西北地區(qū)濕陷黃土對(duì)高鐵橋梁樁基影響及沉降計(jì)算

王 碩

（北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000）

1 概述

高速鐵路線路沉降一直是困擾新建線路投入運(yùn)營(yíng)以后的重大問(wèn)題，對(duì)于高速鐵路線路來(lái)講，雖然橋梁工程相比于路基工程從控制線路沉降的層面講有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性，但是對(duì)于任何土木工程結(jié)構(gòu)物來(lái)講，在使用期間結(jié)構(gòu)物在自重及荷載的作用下會(huì)出現(xiàn)沉降問(wèn)題，特別是對(duì)于黃土地區(qū)的鐵路線路而言，橋梁樁基礎(chǔ)在鋪軌時(shí)刻起的工后沉降也同樣會(huì)影響到高速鐵路線路的平順性及運(yùn)營(yíng)安全，所以對(duì)于高速鐵路線路整體建設(shè)的優(yōu)劣，樁基礎(chǔ)工后沉降控制效果有著直接而顯著的影響。

由于現(xiàn)存關(guān)于樁基礎(chǔ)沉降理論的計(jì)算還不十分完備，另外由于計(jì)算參數(shù)很難進(jìn)行準(zhǔn)確的選取，所以導(dǎo)致樁基礎(chǔ)在實(shí)際受載環(huán)境下的沉降值與理論計(jì)算值吻合度不夠好，尤其對(duì)于濕陷性黃土地區(qū)的橋梁樁基礎(chǔ)來(lái)講，目前為止在基礎(chǔ)工程理論上并沒(méi)有一套完整實(shí)用的計(jì)算方法，現(xiàn)行的鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范也只是根據(jù)橋梁樁基礎(chǔ)出現(xiàn)的工后沉降給出一定的控制規(guī)定。而橋梁樁基礎(chǔ)的沉降實(shí)際上是墩臺(tái)、基礎(chǔ)及樁周地基土相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果，也是土木工程領(lǐng)域中樁土相互作用的研究重點(diǎn)，其理論研究在一定程度上是落后于實(shí)際應(yīng)用的。

文章以徐蘭高速鐵路寶蘭段渭河區(qū)沿線的某橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)樁基礎(chǔ)浸水試驗(yàn)作為研究的基礎(chǔ)，對(duì)濕陷黃土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)浸水所產(chǎn)生的附加沉降進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上分析產(chǎn)生橋梁樁基礎(chǔ)沉降的各種因素，得到相應(yīng)的橋梁樁基工后沉降計(jì)算方法，進(jìn)而提出有效的控制橋梁工后沉降的建議及措施。

2 樁基礎(chǔ)附加沉降的試驗(yàn)分析

對(duì)位于寶蘭段渭河區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行浸水試驗(yàn)，并考慮材料蠕變的影響。其試驗(yàn)過(guò)程為：①將橋梁樁基礎(chǔ)加載至設(shè)計(jì)載荷；②保持樁身承受設(shè)計(jì)載荷值不變的情況下，對(duì)樁基礎(chǔ)周身的黃土進(jìn)行持續(xù)注水，待樁周土體飽和度超過(guò)85%以上且通過(guò)儀器觀測(cè)到試驗(yàn)坑內(nèi)地面標(biāo)注點(diǎn)連續(xù)5d的下沉量不大于1mm/d時(shí)停止注水；③保持設(shè)計(jì)載荷值不變使樁基礎(chǔ)周身的土體再次固結(jié)沉降直至穩(wěn)定；④再次浸水，對(duì)試驗(yàn)樁基礎(chǔ)進(jìn)行分級(jí)加載直至發(fā)生破壞。試驗(yàn)過(guò)程中隨著分級(jí)加載值的變化觀測(cè)：浸水前沉降量；浸水后樁端沉降、樁自身的壓縮以及樁身蠕變量值見(jiàn)表1。

