高速鐵路大直徑樁基礎(chǔ)水平承載力機(jī)理研究

朱曉偉

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

截止到2019年年底，我國高速鐵路營業(yè)總里程達(dá)到3.5萬km，居世界第一［1］。在高速鐵路建設(shè)過程中，對于樁基礎(chǔ)的研究，以樁基礎(chǔ)模型試驗、有限元模擬分析和試樁工程等研究方式為主要研究手段［2－4］。高速鐵路樁基礎(chǔ)在高鐵列車運(yùn)行所造成的動荷載和循環(huán)荷載作用下，由于水平位移及樁側(cè)土體變化會導(dǎo)致水平承載能力發(fā)生變化。

在樁基礎(chǔ)水平承載力機(jī)理的研究方面，王小龍［5］等得出了鋼管樁在水平荷載作用下其最大彎矩點(diǎn)在樁身中部靠上位置，且隨著荷載的增加最大彎矩點(diǎn)向下移動的結(jié)論。張蕾［6］等分析了在水平荷載作用下擴(kuò)底樁的受力特性。國內(nèi)外在樁基礎(chǔ)水平承載力方面的研究能否應(yīng)用在高速鐵路的樁基礎(chǔ)工程中尚有待驗證［7］。

本文通過單樁水平承載力試驗，分析了大直徑PHC管樁和鉆孔灌注樁地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（m值）隨樁長的變化特性，給出了m值取值的推薦值，并借助基錨樁法的單樁水平承載力試驗，采用單向多循環(huán)加卸載法的加載方式，得出樁頂位移加載曲線。為了更進(jìn)一步分析樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的受力機(jī)理，通過有限元軟件對鉆孔灌注樁進(jìn)行模擬分析，研究樁身彎矩、剪力和樁側(cè)土抗力分布曲線隨樁長變化特性。

2 試驗驗證

（1）工程概況

本次主要對其中兩根PHC管樁（S1＃、S2＃）和兩根鉆孔灌注樁（S3＃、S4＃）試樁采用單樁水平靜荷載試驗法利用錨樁群進(jìn)行試驗，其最大水平位移不超過40 mm，參數(shù)見表1。巖性特征參數(shù)見表2。

表1 試樁、錨樁設(shè)計參數(shù)

表2 土層巖性參數(shù)

（2）試驗過程

單樁水平承載力試驗?zāi)康氖谴_定試樁的特征荷載與極限承載力特征值，可用于檢測工程樁的水平承載力，推定地基土系數(shù)的比例系數(shù)?？紤]到高速鐵路樁基礎(chǔ)橫向荷載多為動荷載和循環(huán)荷載的特性，特選用了單向多循環(huán)加載法。單向多循環(huán)加載法主要是模擬結(jié)構(gòu)的實際受力形式，但由于結(jié)構(gòu)物承受的實際荷載較為復(fù)雜，對于長期承受水平力的樁基礎(chǔ)常采用與單樁豎向抗壓靜載試驗相同的慢速維持荷載法。為縮短試驗時間，本次試樁采用較為快速的維持荷載法。

單向多循環(huán)加卸載法的加載分級荷載應(yīng)小于預(yù)估水平極限承載力或最大試驗荷載的1/10。每級荷載施加后，恒載4 min后可測讀水平位移，然后卸載至零，停2 min測讀殘余水平位移，至此完成一個加卸載循環(huán)。如此循環(huán)5次，完成一級荷載的位移觀測，當(dāng)水平位移超過40 mm時終止加載。

（3）基樁完整性檢測

采用多種檢測方法相結(jié)合的方式，分別對兩根PHC管樁（S1＃、S2＃）在試驗前、后采用低應(yīng)變反射波法和高應(yīng)變法檢測基樁完整性［8－9］；對兩根大直徑鉆孔灌注樁（S3＃、S4＃）在試驗前、后采用低應(yīng)變反射波法和聲波透射法檢測基樁完整性。其檢測結(jié)果為基樁完整性類別均為Ⅰ級，這樣就可以保證文中所使用的數(shù)據(jù)是在基樁完整的前提下所獲取的。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 m值特性分析

