鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)沉降性狀與計(jì)算分析

張夫健

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，高速鐵路客運(yùn)專線不斷出現(xiàn)。為滿足高速列車運(yùn)營(yíng)安全和舒適要求，《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》對(duì)橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降限值做了嚴(yán)格要求，對(duì)軟土地基橋梁，沉降要求控制樁基設(shè)計(jì)。鐵路橋梁以群樁基礎(chǔ)為主，有必要分析群樁沉降的變形特性，展開對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降計(jì)算方法分析，選擇合理可行的計(jì)算方法，提高沉降計(jì)算的可靠度。

1 群樁沉降性狀［5］

在鐵路橋梁工程中，墩臺(tái)基礎(chǔ)以群樁基礎(chǔ)為主。在豎向荷載作用下，摩擦型群樁的沉降變形是樁、承臺(tái)、地基土之間相互影響的綜合結(jié)果，涉及承臺(tái)類型(高、低承臺(tái))、樁間距、成樁工藝、土的類別與性質(zhì)以及荷載大小等因素，各因素對(duì)沉降的影響程度也不同。群樁沉降S由樁間土壓縮變形Sj和樁端以下土的整體壓縮變形Sz組成。樁間土壓縮變形比Sj/S隨樁間距增大而增大，基底土整體壓縮變形比Sz/S隨樁間距增大而減小;對(duì)低樁承臺(tái)，樁間土壓縮變形比隨荷載增大而變小后趨于穩(wěn)定，而高樁承臺(tái)，則隨荷載增大由大變小，又由小變大。

2 群樁沉降計(jì)算方法

國內(nèi)外對(duì)群樁沉降的計(jì)算方法做了大量的研究，以下介紹目前常用的計(jì)算方法及特點(diǎn)。

2.1 《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］(TB10002.5—2005)推薦的方法

鐵路規(guī)范法將摩擦樁樁基視作實(shí)體基礎(chǔ)采用分層總和法計(jì)算沉降，該方法為等代墩基法的一種，不考慮樁間土的壓縮變形對(duì)沉降的影響，實(shí)體基礎(chǔ)底面設(shè)于樁端，群樁樁頂外圍按ˉφ/4向下擴(kuò)散與實(shí)體基礎(chǔ)底面相交的面積作為實(shí)體基礎(chǔ)底面積，地基壓縮層的計(jì)算深度，按深度Zn處向上Δz的土層壓縮量與總的壓縮量之比不大于0.025確定。圖1為計(jì)算圖示，計(jì)算公式為

鐵路規(guī)范法簡(jiǎn)單方便，沉降計(jì)算結(jié)果與群樁樁距、樁數(shù)、樁徑等關(guān)系不大，主要取決于樁群外圍尺寸。當(dāng)群樁樁中心距大于6倍樁徑時(shí)，樁的工作性狀接近于單樁，按單樁沉降計(jì)算方法確定。

2.2 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［3］(JGJ94—2008)推薦的方法

該規(guī)范規(guī)定，對(duì)樁中心距不大于6倍樁徑的樁基，采用等效作用分層總和法計(jì)算沉降。等效作用面位于樁端平面，等效作用面積為樁承臺(tái)投影面積，等效作用面附加應(yīng)力取承臺(tái)底附加應(yīng)力，等效作用面以下的應(yīng)力分布按彈性半空間Boussinesq解確定，沉降計(jì)算深度按樁端平面下豎向附加應(yīng)力不大于0.2倍土的自重應(yīng)力確定。計(jì)算模式如圖2，樁基的最終沉降量公式為

圖1 鐵路規(guī)范法計(jì)算

圖2 建筑樁基技術(shù)規(guī)范法計(jì)算

上述沉降計(jì)算，將等效沉降系數(shù)ψe引入等代墩基法，考慮了群樁幾何特性各因素對(duì)沉降的影響。

2.3 《建筑 地 基 基 礎(chǔ) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》［4］(GB50007—2002)推薦的方法

該法為基于Mindlin應(yīng)力公式基礎(chǔ)上的單向壓縮分層總和法，用疊加法求得群樁荷載在地基中產(chǎn)生的應(yīng)力，然后再按分層總和法原理計(jì)算沉降，并乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。其公式為

該方法考慮了樁基中樁數(shù)、樁間距、不規(guī)則布樁等因素對(duì)沉降計(jì)算的影響，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)需根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定，給計(jì)算結(jié)果帶來一定誤差。

2.4 有限單元法

沉降數(shù)值分析計(jì)算以有限元法最為成熟，可以反映巖土材料的復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系，能夠考慮影響樁基工作性能的主要因素，如土的非線性、沉降的時(shí)效性、應(yīng)力歷程、樁與土之間的相互作用，并能考慮三維效應(yīng)。有限元對(duì)校核、改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)公式，解決工程實(shí)際問題，有著重要意義。

