承壓水降壓引起的高速鐵路橋梁摩擦型群樁沉降特性分析

張超

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043

線下工程基礎(chǔ)的工后沉降控制是高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。我國(guó)東南沿海地區(qū)軟土分布廣泛［1］，該區(qū)域高速鐵路上部結(jié)構(gòu)建成后，工后沉降不僅量值大而且作用時(shí)間長(zhǎng)。為嚴(yán)格控制線下工程工后沉降和不均勻沉降，路基和橋梁段幾乎都采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行地基處理。高速鐵路建成運(yùn)營(yíng)后，其周邊由于開(kāi)發(fā)建設(shè)不可避免地會(huì)引起地下水位的變化，降水（特別是承壓水）對(duì)橋墩的承載力和沉降有著不可忽視的影響，可能引起局部線下工程產(chǎn)生超出設(shè)計(jì)預(yù)期的附加沉降。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)潛水水位下降后的樁基沉降、受力等問(wèn)題進(jìn)行了較多研究。呂恒林等［2］建立了底部含水層疏排水固結(jié)引起上覆土沉降情況下的端部嵌固長(zhǎng)樁的受力模型，給出了樁的負(fù)摩阻力與各影響因素的理論關(guān)系。陳書華［3］通過(guò)實(shí)例計(jì)算分析了由于降水在潛水水位以上樁身周圍引起的負(fù)摩擦力和樁底土體的附加壓縮。陳天文等［4］通過(guò)有限元模擬對(duì)降水引起的低承臺(tái)群樁沉降特性展開(kāi)了分析。部分學(xué)者［5-9］通過(guò)理論推導(dǎo)提出了不同的可以考慮地下水位變化的樁基沉降計(jì)算模型。但目前關(guān)于承壓水降壓對(duì)樁基影響的研究卻鮮有報(bào)道，與降水引起的潛水水位變化不同，承壓水降壓會(huì)使承壓水層土體孔隙水壓力下降，從而增大土體的有效應(yīng)力，導(dǎo)致土體的壓縮性改變。

本文以滬寧城際鐵路一座特大橋摩擦型群樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬等手段，對(duì)承壓水降壓引起的土層壓縮性變化規(guī)律、群樁基礎(chǔ)沉降及受力特征展開(kāi)研究。

1 工程概況

該橋一橋墩墩高3.7 m，承臺(tái)厚度為2.0 m，承臺(tái)尺寸為6.3 m×8.4 m，單墩共有8根直徑為1.0 m的摩擦樁（圖1）。本文將樁長(zhǎng)取為59.0 m，樁基類型為鉆孔灌注樁。角樁編號(hào)為1#、3#、6#、8#，邊樁編號(hào)為2#、7#，中心樁編號(hào)為4#、5#。

圖1 群樁基礎(chǔ)平面布置（單位：mm）

樁基穿越地層自上而下依次為：①黏土、②2粉土、②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土、③2粉土、④1淤泥質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粉土、⑥1粉質(zhì)黏土，各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其中③2粉土層和⑥粉土層為承壓水層。本文主要關(guān)注深部⑥粉土層承壓水水頭變化對(duì)樁基的影響。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 承壓水降壓對(duì)土體壓縮性的影響

為了真實(shí)反映承壓水層降壓導(dǎo)致的土體壓縮性變化，首先通過(guò)三軸排水固結(jié)試驗(yàn)獲得不同孔隙水壓力下降條件下土體的壓縮性變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)對(duì)承壓水水頭變化下摩擦型群樁基礎(chǔ)的附加沉降進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)方案

采用英國(guó)WF全自動(dòng)三軸系統(tǒng)對(duì)⑥粉土層土體壓縮性進(jìn)行研究。該系統(tǒng)由反壓系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、三軸室及反力架組成。采用多層濕搗法將土樣制備成直徑50 mm、長(zhǎng)100 mm的圓柱形試件。將試件放入橡皮膜內(nèi)并將反壓上帽與試件上部連接，確保接觸良好后，進(jìn)行三軸室充水并反復(fù)調(diào)試反壓和圍壓電磁閥，確定其運(yùn)轉(zhuǎn)正常。⑥粉土層作為承壓水層，其層頂埋深為-45.4 m，承壓水水位為-2.8 m，可知作用于該層土體的總應(yīng)力為904 kPa，取其起始孔隙水壓力為420 kPa，為達(dá)到三軸試驗(yàn)中目標(biāo)孔隙水壓力，試驗(yàn)中目標(biāo)圍壓取450 kPa。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