樁頂自由的單樁水平試驗得到的承載力和彎矩僅代表試樁條件下的情況，要得到符合實際工程樁嵌固條件下的受力特性，需要將試樁結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化［10］?？紤]到水平荷載－位移關(guān)系曲線的非線性且m值隨荷載及位移增加而減小，通過給出水平力－地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（H－m）的關(guān)系曲線和水平力作用點(diǎn)位移－地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（Y0－m）關(guān)系曲線，并按照設(shè)計給出的實際荷載或樁頂位移即可確定m值。樁基礎(chǔ)的（H－m）關(guān)系曲線如圖1～圖2所示，（Y0－m）關(guān)系曲線如圖3～圖4所示。

圖1 管樁H-m曲線

圖2 鉆孔灌注樁H-m曲線

圖3 管樁Y0-m曲線

圖4 鉆孔灌注樁Y0-m曲線

由圖1、圖2可知，相同級別的水平荷載作用下，鉆孔灌注樁m值會大很多，是管樁的3倍以上；且兩種樁基礎(chǔ)的m值變化趨勢均為隨著水平荷載的增加而降低，荷載增加到一定程度后，m值下降的幅度會越來越小，逐漸趨于定值。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要有兩個原因［11］：第一，m值本身是變量，隨荷載的變化而變化，其具體變化趨勢與水平力H和水平位移Y0相對比例有關(guān)，鉆孔灌注樁與PHC管樁在抗彎剛度上的差異導(dǎo)致兩種類型樁在同樣水平力作用下產(chǎn)生的水平位移不同；第二，試樁試驗采用單向多循環(huán)加卸載法，樁側(cè)土密度會隨試驗的進(jìn)行而更加密實，隨著土體彈塑性變形，m值逐漸變小并趨于穩(wěn)定。

試驗綜合考慮各種因素后得出m值，其中管樁m＝6 483 kPa/m2，灌注樁m＝12 850 kPa/m2，鉆孔灌注樁m值是同直徑管樁的2倍左右。根據(jù)工程項目具體情況和對水平位移的要求，可參考本試驗m值選用方法，合理選擇樁基類型。

3.2 特征值分析

水平承載力特征值參考《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）取設(shè)計樁頂標(biāo)高處水平位移6 mm時所對應(yīng)荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值，取3根試樁試驗結(jié)果的平均值為工程采用的水平承載力特征值。檢測結(jié)果見表3。

表3 單樁水平靜載試驗結(jié)果匯總

4 有限元模擬分析

4.1 模型建立

為了更加深入地研究高速鐵路樁基礎(chǔ)在樁長范圍內(nèi)彎矩、剪力、沿樁長范圍內(nèi)水平位移變化和樁側(cè)土抗力等方面的分布特性［12］，本文通過有限元分析軟件來模擬S3＃鉆孔灌注樁基礎(chǔ)在水平荷載下的受力狀態(tài)?？紤]樁體為圓形截面柔性樁，樁長L＝48 m，直徑d＝1 m，樁頂受單向多循環(huán)分級水平荷載200 kN、300 kN、400 kN、500 kN、600 kN 和 700 kN。樁土摩擦因數(shù)取值為：tan（0.75φ）＝tan15°＝0.27。樁體混凝土采用線彈性模型模擬，土體為黏性土，模型總高度為80 m，選擇Mohr-coulomb模型模擬。土體及樁相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 有限元分析模型參數(shù)取值

邊界條件為模型底部三向位移及轉(zhuǎn)角均固定，外側(cè)只約束徑向位移，樁只約束徑向位移。網(wǎng)格劃分時，樁體和土體均采用C3D8R單元模擬，通過Visualization（可視化）模塊可觀察水平荷載施加后土體水平位移等值云圖。

