深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁沉降規(guī)律及修正等代墩基法計(jì)算沉降＊

任文峰 王星華 涂 鵬

（中南大學(xué)土木建筑學(xué)院1） 長沙 410075） （中交路橋建設(shè)有限公司2） 北京 100027）

0 引 言

高速鐵路橋梁樁基設(shè)計(jì)時(shí)以沉降控制為主，樁長的確定與傳統(tǒng)以承載力控制為主有較大不同.上海、蘇州地區(qū)地處長江沖積平原，地勢(shì)較低，地表水豐富，廣泛分布淤泥質(zhì)土，軟土強(qiáng)度低，在此地基基礎(chǔ)上修筑高速鐵路的經(jīng)驗(yàn)較少.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁沉降工后沉降進(jìn)行了大量研究，關(guān)于群樁的沉降計(jì)算方法主要有等代墩基法、修正等代墩基法、彈性理論法、等效作用分層總和法、有限元法、原位測(cè)試估算法及其他簡(jiǎn)化和經(jīng)驗(yàn)方法等［1－4］，但在深厚軟土地區(qū)橋梁的工后沉降研究較少.冷伍明等在分析高速鐵路橋梁沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預(yù)測(cè)方法［5］，吳鵬、龔維明等提出剛性承臺(tái)群樁沉降簡(jiǎn)化計(jì)算方法［6］，趙春彥、鄭國勇等提出軟土中單樁長期工后沉降的預(yù)測(cè)模型［7］，劉金礪、邱明兵分析了軟土中群樁承載變形特征與并提出減沉復(fù)合疏樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法［8］，陳仁朋、凌道盛等通過分析軟土中群樁基礎(chǔ)中應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律，提出基于樁周土體壓縮模量的橋梁沉降計(jì)算方法［9］.但是，上述研究對(duì)深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁工后沉降的計(jì)算均存在過程復(fù)雜、結(jié)果離散性偏大等缺點(diǎn).

文中以京滬高鐵丹陽至昆山特大橋昆山東橋段為研究對(duì)象，通過沉降變形觀測(cè)及理論分析，尋求軟土地區(qū)高速鐵路橋梁沉降的一般規(guī)律，并通過理論分析對(duì)等代墩基法計(jì)算橋梁沉降進(jìn)行修正，為深厚軟土地區(qū)高速鐵路合理樁長的確定及橋梁基礎(chǔ)沉降預(yù)測(cè)提供一定的依據(jù).

1 工程概況

京滬高鐵昆山東橋段橫穿江蘇昆山市，西臨蘇州工業(yè)園區(qū)，東接上海嘉定區(qū).該區(qū)段屬濱海沖擊性平原，地勢(shì)低平，湖澡洼塘密布，多為村莊、苗圃、河流、池塘.管段內(nèi)村道交錯(cuò)，區(qū)內(nèi)地層均為第四系地層覆蓋，系江河、湖泊、海相沉積形成，為黏土、粉質(zhì)黏土夾粉細(xì)砂層，廣泛分布淤泥質(zhì)土，軟土強(qiáng)度低，地表以下3m左右即為淤泥質(zhì)粘土和砂性土，地下水位較高.

本段全部采用高架橋通過，施工里程為DK1269＋238～DK1273＋551.橋梁基礎(chǔ)全部采用摩擦樁，樁徑根據(jù)不同跨徑及地質(zhì)條件有1.0，1.25，1.5m3種，樁長30～78m.采用雙柱墩及矩形實(shí)體墩，墩身高度7.5～15.5m，橋跨布置主要為24m和32m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁.

在施工過程中對(duì)全橋每個(gè)墩位均進(jìn)行了沉降觀測(cè).為便于分析，選取有代表性地質(zhì)條件275～279號(hào)墩位進(jìn)行分析，各墩墩身高度為12m，承臺(tái)長、寬、高分別為10.5，6.8和2m，承臺(tái)埋深20cm，樁徑1.0m.以275號(hào)墩為例，其承臺(tái)下各土層地質(zhì)概況見表1（其他各墩地質(zhì)情況比較類似）.

表1 各墩承臺(tái)下地質(zhì)分層表

2 沉降觀測(cè)方法及結(jié)果

每個(gè)承臺(tái)設(shè)置2個(gè)觀測(cè)標(biāo)，觀測(cè)標(biāo)1設(shè)置于承臺(tái)左側(cè)小里程角上，觀測(cè)標(biāo)2設(shè)置于承臺(tái)右側(cè)大里程角上.每個(gè)墩身設(shè)置觀測(cè)標(biāo)2個(gè)，位于墩身兩側(cè)墩底高出地面1.0m左右位置.

