鐵路橋梁根式挖井基礎(chǔ)橋墩的水平承載特性研究

李濤 陳興沖 王義 魯錦華 張熙胤 丁明波

摘要：根式基礎(chǔ)作為一種新型變截面結(jié)構(gòu)形式，已被證明對于提高沉井基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)的豎向及橫向承載力有明顯影響，但其對挖井基礎(chǔ)抗震性能的改善作用尚不明確。為明確根鍵對挖井基礎(chǔ)橋墩承載力特征的影響，對一鐵路根式挖井基礎(chǔ)橋墩進(jìn)行擬靜力試驗，研究其滯回曲線與骨架曲線特性，通過建立符合試驗的有限元模型，討論不同根鍵參數(shù)對挖井基礎(chǔ)橋墩耗能能力及承載力的影響。結(jié)果表明根鍵的存在充分帶動了周圍土體的參與度，可大大提高挖井基礎(chǔ)橋墩的承載力，且隨著墩頂位移荷載的增加承載力呈非線性增加。試驗及數(shù)值模擬均表明：根式挖井基礎(chǔ)的破壞主要是由基礎(chǔ)周圍的土體失效引起的，基礎(chǔ)自身并未發(fā)生損壞;增加根鍵的長度可以明顯提高根式挖井基礎(chǔ)橋墩的承載能力與耗能能力;當(dāng)根鍵之間的間距大于根鍵自身寬度時，增寬根鍵可明顯提高根式挖井基礎(chǔ)橋墩的承載能力與耗能能力，而當(dāng)根鍵的間距小于自身寬度時，加寬根鍵對承載力的影響不明顯;增加根鍵的數(shù)量能明顯提高根式挖井基礎(chǔ)橋墩的承載力;在基礎(chǔ)底部布置根鍵的效果并不弱于在側(cè)壁布置，且根鍵布置在側(cè)壁時不宜靠近土體表面。研究成果可為根式挖井基礎(chǔ)在我國鐵路橋梁中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：根式挖井基礎(chǔ); 橋墩; 承載力特征; 擬靜力試驗; 參數(shù)分析

中圖分類號： U442????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）01-0174-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220808001

Horizontal bearing characteristics of the railway bridge piers on root-digging well foundations

Abstract：?As a novel variable section foundation， a root foundation can increase the vertical and horizontal bearing capacities of the caisson and pile foundations; however， its effect on the seismic performance of a digging well foundation remains unclear. To clarify the influence of roots on the bearing capacity characteristics of a pier on a digging well foundation， a pseudostatic test was conducted on a railway pier on a root-digging well foundation to examine the characteristics of its hysteretic and skeleton curves. By establishing a finite element model for use in this test， the influence of different root parameters on the energy dissipation capacity and bearing capacity of the pier was discussed. The results show that roots can improve the bearing capacity of the pier on the digging well foundation by fully promoting the participation of the surrounding soil， and the bearing capacity increases nonlinearly with displacement load on the pier top. Test and numerical simulation show that the damage to the root-digging well foundation is mainly caused by the failure of the soil around the foundation; however， the foundation is not damaged. The increase in the length of roots evidently improves the bearing capacity and energy consumption of the pier on the root-digging well foundation. Only when the spacing between the roots is greater than the root width does widening the roots obviously improve the bearing capacity and energy consumption of the pier. Increasing the number of roots obviously improves the bearing capacity of the pier. The effect of arranging roots at the bottom of the foundation is not weaker than that at the side wall， and the roots should not be near the soil surface when they are arranged at the side wall. The research results provide a scientific basis for the applications of root-digging well foundations in railway bridges in China.

