鐵路路基樁筏基礎承載力與沉降特性研究

陳 斌

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

為確保鐵路安全穩(wěn)定運行，路基沉降控制設計重點已由樁基轉變?yōu)闃斗そY構。樁筏結構因具有適應性強、抗沖擊能力強等優(yōu)點，已被廣泛應用到各個類型的基礎建設項目中。樁筏基礎的受力沉降分析是目前樁筏基礎設計中的難點和熱點問題。然而，計算樁-土復合地基筏板的受力值缺乏合理的公式，且計算結果與實際結果往往存在較大偏差，不能為路基承載力分析提供準確參考。

針對此問題，陳洪運等[1]提出構建鐵路路基樁筏基礎沉降計算模型，將鐵路路基樁筏基礎簡化為多跨連續(xù)簡支彈性地基梁模型，求解樁土荷載分擔，基于已有研究成果與彈性疊加原理，獲得群樁中的樁、土剛度，進而分析出鐵路路基樁筏基礎承載力與沉降特性。鄭仁川等[2]在計算樁筏基礎沉降時考慮到時間因素的影響，基于已有的明德林-蓋德斯解，引入Koppejan蠕變模型，分析不同時刻樁筏基礎的沉降特性。

本文基于以上研究成果，結合工程實際，推導鐵路路基中樁筏結構的承載力和沉降特性，并將求解結果與現(xiàn)場實測資料和其他計算方法得到的結果進行對比，結果表明，此次研究的計算結果準確性高，可滿足實際應用的需求。

1 試驗對象及試驗目的

現(xiàn)場試驗可以獲得鐵路工程研究的第一手資料，其結果說服力強。因此，本文以試驗點為例研究樁筏基礎的承載力和沉降特性。

本試驗點位于大橋的兩個主體橋柱之間，該區(qū)域地勢較平坦、地形開闊，土體預壓高3.5 m，屬分層填筑型路基。為準確分析鐵路路基樁筏基礎的承載沉降特性，在鐵路試驗過程中，需要埋置相關儀器，對現(xiàn)場試驗進行長期監(jiān)測。鐵路路基樁筏測試剖面圖如圖1所示。

2 試驗方案

為保證分析的準確性，在試驗區(qū)域埋設單點沉降儀，利用該儀器了解樁筏的壓縮變形情況以及沉降變形的特征。將該儀器安裝到樁底，其他儀器安裝在樁頂。沉降變形儀器布置示意如圖2所示。

為精確獲取觀測點的沉降值，采用單點沉降儀和液位沉降儀同時聯(lián)合監(jiān)測的方法。單點沉降儀如圖3所示。

根據(jù)圖3，單點沉降儀的安裝程序如下：

(1) 在測點處鉆孔，為保證鉆孔垂直，在鉆孔結束后用鉛錘檢查。

(2) 檢測實際孔深，將沉降板、測桿、加長桿緩慢插入已鉆好的孔中，重復工作過程，直至錨頭觸及孔底，并記錄到達的長度。

(3) 在第一節(jié)測桿上安裝接頭和電測位移傳感器，根據(jù)總測桿下端長度判斷實際孔深，并記錄深度。

(4) 注漿。在單點沉降儀安裝完畢后，為避免塌孔，在孔底注漿1～2 h后，用砂子回填鉆孔，并在注漿前清除鉆孔附近的松散土，以防鉆孔發(fā)生堵塞。灌砂過程應緩慢進行，至距沉降盤10 cm左右停止。

(5) 零位調整。在單點沉降儀完成第一次壓實后進行零位調整，以保證初始讀數(shù)的準確性。在此基礎上，在樁頂與樁間的土體表面布置壓力箱，以監(jiān)測樁頂與樁間土體的壓力值[3]。

壓力箱的量程是2 MPa，實際安裝過程如下：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場試驗方案確定測點的位置。