沉降觀測(cè)按照國家二等水準(zhǔn)要求施測(cè)，按照固定的觀測(cè)路線和觀測(cè)方法進(jìn)行.觀測(cè)路線形成復(fù)合線路，使用固定的工作基點(diǎn)對(duì)應(yīng)沉降變形觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè).測(cè)量儀器為一臺(tái)天寶DINI型電子水準(zhǔn)儀（0.3mm級(jí)），一臺(tái)徠卡DNA03型水準(zhǔn)儀（0.3mm級(jí)）.觀測(cè)成果的重測(cè)和取舍按《國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB／T 12897－2006）有關(guān)要求執(zhí)行.

每個(gè)墩臺(tái)從承臺(tái)澆注完畢后便進(jìn)行該墩臺(tái)首次觀測(cè)，墩身澆筑、拆模后第一時(shí)間進(jìn)行承臺(tái)、墩身轉(zhuǎn)標(biāo)測(cè)量.墩臺(tái)的沉降值為左右兩個(gè)沉降觀測(cè)標(biāo)沉降值的平均值.箱梁架設(shè)前及架設(shè)后6各月內(nèi)每周觀測(cè)一次，箱梁架設(shè)前后各觀測(cè)一次.各墩沉降觀測(cè)曲線見圖1～5.

圖1 275＃墩沉降曲線

圖2 276＃墩沉降曲線

圖3 277＃墩沉降曲線

圖4 278＃墩沉降曲線

3 沉降計(jì)算

等代墩基法沉降計(jì)算方法與淺基礎(chǔ)的沉降計(jì)算方法相同［10－12］.等代墩基法的確定未考慮樁間土的壓縮變形對(duì)沉降的影響［13］.對(duì)于深厚軟土中的群樁，樁的主要受力為樁周摩阻力，樁端阻力在群樁全部反力中占的份額較少，因此需要針對(duì)深厚軟土中的群樁沉降計(jì)算方法進(jìn)行修正.

由于各墩在墩身施工完畢后至架梁有超過6個(gè)月的靜止時(shí)間，可以近似認(rèn)為架梁前樁基沉降量為承臺(tái)及墩身自重荷載下的總沉降量.架梁后的荷載按增加箱梁自重和通過的運(yùn)梁車及托運(yùn)的預(yù)制梁的自重計(jì)算.

圖5 279＃墩沉降曲線

3.1 計(jì)算總剪力

由于墩身承受豎向荷載時(shí)，承臺(tái)下周圍地基中存在總剪力

為了驗(yàn)證突出物間距對(duì)紗線牽引力的影響，進(jìn)行了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)。在紗線上等間距固定3個(gè)直徑為2mm的球狀顆粒，如圖7所示。

當(dāng)外荷載F小于總剪力T時(shí)，群樁樁長范圍外的周圍土體和樁間土是一個(gè)整體，外荷載N并未破壞這個(gè)整體，群樁樁長范圍外的周圍土體同樣具備抵抗外荷載的能力，使樁基礎(chǔ)的沉降受到約束.因此，這種地基的沉降計(jì)算方法就是把樁的插入視如對(duì)樁長范圍內(nèi)的土體的加固，與樁間土體形成復(fù)合地基.基礎(chǔ)的最終沉降為樁與樁間土的壓縮量Sp和樁下土的壓縮量Ss之和，即復(fù)合地基模式.

當(dāng)外荷載F大于總剪力T時(shí)，沿基礎(chǔ)周圍深度方向的總抗剪力T抵抗不住荷載F的作用，基礎(chǔ)周邊土體會(huì)產(chǎn)生較大的剪切變形，此刻群樁樁長范圍外的周圍土體和群樁長度范圍內(nèi)的樁間土體的整體受到破壞，群樁樁長范圍外的周圍土體仍有殘余抵抗力在抵抗樁基礎(chǔ)的下沉，這個(gè)抵抗力的合力即為總抗剪力T.在這種情況下樁基礎(chǔ)可以看作時(shí)實(shí)體深基礎(chǔ)，這種計(jì)算模式稱為等代實(shí)體深基礎(chǔ)模式.