通過有限元軟件模擬，得出S3＃試樁在各級水平力作用下的水平位移值，與實際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，擬合效果良好。

4.2 剪力和彎矩分析

對剪力和彎矩進(jìn)行分析有助于了解樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下內(nèi)部應(yīng)力分布情況，尤其是最大應(yīng)力分布位置。各級荷載下的剪力和彎矩分別如圖5～圖6所示。

圖5 各級荷載下沿樁長范圍剪力

圖6 各級荷載下沿樁長范圍彎矩

通過沿樁長范圍的彎矩和剪力曲線特性可知，剪力最小值點(diǎn)分布在樁頂向下6 m范圍內(nèi)，即l/8或6 d范圍內(nèi)；較大彎矩值的大部分?jǐn)?shù)據(jù)在12 m范圍內(nèi)，即l/4或12 d范圍內(nèi)。彎矩分布特性表現(xiàn)出最大值隨荷載增大而上移的趨勢。因此對于彎矩部分的驗算，應(yīng)當(dāng)對中上部分?jǐn)?shù)據(jù)多重視些。

對高速鐵路樁基礎(chǔ)在水平荷載下位移零點(diǎn)分布規(guī)律進(jìn)行驗證，沿樁長范圍單樁水平位移如圖7所示。通過對各級水平荷載沿樁長范圍位移分布曲線圖分析可知：因擬合樁樁長比較長，故水平位移主要分布在剪力數(shù)值較大的l/8或6 d范圍內(nèi)，在樁最底部位置發(fā)生了翹曲；位移零點(diǎn)在樁中部范圍內(nèi)。因此在研究樁身位移時，對于樁長較長的樁必須分析樁身下部位移。下部位移主要由三部分組成，即樁彈塑性變形、土體彈塑性變形和土體變形。

圖7 各級水平荷載下沿樁長范圍位移

4.3 樁側(cè)土抗力

對土橫向抗力分析時，在文克爾假定前提下，結(jié)合樁在各單元處水平位移，即可得出土體橫向抗力具體數(shù)值。在各級荷載下土體橫向抗力分布如圖8所示。

圖8 各級水平荷載下沿樁長范圍土體橫向抗力分布

樁側(cè)土抗力的分布與沿樁身樁體水平位移的分布相似，其最值主要分布在兩端，樁身中部有一定范圍與樁頂和樁底部方向相反的土抗力，這些數(shù)據(jù)的分布與小樁長樁側(cè)土抗力的分布不同，這也是高速鐵路樁基礎(chǔ)同其他工程樁基礎(chǔ)差異之處。

5 結(jié)束語

（1）通過采用單向多循環(huán)法的水平承載力試驗，從m值取值、回彈位移分布、樁長范圍內(nèi)彎矩分布、水平位移分布等角度，對高速鐵路大直徑PHC管樁和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)進(jìn)行對比分析，給出了基于經(jīng)濟(jì)性、安全性和施工合理性的工程樁基礎(chǔ)形式選擇建議。

（2）通過使用有限元分析軟件，構(gòu)建了高速鐵路大直徑鉆孔灌注樁在水平力作用下的受力模型，并通過對樁身位移、剪力、彎矩和樁側(cè)土抗力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合高速鐵路樁基礎(chǔ)受荷特征，得出沿樁長范圍內(nèi)水平位移和樁側(cè)土抗力在高速鐵路項目中的分布特性，給后續(xù)施工提供了有效的工程經(jīng)驗。

（3）高速鐵路樁基工程，考慮到樁身材料和性能特點(diǎn)，對水平荷載作用下承載機(jī)理進(jìn)行分析可知，土體變形是關(guān)鍵因素之一，應(yīng)在位移較大或易發(fā)生土體破壞的區(qū)域（自樁頂1/8樁長和自樁底1/4樁長范圍內(nèi)）對土體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以保證工程的安全性及耐久性。