2#架梁后至評(píng)估時(shí)雖然觀測(cè)時(shí)間較短，但1#線路里程至2#線路里程范圍類地質(zhì)情況相似，可以根據(jù)1#，2#已測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水平范圍內(nèi)類比比較，從而進(jìn)一步支持2#符合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。由圖3和表2可見評(píng)估后的后續(xù)觀測(cè)1#沉降增量為0.5 mm，2#沉降增量為0.1 mm，評(píng)估后的后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明上述結(jié)論。

通過上述分析，在緊張工期下，對(duì)于持力層條件良好的橋梁，在主體完工后1-2個(gè)月沉降數(shù)據(jù)穩(wěn)定收斂，可以合理判定符合評(píng)估條件，以進(jìn)行后續(xù)工程施工。過長評(píng)估觀測(cè)時(shí)間實(shí)際意義并不突出。但通過評(píng)估后應(yīng)繼續(xù)測(cè)量以驗(yàn)證評(píng)估結(jié)論。

3.2 端承摩擦樁實(shí)測(cè)沉降分析及評(píng)估

3#－6#橋墩的沉降時(shí)間曲線見圖3。3#－6#橋墩的沉降數(shù)據(jù)見表4。

表4 3#，4#，5#，6#橋墩橋墩沉降數(shù)據(jù)Tab.4 The settlement data of bridge piers 3#，4#，5#and 6#

3#－6#橋墩樁基打穿軟弱土層持力在5（2）W3泥質(zhì)粉砂巖，從受力上分析屬于端承摩擦樁。3#－6#沉降穩(wěn)定值分別為2.6，2.4，2.9，1.7 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值的8.0，7.4，13.7，10.6 mm。分析實(shí)際沉降量與設(shè)計(jì)沉降量相差較大原因在于：一方面設(shè)計(jì)單位出于安全考慮，對(duì)相關(guān)地質(zhì)條件、荷載情況及安全系數(shù)等計(jì)算參數(shù)取保守值，得出設(shè)計(jì)沉降量偏大；另一方面在施工過程中，施工單位為保證工程質(zhì)量盡可能地按較高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，使得實(shí)測(cè)沉降值較小。此外巖土自身特性的復(fù)雜性、目前沉降設(shè)計(jì)計(jì)算的理論與工程實(shí)踐的差距、施工過程中各種復(fù)雜因素都會(huì)導(dǎo)致沉降設(shè)置值和實(shí)際觀測(cè)值之間的不同。對(duì)于實(shí)際工程，主要以足夠的安全系數(shù)作為安全儲(chǔ)備。

比較圖3的3#－6#可以看出：橋墩在架梁前后在架梁荷載下均發(fā)生明顯的主沉降。3#－6#在架梁前分別有約3，7，7，4個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，架梁后至評(píng)估時(shí)分別有約9，2，2，2個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間。

由表4和圖3，通過3#與4#－6#之間的比較，可知主體工程完工前時(shí)間越長主體完工后沉降值所占比例越小，趨于穩(wěn)定的速率越快，這可部分歸結(jié)為鉆孔樁施工過程中樁間土受到擾動(dòng)，施工結(jié)束后在樁基和樁間土自重條件下重新壓實(shí)的結(jié)果，此外，根據(jù)復(fù)合地基理論，樁基可提供樁間土固結(jié)的排水通道，促進(jìn)固結(jié)作用，樁間軟土在樁土界面和樁間土自重條件下的孔隙水壓力進(jìn)一步消散，從而提高土的承載力，減小沉降量。主體完工后觀測(cè)時(shí)間的長短對(duì)沉降穩(wěn)定的貢獻(xiàn)不大，由表4中3#－6#的ΔS2可見在主體完工后2個(gè)月時(shí)沉降穩(wěn)定，沉降值體現(xiàn)“小沉降，小波動(dòng)”的特點(diǎn)。4#－6#以主體完工后2個(gè)月的數(shù)據(jù)判定通過評(píng)估，可以根據(jù)3#－6#已測(cè)數(shù)據(jù)做水平范圍內(nèi)類比比較，支持該判定。由表4各樁基評(píng)估后的后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)ΔS3進(jìn)一步證明上述結(jié)論。

由表4和圖3，通過4#－6#之間的比較，可見上部結(jié)構(gòu)的不同（預(yù)制箱梁、現(xiàn)澆連續(xù)梁、變寬道岔梁）在樁基進(jìn)入地層情況近似的條件下對(duì)實(shí)測(cè)沉降的影響不大。不同的是現(xiàn)澆連續(xù)梁和變寬道岔梁由于梁體荷載是逐步施加的，沉降時(shí)間曲線上主沉降表現(xiàn)的是暖和變化的過程，預(yù)制箱梁由于梁體荷載是突加的，沉降時(shí)間曲線上主沉降表現(xiàn)為突然變化的過程。