3 工后沉降

以上對(duì)群樁基礎(chǔ)的最終沉降(總沉降)進(jìn)行了分析，在實(shí)際工程中，更關(guān)心工后固結(jié)沉降。《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》［1］規(guī)定，墩臺(tái)基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按恒載計(jì)算，對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，橋梁墩臺(tái)工后均勻沉降量，對(duì)無砟橋面不大于20 mm，對(duì)有砟橋面不大于30 mm。

目前，試驗(yàn)研究中多采用太沙基一維固結(jié)理論計(jì)算工后沉降，并將該理論應(yīng)用于指導(dǎo)滿足工后沉降容許值的施工時(shí)間的分析。該方法理論性強(qiáng)，計(jì)算繁瑣復(fù)雜，且受施工方式及土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等因素影響，計(jì)算精度低，不適宜在設(shè)計(jì)階段對(duì)大量樁基工后沉降計(jì)算時(shí)采用。

目前設(shè)計(jì)中多采用經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算工后沉降，工后沉降Sgh可以表示為

式中 S——最終沉降(總沉降);

St——至鋪軌時(shí)產(chǎn)生的固結(jié)沉降。

要得到工后沉降，關(guān)鍵是求得鋪軌時(shí)的橋梁地基的固結(jié)沉降，即工前沉降。

楊敏等根據(jù)樁基的試驗(yàn)研究工程實(shí)踐以及均質(zhì)土層中群樁沉降的Puoots彈性理論解提出了計(jì)算工前沉降的半理論半經(jīng)驗(yàn)實(shí)用方法［7］，可將該方法應(yīng)用于橋梁群樁基礎(chǔ)工前沉降計(jì)算。該計(jì)算公式為

式中符號(hào)含義不再詳述。

4 算例

某客運(yùn)專線橋梁，無砟軌道，該墩墩高6.5 m，承臺(tái)長(zhǎng) 10.2 m，寬 4.9 m，承臺(tái)底面中心垂直荷載18 071 kN，場(chǎng)地各土層力學(xué)指標(biāo)見表1，樁基采用8根φ1.0 m的鉆孔灌注摩擦樁，行列式布置，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)49 m，如圖3所示。

圖3 樁基布置(單位:cm)

表1 各土層力學(xué)指標(biāo)

分別用鐵路橋規(guī)法、建筑樁基規(guī)范法、建筑地基規(guī)范法、基于Plaxis軟件的有限單元法對(duì)該墩進(jìn)行了樁基沉降計(jì)算。最終沉降計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 各種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，樁底土層的壓縮模量E0.1～0.2=3.5 MPa，屬中等壓縮性飽和黏土，鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)《橋涵地基和基礎(chǔ)》［6］提供的經(jīng)驗(yàn)估算，對(duì)于中壓縮性飽水黏性土，橋梁施工期間基礎(chǔ)所產(chǎn)生的沉降量為總沉降量的20%～40%。本橋墩樁基工前沉降按楊敏等提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值為5.6 mm，施工期間基礎(chǔ)完成的沉降量占總沉降量的26%，其結(jié)果是合理的。

計(jì)算結(jié)果顯示，各種計(jì)算方法的工后均勻沉降均滿足設(shè)計(jì)要求(即不大于20 mm)，以鐵路橋規(guī)法計(jì)算沉降值最大，采用鐵路橋規(guī)法是偏于安全的。

從算例實(shí)踐可以看出，影響樁基沉降計(jì)算誤差的因素是多方面的，主要有如下幾個(gè)主要因素:

不同計(jì)算方法采用的計(jì)算原理、基本假定不同，考慮的沉降影響因素也不同。

能否正確而合理選用土的壓縮模量、沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)(修正)系數(shù)等計(jì)算參數(shù)，影響沉降計(jì)算結(jié)果的可靠性?；A(chǔ)底面以下各土層的壓縮模量Esi，應(yīng)根據(jù)壓縮曲線按實(shí)際應(yīng)力范圍取值。

5 結(jié)束語

根據(jù)對(duì)不同樁基沉降計(jì)算方法的分析、比較，鐵路規(guī)范法考慮了群樁側(cè)面剪應(yīng)力的影響，計(jì)算模式和公式簡(jiǎn)單，在工程上具有較高實(shí)用性，采用鐵路規(guī)范法計(jì)算鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)總沉降是可以控制設(shè)計(jì)的。對(duì)鐵路規(guī)范法不能計(jì)算樁間土部分的沉降及樁基布置形式對(duì)沉降的影響，難以反映現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的實(shí)際情況，可合理運(yùn)用有限元等數(shù)值計(jì)算方法的成果，加強(qiáng)原位觀測(cè)等方面入手，進(jìn)行沉降評(píng)估分析。

［1］ TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］

［2］ TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［3］ JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］

［4］ GB 50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［5］ 趙明華．橋梁樁基計(jì)算與檢測(cè)［M］．北京:人民交通出版社，2000

［6］ 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院．橋涵地基和基礎(chǔ)［M］．北京:中國鐵道出版社，2002

［7］ 楊敏，張俊鋒．軟土地區(qū)樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算實(shí)用方法和公式［J］．建筑結(jié)構(gòu)，1998