(2) 挖埋坑時，對設有導管的坑，按壓力、大小，在定位處用鏟挖，將導管放置在其中，并挖去碎石土。

(3) 將壓力箱安裝到其中。埋設前在埋設地區(qū)底部鋪設并找平細砂，在找平后放置壓力箱，保證壓力箱水平。放置完成后，用細砂將壓力箱全部覆蓋，并用土壓實埋坑。

(4) 保護導線及測量點，在全部壓力箱安裝完畢后，記錄壓力箱編號。確定觀察箱的位置，把截面上的土壓試驗線依次穿入放置在導線槽內的鋼絲軟管中，并將測頭全部引入觀察箱。

(5) 埋設鋼絲軟管，先用細砂全部埋設，再用土料將鋼絲槽均勻填平壓實[4]。

3 試驗儀器

3.1 液位沉降計

為長期監(jiān)測不同位置樁頂和樁間土體的沉降，在采用單點沉降儀的前提下，采用連通式液位沉降儀(靈敏度為0.01 mm，測量范圍為100 mm)監(jiān)測基樁和監(jiān)測點之間的位移情況。液位沉降儀示意如圖4所示[5]。

3.2 遠距離自動監(jiān)測系統(tǒng)

為改進現(xiàn)場監(jiān)測技術、減少后期分析的工作量，采用遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)采集沉降儀與壓力箱等的實時數(shù)據(jù)[6]。

4 建立樁筏結構分析模型

4.1 基本假定

在鐵路上，樁筏的寬度較大，可達30 m左右，縱向伸長。因此，樁筏結構受外界影響較小，在計算中可忽略不計。以位于中心的樁筏結構為主要受力計算內容，筏板受力變形情況示意如圖5所示。

為便于求解問題，對基于實際工程建立的模型做基本假設具體步驟如下。

(1) 選取Reissner-Mindlin厚板理論作為筏板單元模型。

(2) 選擇Winkler(文克爾)地基模型作為計算模型。

(3) 設計作用在單元結構中的荷載為均勻分布的荷載。

4.2 荷載作用下的筏板求解

通過上述過程獲得初始的測量數(shù)據(jù)，在此基礎上建立分析模型，以進一步得出樁筏的基礎承載力與沉降特性。在建立模型的過程中，分析樁筏的上部結構、樁土體系以及筏板結構，并采用子結構分析法分析筏板的上部結構，使其剛度集中于分界點，得到上部結構的控制方程[7]，其表達式見式(1)。

(1)

針對Reissner-Mindlin厚板理論中的基本方程，將位移函數(shù)引入，見式(2)。

(2)

式中，F(xiàn)、Ψ分別代表求解函數(shù)；q為外力作用參數(shù)；D代表筏板的彈性模量參數(shù)；υ為筏板的泊松比計算參數(shù)。

在此基礎上，建立平板的控制方程，依據(jù)該方程推導單元剛度矩陣與平板剛度矩陣，見式(3)。

[KP]{W}={SB}+{W}-{SPS}

(3)

式中，[KP]代表筏板的剛度矩陣；W代表位移參數(shù)；{SB}表征建筑頂部的載荷參數(shù)；{SPS}表示支承的反力參數(shù)。

同時，利用剪切法推導樁-土體系間的相互作用，得出樁-土體系的剛度矩陣和樁-土體系的控制方程[8]，如式(4)所示。

(4)

分析樁筏基礎與地基土的共同作用[9-11]，選擇Winkler地基模型作為計算模型。

Winkler地基模型假定地基中的任意一點所受的壓力強度P與該點的地基沉降成正比，見式(5)。

P=k·S

(5)

式中，比例常數(shù)k為基床系數(shù)，表示產生單位變形所需的壓力強度；S為樁基最終沉降量。

按分層總和法計算S，如式(6)所示。

(6)

式中，j為節(jié)點對應矩陣的荷載分塊數(shù)；m為基床載荷參數(shù)最大值。

為保證計算的準確性，需要保證樁筏的筏板只與地基直接接觸。

根據(jù)接觸點位移條件對方程耦合處理，表達式如式(7)所示。

([KB]+[KP]+[KPS]){W}=
{SB}+{W}-{RPX}

(7)