3.3 摩擦樁實(shí)測(cè)沉降分析及評(píng)估

7#，8#橋墩的沉降時(shí)間曲線、擬合曲線見圖4，7#，8#橋墩的沉降數(shù)據(jù)見表5。

表5 7#，8#橋墩沉降數(shù)據(jù)Tab.5 The settlement data of bridge piers 7#and 8#

7#，8#橋墩樁基未打穿軟弱土層持力在粉質(zhì)粘土，從受力上分析屬于摩擦樁。7#，8#沉降穩(wěn)定值分別為4.1，3.4 mm，預(yù)測(cè)沉降值分別為4.19，3.49 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值的11.5，8.1 mm。

比較圖4的7#，8#：在架梁前分別有約5，10個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，架梁后至評(píng)估時(shí)分別有約5，2個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間。7#橋墩在架梁前后在架梁荷載下發(fā)生明顯的主沉降，8#橋墩在架梁前后在架梁荷載下主沉降并不明顯。

通過表5和圖4的7#，8#的比較可以看出7#的沉降架梁前和架梁所占的比例相當(dāng)，8#的沉降主要發(fā)生在架梁前。原因部分歸結(jié)為鉆孔樁施工過程中樁間土受到擾動(dòng)，施工結(jié)束后在樁土界面和樁間土自重條件下應(yīng)力重新分布。8#樁基施工結(jié)束距架梁時(shí)間長，這一過程得以充分發(fā)展，從而在架梁前后沉降不明顯，而且在架梁后出現(xiàn)小數(shù)量級(jí)的彈性變形然后趨于穩(wěn)定。

根據(jù)評(píng)估時(shí)的數(shù)據(jù)分別對(duì)7#，8#進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)方法為固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法（三點(diǎn)法）。預(yù)測(cè)沉降分別為4.19，3.49 mm，評(píng)估后續(xù)測(cè)量值分別為4.1，3.4 mm，由表5中7#，8#的ΔS4可驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果可信。

8#由于工期原因難滿足《指南》關(guān)于“橋涵主體工程完工后，沉降觀測(cè)期一般應(yīng)不少于6個(gè)月”的要求，但通過上述分析，對(duì)于軟土地基中摩擦樁施工后觀測(cè)時(shí)間久（至少10個(gè)月）的條件下，主體完工后觀測(cè)滿2個(gè)月且沉降穩(wěn)定，是可以判定通過評(píng)估的。通過7#，8#之間的對(duì)比證明該判定是安全的。

4 結(jié)論

1）即使對(duì)于進(jìn)入W2巖石的端承樁，設(shè)計(jì)提出的零沉降也是很難達(dá)到的，橋梁主體施工時(shí)發(fā)生主沉降，主體完成后一個(gè)月左右能迅速沉降穩(wěn)定，總的沉降量較??；

2）對(duì)于未進(jìn)入巖層的摩擦樁，樁基礎(chǔ)施工會(huì)對(duì)周圍土發(fā)生擾動(dòng)，之后擾動(dòng)土在樁和自重作用下重新壓實(shí)，這個(gè)過程伴隨著樁和樁間土的沉降；此外，在施工橋梁主體時(shí)會(huì)發(fā)生主沉降。樁基施工時(shí)間的早晚對(duì)架梁時(shí)主沉降和架梁前后的沉降發(fā)展有較大影響，樁基礎(chǔ)盡早施工對(duì)于減小橋梁主體完工后沉降量和加快沉降穩(wěn)定過程有利；

3）端承摩擦樁的沉降特性介于端承樁和摩擦樁之間，上部不同構(gòu)造的橋梁主體對(duì)沉降影響不大，但樁基礎(chǔ)施工早晚對(duì)架梁時(shí)主沉降和架梁前后的沉降發(fā)展有較大影響；

4）《指南》要求對(duì)于巖石地基等良好地質(zhì)區(qū)段的橋梁沉降預(yù)測(cè)，沉降觀測(cè)期應(yīng)不小于2個(gè)月，經(jīng)分析，在緊張工期當(dāng)有合理的依據(jù)時(shí)可以建議壓縮到1個(gè)月。樁基礎(chǔ)的盡早施工有利于沉降的發(fā)展控制；

5）緊張工期下，對(duì)于持力層在軟土上的橋梁，后期施工的橋梁主體往往很難滿足6個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間，這種情況，對(duì)施工進(jìn)度全局掌控，軟土地基樁基先行施工，加快樁間土擾動(dòng)后重新自壓實(shí)，往往能夠在橋梁主體施工前已沉降充分發(fā)展，主體完工后2-3個(gè)月沉降收斂，也可進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

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