表1 橋梁樁基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)分析可得：

1）實(shí)際測(cè)得的單根樁基礎(chǔ)浸后附加沉降值是浸前樁基礎(chǔ)沉降值的3-4倍。說(shuō)明橋梁樁基礎(chǔ)的工后沉降大于基礎(chǔ)的工前沉降。

2）樁基礎(chǔ)的浸水試驗(yàn)與樁周土體性質(zhì)具有緊密的關(guān)系，對(duì)比密實(shí)砂土地區(qū)的高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)沉降相關(guān)數(shù)據(jù)，可知濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路樁基礎(chǔ)的樁端沉降及浸水后的附加沉降均高于地處密實(shí)砂土地區(qū)的樁基礎(chǔ)沉降量。

3）在三根試驗(yàn)樁基礎(chǔ)上，浸水后所產(chǎn)生的樁身壓縮及蠕變變形占浸后總沉降的50%～56%，說(shuō)明樁基礎(chǔ)自身所產(chǎn)生的壓縮及由于材料性質(zhì)產(chǎn)生的蠕變是浸水后附加沉降變形的主要形式，是不能忽略的主要影響因素。

3 樁基礎(chǔ)工后沉降的組成

依據(jù)上述試驗(yàn)分析所得出的分析結(jié)果，并且考慮在鐵路橋梁施工中，當(dāng)梁上進(jìn)行鐵路線路鋪軌的一刻起，橋梁樁基礎(chǔ)底面的下臥層逐漸被壓縮，進(jìn)而由于固結(jié)作用使土體產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，由于此時(shí)軌道結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生的恒載已幾乎全部作用到了地基上，且高速列車(chē)相比較普通客貨列車(chē)來(lái)說(shuō)，車(chē)體輕量化其軸重較小，行駛速度快，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由高速動(dòng)車(chē)組所產(chǎn)生的動(dòng)活載對(duì)土體所引起的固結(jié)作用較弱，相應(yīng)的沉降量較小。對(duì)寶蘭段高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行的動(dòng)力載荷試驗(yàn)研究也充分證實(shí)了這一點(diǎn)，即不會(huì)發(fā)生樁基礎(chǔ)沉降的積累變形。故而，高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)的工后沉降可以按照鋪軌時(shí)刻起在恒載作用下對(duì)基底產(chǎn)生的土體固結(jié)沉降量來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并考慮樁身壓縮以及蠕變影響，即：

Sg=Sd+Sy+Sr

式中：Sg——工后的沉降量；

Sd——樁端沉降量；

Sy——樁身壓縮量；

Sr——樁身蠕變量。

4 樁基礎(chǔ)工后沉降相關(guān)各因素的計(jì)算

4.1 樁基礎(chǔ)端部沉降

樁基礎(chǔ)端部沉降計(jì)算時(shí)僅考慮了浸水后樁側(cè)的阻力及端阻增加量所引起的附加應(yīng)力增大，故而產(chǎn)生的沉降值，在樁端沉降計(jì)算中采用Mindlin-Geddes附加應(yīng)力法，在豎向集中力F作用于半無(wú)限體內(nèi)部距離地面深度處，依據(jù)Mindlin-Geddes方法可以得到半無(wú)限體內(nèi)任一點(diǎn)的豎向應(yīng)力σz為