式中，[KPS]為樁-土體系剛度矩陣的表征；[KB]表示樁筏上部結構的剛度矩陣；[RPX]表示樁-土體系剛度矩陣的反作用力參數(shù)。

獲得共同作用結果后，必須分析每一層土層的壓縮模量，才能確定每一層加載后的壓縮變形量，進而得出更準確的分析結果。一般情況下，土體的壓縮模量隨深度的增加而增大，但計算與實際情況有很大差別，因此需要在計算中引入沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，以提高結果的可靠性，縮小修正系數(shù)的取值范圍。修正公式如式(8)所示。

(8)

式中，β代表計算參數(shù)；z代表土層的深度；h0代表計算過程中的參考深度；Es,0.1-0.2代表壓力在0.1～0.2 MPa下的壓縮模量。

利用上述試驗方案和試驗儀器，監(jiān)測鐵路路基樁筏基礎承載力及沉降特性。

5 沉降測試結果分析

5.1 樁筏基礎承載力分析

分析在不同荷載下樁筏基礎的承載性能，得到不同荷載下樁筏基礎承載力分析，如圖6所示。

由圖6可知，樁筏的受力強度比逐漸增加，在樁間土受到充分壓縮的情況下，樁端的承載力得到了充分發(fā)揮，同時樁端的堅硬持力層也開始起到支承的作用，荷載開始向樁體轉移，從而使樁土應力比增加。

5.2 樁身應力分析

分析樁筏樁身的應力情況，樁身應力分布曲線如圖7所示。

分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，當樁筏受不同大小的荷載作用時，樁體受力曲線基本呈直線，說明低荷載下的樁體受力分布比較均勻。在40、60、80、100 kPa的荷載下，應力曲線是逐漸彎曲的，而深度則呈線性增加的趨勢。

5.3 樁土應力比分析

樁土應力比荷載水平變化曲線如圖8所示。通過分析圖8可發(fā)現(xiàn)，荷載逐漸增加后，樁體承擔了樁筏的大部分荷載，應力比隨荷載不斷變化，并呈逐漸增加的趨勢。

5.4 樁筏沉降特性分析

分析樁筏在不同時間的沉降特性，不同時間下樁筏沉降結果如圖9所示。

從圖9可知，在鐵路建設過程中，樁筏沉降量與時間呈正比，即樁筏沉降隨著附加應力的增大而逐漸增大，且在附加應力穩(wěn)定后，樁筏基礎的變形情況逐漸穩(wěn)定。

6 方法驗證

前文完成了承載力與沉降特性的研究，為進一步驗證所研究方法的有效性，做進一步對比，對比內容如下。

首先對樁頂軸力進行對比，樁頂軸力對比結果如圖10所示。

由圖10可知，本次采用的研究方法獲得的承載力測量結果與實際測量結果相差較小，相對誤差可控制在100 kN以內，而陳洪運等[1]計算方法的測量結果與實際測量值相差較大，最多相差了300 kN，可見在計算樁頂軸力方面，本文提出的方法精度更高。

在此基礎上，對比樁筏的沉降情況，樁筏沉降情況對比結果如圖11所示：

由圖11可知，實際樁筏地基樁頂沉降約為36 mm，通過本文方法計算得到的沉降量與實際沉降量相差約為4 mm，而陳洪運等[1]的方法計算的沉降量與實際沉降量相差約為10 mm。

綜上可知，本文提出的研究方法可以較精確地計算出樁筏軸力和沉降特性，滿足實際設計需求。

7 結語

本次研究采用現(xiàn)場試驗與模擬計算相結合的方法分析承載力與沉降特性。試驗對比結果表明此研究方法不僅能夠分析出在不同荷載下樁筏的基礎承載力情況，還能分析出施加荷載后樁筏的位移情況，具有可行性，可供相關領域的類似工程參考。

然而，由于各個工程的地質情況不同，在實際計算時還需要結合實際情況，更準確地分析樁筏的情況，提高鐵路路基的基礎承載力。