3.2 SP的計(jì)算

對(duì)于本工程，經(jīng)計(jì)算，各墩的外荷載F遠(yuǎn)小于總剪力T，因此采用復(fù)合地基模式計(jì)算基礎(chǔ)最終沉降量

式中：l為樁長；n為樁長；Ep，Ap為樁的彈性模量和截面積.

3.3 SS的計(jì)算

樁尖平面以下土層的壓縮量Ss仍按分層總和法計(jì)算

式中：σzi為第i層土中的平均豎向附加應(yīng)力.

3.4 豎向附加應(yīng)力計(jì)算

受壓土層厚度從樁尖平面算起，附加應(yīng)力從承臺(tái)底面算起，承臺(tái)底面附加應(yīng)力為

計(jì)算時(shí)，壓縮層厚度取樁尖平面下豎向附加應(yīng)力等于0.1倍的自重應(yīng)力處，壓縮模量采用地基土在自重應(yīng)力加附加應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的模量.各墩基礎(chǔ)沉降的計(jì)算過程不再累述，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 各墩基礎(chǔ)沉降量

4 觀測(cè)結(jié)果與沉降計(jì)算分析

4.1 架梁前沉降分析

由現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間－沉降觀測(cè)曲線可知，各墩觀測(cè)時(shí)間均超過12個(gè)月，其中275＃墩的觀測(cè)時(shí)間最長為420d，各墩架梁后的觀測(cè)時(shí)間為140d，觀測(cè)次數(shù)均為20次.各墩在架梁前有7～9個(gè)月的靜止期，基礎(chǔ)沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，本工程中各橋墩的樁數(shù)、布置方式、承臺(tái)尺寸、墩身高度均一致，由于樁長和土體的差異，以及鉆孔灌注樁施工工藝不穩(wěn)定等原因，造成各墩沉降量觀測(cè)值有較大不同.架梁前，278＃墩沉降量為1.3mm，277＃及279＃墩的沉降量均為2.1mm，275＃墩雖然樁長最長，由于地質(zhì)條件較差，其沉降量卻最大，達(dá)到3.8mm，為278＃墩的2.9倍.架梁前，各墩最大差異沉降為2.5mm.

采用修正的等代墩基法計(jì)算橋梁基礎(chǔ)在承臺(tái)及墩身自重作用下的沉降值，由于樁周土質(zhì)性狀差異不大，樁長相近，各墩的沉降計(jì)算值基本相等.但由于實(shí)際觀測(cè)值差異較大，計(jì)算值為觀測(cè)值的0.9～2.6倍，絕對(duì)偏差為0.4～2.1mm.這是由于原位觀測(cè)時(shí)，施工、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件等影響樁基沉降的因素較多，個(gè)別因素的微小差異就會(huì)造成基礎(chǔ)沉降量差異較大.通過理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的比較，也驗(yàn)證了相同地質(zhì)條件、相同施工工藝條件下鉆孔灌注樁承載力的不確定性.

4.2 架梁后沉降分析

架梁時(shí)橋墩承受架橋機(jī)、預(yù)制箱梁及運(yùn)梁車的重量，此時(shí)橋墩承受的荷載為最大豎向荷載.架梁后，后架方向的箱梁需通過已經(jīng)架設(shè)好的箱梁，橋墩不但承受預(yù)制箱梁的自重還有承受運(yùn)梁車及所托運(yùn)箱梁的重量.由于架梁作用時(shí)間較短且有震動(dòng)，不易觀測(cè)基礎(chǔ)沉降，圖中觀測(cè)數(shù)值為架梁作業(yè)完成后的沉降.經(jīng)計(jì)算，架梁后的總荷載（21 930kN）為架梁前承臺(tái)及墩身自重荷載（8 130kN）的2.7倍.從觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，架梁后各墩均出現(xiàn)突變沉降，總沉降量比架梁前增大42%～162%，沉降量的增量和荷載的增量并不成正比，沉降量介于3.2～5.6mm之間.架梁前沉降量觀測(cè)值較小的278＃墩的沉降量較其他墩大，累計(jì)沉降量為3.6mm，大于沉降量最小的279＃墩.隨著觀測(cè)時(shí)間變長，各墩均出現(xiàn)反彈，總沉降量小幅減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，這由于架梁時(shí)荷載最大樁周土體的超空隙水壓力最大，土體的瞬間壓縮較大，隨著荷載的減小空隙水壓力釋放，橋墩基礎(chǔ)小幅上升.從各墩的時(shí)間沉降關(guān)系可以分析，架梁后3個(gè)月墩身沉降均已收斂，達(dá)到無砟軌道施工要求.