土體孔隙水壓力下降30、50、70、90 kPa時(shí)土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖2?？芍?，孔隙水壓力下降使土體的壓縮性發(fā)生變化，土體的最大偏主應(yīng)力隨之遞增。

圖2 不同孔隙水壓力下降值時(shí)土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為比較不同孔隙水壓力下降值時(shí)土體變形模量，可取偏主應(yīng)力從0變化到1/3或1/2峰值這段應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)抨P(guān)系曲線的割線斜率作為土的變形模量代表值，稱為平均變形模量E［10］，見(jiàn)圖3。

圖3 平均變形模量示意

為獲得土體的彈性模量，根據(jù)現(xiàn)有的變形模量推導(dǎo)壓縮模量，變形模量E0與壓縮模量ES的關(guān)系為

式中：v為泊松比；K0為側(cè)壓力系數(shù)。

由于試驗(yàn)土體為粉土，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取K0=0.33。土體的彈性模量Er與ES的關(guān)系為

根據(jù)式（1）、式（2）可建立不同孔隙水壓力下降值時(shí)土體的平均變形模量、壓縮模量以及彈性模量的關(guān)系。土體彈性模量與孔隙水壓力下降值的關(guān)系見(jiàn)圖4。可知，土體彈性模量隨著孔隙水壓力下降（承壓水水頭降低）百分比的增大而不斷增大。

圖4 彈性模量變化與孔隙水壓力下降百分比的關(guān)系

對(duì)圖4中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得

式中：Er0為初始彈性模量，MPa；Δu為孔隙水壓力下降量，kPa。

由式（3）可知，在圍壓為450 kPa和初始孔隙水壓力為420 kPa條件下，飽和粉土的彈性模量增長(zhǎng)倍數(shù)與孔隙水壓力下降百分比基本呈指數(shù)遞增關(guān)系。

3 承壓水降壓對(duì)群樁沉降特性的影響

3.1 有限元模型建立

采用PLAXIS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立三維有限元模型（圖5），尺寸為40 m×40 m×60 m。

圖5 計(jì)算模型

承臺(tái)用板單元模擬，樁基采用Embedded樁模擬，材料均為線彈性材料，彈性模量為30 GPa，重度為24 kN/m3；土層采用Mohr-Coulomb材料模擬，計(jì)算參數(shù)參見(jiàn)表1。模型中墩頂設(shè)計(jì)作用力10 515 kN，墩身重力1 443 kN，作用于承臺(tái)的均布荷載為217 kPa。模型底部約束豎向及兩個(gè)水平方向位移，各側(cè)面約束兩個(gè)水平方向位移。在模型計(jì)算中假定承壓水層上下均有絕對(duì)隔水層，只考慮承壓水層的水頭下降，不考慮地下水越流補(bǔ)給的影響。運(yùn)用式（3）可得⑥粉土層在不同水頭降深時(shí)的彈性模量，見(jiàn)表2。

表2 有限元模擬方案

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 承壓水降壓對(duì)樁基沉降的影響

為研究承壓水降壓對(duì)群樁沉降的影響，首先計(jì)算降壓前的樁基沉降（上部力學(xué)荷載引起的沉降），再進(jìn)一步計(jì)算承壓水降壓后的樁基總沉降，其中承壓水層水頭降深取為5 m，兩者對(duì)比見(jiàn)圖6?？芍诹W(xué)荷載作用下模擬所得角樁、邊樁和中心樁的樁頂沉降相差不大，上部承臺(tái)沉降為10.8 mm。由現(xiàn)場(chǎng)施工單位提供的承臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，橋梁施工完成后承臺(tái)實(shí)測(cè)沉降量約為12.0 mm。兩者相差不大，可知所建立的有限元模型可以較好地預(yù)測(cè)高速鐵路橋梁摩擦型群樁沉降。與承壓水降壓前相比，承壓水降壓后樁基出現(xiàn)了明顯的附加沉降，以角樁為例，承壓水降壓后樁頂沉降為20.8 mm，約為承壓水降壓前的2倍。這主要是因?yàn)槌袎核畬佑捎诔袎核^的下降而導(dǎo)致的壓縮變形，雖然本算例樁基因完全穿越承壓水層不會(huì)與承壓水層土體共同沉降，但是由于負(fù)摩阻力的作用使樁基產(chǎn)生附加沉降，在設(shè)計(jì)中應(yīng)妥善考慮。