式中：

μ——土體的泊松比；

z——計(jì)算點(diǎn)距離地面的豎向距離；

c——理論計(jì)算點(diǎn)處距集中荷載作用點(diǎn)處在水平方向上的距離。

通過(guò)上述計(jì)算得到地基土的附加應(yīng)力后，可得樁端沉降

式中：

σzi——第i層地基土的附加應(yīng)力；

Ei——土的壓縮模量。

4.2 樁基礎(chǔ)的壓縮

假定橋梁樁身各節(jié)段的壓縮變形量值為，則樁基礎(chǔ)的總壓縮量為

式中：

n——樁身的節(jié)段數(shù)；

εi，εi+1——某節(jié)段樁身處及相鄰節(jié)段樁身處測(cè)得的應(yīng)變值。

4.3 樁基礎(chǔ)的蠕變變形

對(duì)于橋梁樁基的蠕變值，由于影響其形成的因素較多，變化較大，所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為離散，所以不易對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生的蠕變進(jìn)行精確計(jì)算。較為可靠的辦法是運(yùn)用同一批次的混凝土制作試件，直接對(duì)其進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)及測(cè)量，或者運(yùn)用短期的測(cè)量數(shù)據(jù)推算長(zhǎng)期的蠕變值。

假定樁基混凝土在應(yīng)力σ（t0）作用下，至齡期t時(shí)的總應(yīng)變?yōu)?εcσ(t,t0)，由起始應(yīng)變 εci(t0)和蠕變 εcc(t,t0),兩部分組成：

式中：

t0—荷載作用時(shí)混凝土的齡期；

t0-—計(jì)算所需應(yīng)變的齡期；

Ec（t0)-齡期為t0時(shí)混凝土彈性模量值。

單位應(yīng)力作用下混凝土蠕變值即為蠕變度或單位蠕變：

單位應(yīng)力作用下的極限蠕變值受到各種因素的影響而在很大的范圍內(nèi)進(jìn)行變化：

假定試驗(yàn)中測(cè)得的樁身上任意深度處相鄰兩點(diǎn)的軸力值分別為 F1（z）、F2（z），則樁基礎(chǔ)的蠕變值為：

式中：

φr—為樁基礎(chǔ)蠕變影響因數(shù)；

C（8 ，t0）—為單位蠕變值；

A—為樁基礎(chǔ)的橫截面面積。

5 改善樁基礎(chǔ)工后沉降的有效措施

由于西北地區(qū)特有的黃土濕陷性質(zhì)，高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)的工后沉降量主要由樁端沉降量、樁身壓縮量以及樁身蠕變量等三部分量值組成。對(duì)于高速鐵路線路行車(chē)高平順性要求，工后沉降量應(yīng)該做到零工后沉降值的標(biāo)準(zhǔn)，但按照以往的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于橋梁樁基礎(chǔ)而言，設(shè)計(jì)及施工中往往可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的承載力要求，但是其樁基礎(chǔ)的沉降量卻不一定滿(mǎn)足要求。因此在高速鐵路橋梁的實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，通常需要采用預(yù)加荷載等措施，并保持一定的時(shí)間，通過(guò)對(duì)整個(gè)橋梁主體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)量橋梁樁基礎(chǔ)的沉降量，當(dāng)橋梁完成大部分沉降滿(mǎn)足相關(guān)要求后再進(jìn)行后續(xù)的鐵路軌道的鋪設(shè)工作。再者由于黃土自身的濕陷特性，對(duì)于高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)工后沉降的控制中，首先應(yīng)當(dāng)建立起完善且規(guī)范的工后沉降科學(xué)評(píng)價(jià)制度，整體性地研究各個(gè)因素對(duì)工后沉降的影響，由此制定出相應(yīng)的控制方法，形成系統(tǒng)的管理評(píng)價(jià)體系。其次采用科學(xué)有效的地基處理方法，合理的地基處理方法是解決工后樁端沉降控制的關(guān)鍵方法，通過(guò)沿樁側(cè)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行注漿處理可有效的降低樁基礎(chǔ)的沉降值，并且由于注漿液在土體中具有一定的劈裂擴(kuò)大作用，使得樁基礎(chǔ)的應(yīng)力得到一定的放散，可以有效的控制基礎(chǔ)的沉降量。最后應(yīng)當(dāng)安排高速鐵路橋梁合理的施工工序以求在工期允許的范圍內(nèi)保證橋梁必要的預(yù)壓時(shí)間，可有效降低橋梁樁基礎(chǔ)的工后沉降。