采用修正的等代實(shí)體墩基法計(jì)算所得的基礎(chǔ)沉降量遠(yuǎn)大于實(shí)際觀測(cè)量，各墩計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值在1.6～2.8之間.由此可以看出，理論計(jì)算值和實(shí)際沉降情況仍有較大差異.確定墩身沉降量仍需要以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為重要依據(jù).架梁后各墩理論計(jì)算最大累計(jì)沉降量為9.7mm，實(shí)際觀測(cè)最大累計(jì)沉降量為5.6mm，均小于《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》中規(guī)定的15mm，各墩樁長還有優(yōu)化的空間.

4.3 影響橋梁沉降的因素

4.3.1 樁基施工對(duì)沉降的影響 按照《鐵路橋梁施工技術(shù)指南》的要求，樁基直徑不小于設(shè)計(jì)直徑，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，實(shí)際樁徑均大于設(shè)計(jì)樁徑；樁基和樁周土體的接觸面因土層的變化出現(xiàn)鋸齒或犬牙狀，和設(shè)計(jì)假想的圓滑面差異較大；樁基施工采用反循環(huán)鉆孔灌筑法，由于采用高密度的鋼筋混凝土取代低密度的土體，樁基混凝土澆筑過程及完成后對(duì)樁側(cè)及樁下土體均有壓縮，擠密樁周及樁下土體.以上各因素均導(dǎo)致實(shí)際沉降值小于計(jì)算值.

4.3.2 承臺(tái)施工對(duì)沉降的影響 橋梁基礎(chǔ)的沉降觀測(cè)是從承臺(tái)施工完畢后開始的，承臺(tái)施工時(shí)自重荷載逐漸增大，基礎(chǔ)發(fā)生小幅沉降，此時(shí)的沉降在沉降觀測(cè)時(shí)是沒有觀測(cè)到的.此因素將導(dǎo)致觀測(cè)值小于實(shí)際總沉降量.

4.3.3 計(jì)算方法對(duì)理論沉降量的影響.修正的等代墩基法計(jì)算時(shí)，將沉降量分為樁與樁間土的壓縮量和樁下土壓縮量兩部分.在計(jì)算樁下土體的壓縮量時(shí)，壓縮模量采用地基土在自重應(yīng)力加附件應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的模量.為準(zhǔn)確計(jì)算不同荷載下的樁下土體壓縮量，必須取不同土層的原狀土試驗(yàn)測(cè)到不同應(yīng)力下的壓縮模量繪制應(yīng)力－壓縮模量曲線，或者通過應(yīng)力－空隙率曲線計(jì)算樁下壓縮量.室內(nèi)試驗(yàn)得到的不同應(yīng)力下的壓縮模量或孔隙率與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際往往有較大出入.表1中提供的各土層的壓縮模量是在應(yīng)力較小的情況下得到的，因此荷載較小時(shí)，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值偏差較小，應(yīng)力較大時(shí)，偏差值較大.壓縮模量的偏差是造成計(jì)算值與實(shí)際觀測(cè)值偏差較大的主要原因之一.

5 結(jié) 論

1）通過對(duì)京滬高鐵深厚軟土地區(qū)橋梁沉降觀測(cè)和理論計(jì)算的研究和分析得出，架梁及運(yùn)梁車通過期間，墩頂荷載及墩身最大值沉降發(fā)生在架梁作業(yè)時(shí)，架梁作業(yè)后，墩身沉降有小幅回彈.架梁后3個(gè)月內(nèi)，橋梁基礎(chǔ)沉降均已收斂，達(dá)到無砟軌道施工要求.

2）樁基的施工工藝、承臺(tái)的觀測(cè)時(shí)間等因素對(duì)橋梁基礎(chǔ)的實(shí)際沉降量有較大影響；土體壓縮模量試驗(yàn)的準(zhǔn)確度對(duì)計(jì)算樁基沉降計(jì)算結(jié)果有較大影響.

3）由于影響橋梁群樁沉降的因素較多，修正的等代墩基法未能考慮全部因素的影響，計(jì)算所得的沉降值和實(shí)際觀測(cè)值仍然有偏差，確定橋梁基礎(chǔ)沉降量仍需要以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為重要參考依據(jù).計(jì)算深厚軟土地區(qū)橋梁沉降的方法仍需要進(jìn)一步研究.

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