圖6 承壓水降壓前后樁基沉降對(duì)比

3.2.2 承壓水降壓對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響

根據(jù)圖6中樁基沉降數(shù)據(jù)進(jìn)一步獲得樁側(cè)摩阻力沿深度的分布特征，以角樁為例，所得結(jié)果見(jiàn)圖7?？芍诔袎核祲呵皹痘两荡笥跇吨芡脸两?，因此其樁側(cè)摩阻力為向上的正摩阻力，但承壓水水頭的下降對(duì)樁基沉降和樁周土沉降產(chǎn)生一定影響，進(jìn)一步導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力改變。與承壓水降壓前相比，承壓水降壓后樁基在-42.0 m附近出現(xiàn)負(fù)向側(cè)摩阻力，且均在-45.4 m處達(dá)到最大負(fù)摩阻力，隨后側(cè)摩阻力向正向發(fā)展，其中-45.4 m處為深層承壓水層頂板處。這主要是因?yàn)槌袎核^的下降導(dǎo)致深層承壓含水層壓縮變形，在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)樁土相對(duì)位移為負(fù)的情況，說(shuō)明在壓縮過(guò)程中樁周土對(duì)樁基產(chǎn)生下拉作用（負(fù)摩阻力作用）。

圖7 承壓水降壓前后角樁樁側(cè)摩阻力對(duì)比

對(duì)比承壓水降壓引起的角樁、邊樁和中心樁的樁側(cè)摩阻力（圖8）可知，承壓水降壓引起的樁側(cè)摩阻力在-48.0 m處近似為0，以上為負(fù)，以下為正，即在-48.0 m處樁土相對(duì)位移均約為0。因此可將該點(diǎn)定義為中性點(diǎn)，可得角樁、邊樁和中心樁中性點(diǎn)位置相差不大。此外，雖然角樁、邊樁和中心樁在-45.4 m處負(fù)摩阻力均達(dá)到最大值，但總的來(lái)說(shuō)承壓水降壓對(duì)角樁樁側(cè)摩阻力的影響最大，邊樁次之，中心樁最小。這主要是因?yàn)檫厴妒芙菢兜南拗?，而中心樁同時(shí)受角樁和邊樁的限制。

圖8 承壓水降壓引起的樁側(cè)摩阻力

3.2.3 承壓水降壓對(duì)樁身軸力的影響

在承壓水水頭下降過(guò)程中各樁的樁身軸力隨之改變，承壓水降壓前后角樁樁身軸力沿深度分布對(duì)比見(jiàn)圖9?？芍?，承壓水降壓導(dǎo)致樁身軸力出現(xiàn)明顯增大，并在負(fù)向側(cè)摩阻力范圍出現(xiàn)突變并達(dá)到極值，此范圍內(nèi)樁身軸力極值位置為承壓水水頭下降過(guò)程中樁基的中性點(diǎn)。

圖9 承壓水降壓前后角樁樁身軸力分布對(duì)比

承壓水降壓引起的角樁、邊樁和中心樁的附加軸力見(jiàn)圖10?？芍?，承壓水降壓對(duì)角樁、邊樁和中心樁的樁頂軸力的影響與上文分析結(jié)果有一定區(qū)別，邊樁和中心樁樁頂軸力均有所增大，而角樁則相應(yīng)減小。這主要是因?yàn)槿簶痘A(chǔ)中各樁樁頂軸力需要上部荷載保持平衡，與上部荷載相比，承壓水降壓引起的樁頂軸力變化很小，可忽略不計(jì)。以角樁為例，承壓水降壓前的樁頂軸力約為2 400 kN（參見(jiàn)圖9），而承壓水降壓導(dǎo)致的樁頂軸力變化量?jī)H約為-100 kN（見(jiàn)圖10）。此外，角樁、邊樁和中心樁因承壓水降壓導(dǎo)致的附加軸力均在中性點(diǎn)處達(dá)到最大值，其中角樁軸力值最大，邊樁次之，角樁最小。

圖10 承壓水降壓引起的樁身附加軸力

3.2.4 不同承壓水水頭降深下的樁基附加響應(yīng)

為進(jìn)一步研究不同承壓水水頭降深下的樁基響應(yīng)特征，計(jì)算了水頭降深為3、7、9 m時(shí)的樁基響應(yīng)，以角樁為例，其因承壓水降壓引起的樁土相對(duì)位移、樁側(cè)摩阻力和樁身軸力見(jiàn)圖11。

圖11 承壓水降壓前后樁基沉降對(duì)比

由圖11（a）可知：承壓水水頭下降過(guò)程中，角樁自樁頂至-48.0 m附近處樁土相對(duì)位移基本為負(fù)值，說(shuō)明在此范圍內(nèi)樁基的沉降增量小于樁周土沉降增量，且在-45.4 m處樁土相對(duì)位移達(dá)到負(fù)向最大值，在-45.4 m以下樁土相對(duì)位移逐漸增大向正向發(fā)展，并在-48.0 m處樁土相對(duì)位移為0，在-48.0 m以下樁土相對(duì)位移一直為正值，且承壓水水頭降深越大，承壓水降壓引起的樁土相對(duì)位移越明顯。由圖11（b）可知，角樁的側(cè)摩阻力隨著承壓水頭的下降而改變，主要體現(xiàn)于樁基在-42.0 m附近出現(xiàn)負(fù)向側(cè)摩阻力，且負(fù)向摩阻力隨著樁基埋深的增加逐漸增大，均在-45.4 m處達(dá)到最大負(fù)摩阻力，隨后側(cè)摩阻力向正向發(fā)展，以上現(xiàn)象隨承壓水水頭的下降愈加明顯。須注意的是，在-45.4 m處，雖然樁土相對(duì)位移隨著水頭降深的增大不斷增大，但其在承壓水水頭下降5 m時(shí)就已經(jīng)達(dá)到極限負(fù)摩阻力。相應(yīng)地，角樁樁身軸力也隨著水頭下降發(fā)生改變，除了上文圖10分析所述結(jié)論外，中性點(diǎn)位置并未隨著承壓水水頭的下降而變化，不同水頭降深所引起的樁身附加軸力均在中性點(diǎn)處達(dá)到最大值。

對(duì)承壓水降壓前后各樁在中性點(diǎn)處的樁身軸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。可知，在承壓水水頭下降9 m的情況下，樁基中性點(diǎn)處的樁身軸力為承壓水未降壓時(shí)的3.6～4.0倍，同時(shí)，角樁中性點(diǎn)處的樁身軸力增幅達(dá)1 532.62 kN，邊樁中性點(diǎn)處的樁身軸力增幅達(dá)1 273.46 kN，中心樁中性點(diǎn)處的樁身軸力增幅達(dá)892.56 kN，說(shuō)明在承壓水水頭下降過(guò)程中角樁受到的影響最大，其次是邊樁，中心樁受到的影響最小。

表3 不同承壓水水頭降深下中性點(diǎn)處樁身軸力對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1）飽和粉土彈性模量隨著承壓水水頭降深的增大而增大，土體的彈性模量增長(zhǎng)倍數(shù)與土體孔隙水壓力下降百分比呈指數(shù)遞增關(guān)系。

2）承壓水降壓對(duì)摩擦型群樁基礎(chǔ)有著不可忽視的影響，角樁所受影響最大，其次是邊樁，中心樁所受影響最小。

3）承壓水降壓使摩擦型群樁基礎(chǔ)出現(xiàn)了明顯的附加沉降，其主因是承壓水層由于孔隙水壓力的下降而導(dǎo)致的壓縮變形，承壓水水頭降深為5 m時(shí)，各樁承壓水降壓后的樁頂沉降約為承壓水降壓前的2倍。

4）承壓水降壓過(guò)程中群樁基礎(chǔ)各樁基均受到負(fù)摩阻力作用，且承壓水水頭降深越大，負(fù)向摩阻力的作用范圍越大，樁身附加軸力越大；承壓水水頭下降9 m時(shí)，樁基中性點(diǎn)處樁身軸力為承壓水未降壓時(shí)的3.6～4.0倍。