Keywords：root-digging well foundation; pier; bearing capacity characteristics; pseudostatic test; parameter analysis

0 引言

我國鐵路橋梁數(shù)量多、分布廣，多使用混凝土重力式橋墩，且基礎(chǔ)多采用樁基或剛性基礎(chǔ)［1］。挖井基礎(chǔ)作為一種剛性基礎(chǔ)形式，憑借黃土壁立性強、無水條件下可簡化施工、低成本等先天優(yōu)勢，在我國西北地區(qū)鐵路橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，如寶中鐵路就采用了上百個挖井基礎(chǔ)［2］;在侯月鐵路西段橋梁設(shè)計中，有29座橋梁94個墩臺采用了挖井基礎(chǔ)［3］。挖井基礎(chǔ)不僅被大量應(yīng)用在黃土高原地區(qū)，在我國其他地區(qū)橋梁中也有較多應(yīng)用，如青島至海陽的城際鐵路某高架橋就采用挖井基礎(chǔ)33個，占全橋基礎(chǔ)總數(shù)的近1/3。

盡管挖井基礎(chǔ)是一種具有良好承載力的剛性基礎(chǔ)，但在1999年臺灣省集集地震中，許多采用了挖井基礎(chǔ)的橋梁還是不可避免地出現(xiàn)了落梁或者橋墩的震害［4］。因此，如何改善挖井基礎(chǔ)的抗震性能成為橋梁抗震領(lǐng)域關(guān)注的問題。鑒于挖井基礎(chǔ)在地震作用下的破壞主要是由周圍土體的失效引起的，如何改善基礎(chǔ)與土的相互作用關(guān)系成為問題的關(guān)鍵。

根式基礎(chǔ)作為一種從仿生學(xué)演化而來的變截面基礎(chǔ)形式，通過在基礎(chǔ)周圍土體中植入根鍵來提高周圍土體的參與度，從而提高基礎(chǔ)整體的承載力［5］。不過，目前關(guān)于根式基礎(chǔ)的研究成果主要聚焦于根鍵結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)靜承載力的影響上，如Dai等［6］開展了根式沉井基礎(chǔ)豎向承載力的雙向靜載試驗;Wang等［7］研究表明同直徑的根式沉井基礎(chǔ)承載力等方面要優(yōu)于普通沉井基礎(chǔ);賈曉敏［8］研究了不同參數(shù)對根式沉井基礎(chǔ)抗壓承載性的影響;王中明［9］基于試驗與數(shù)值模擬，得出相同基礎(chǔ)長度和直徑的根式樁基礎(chǔ)豎向極限承載力比普通樁基礎(chǔ)提高了23.75%～33.33%。此外，文獻(xiàn)［10-11］均針對根式基礎(chǔ)豎向承載力展開了研究。Luo等［12］推導(dǎo)了一種用于多層土中根式樁基礎(chǔ)的非線性沉降的計算辦法。對于受水平活循環(huán)荷載的沉井基礎(chǔ)，Gerolymos等［13］提出了一種用于計算基礎(chǔ)變位的非線性計算方法。文獻(xiàn)［14-15］針對水平荷載下的根式基礎(chǔ)進(jìn)行了試驗研究。以上研究均表明，根鍵的植入使得沉井及樁基礎(chǔ)的豎向和水平向承載力有明顯改善，但根鍵是否能夠改善挖井基礎(chǔ)的抗震性能，尚不明確。

本研究擬通過對鐵路根式挖井基礎(chǔ)橋墩進(jìn)行擬靜力推覆試驗，并建立有限元分析模型，系統(tǒng)研究鐵路根式挖井基礎(chǔ)橋墩的承載力特征，以及根鍵系數(shù)對挖井基礎(chǔ)橋墩抗震性能的影響，以期為根式挖井基礎(chǔ)在中國鐵路橋梁中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 模型設(shè)計

以我國西北地區(qū)某鐵路橋梁挖井基礎(chǔ)橋墩為原型，采用1/8的縮尺模型在室內(nèi)土工模型箱內(nèi)進(jìn)行擬靜力試驗。模型橋墩尺寸為：墩高174 cm，截面尺寸56 cm（長）×34 cm（寬），挖井基礎(chǔ)尺寸為88 cm（長）×66 cm（寬）×44 cm（高）。試驗制作了1個根式挖井基礎(chǔ)橋墩模型（圖1）。為盡可能降低模型箱的邊界效應(yīng)，試驗前在模型箱體內(nèi)壁四周鋪設(shè)了一圈柔性材料。試驗采用先夯實填埋土體，后人工開挖基坑至設(shè)計深度，再將鋼筋籠放入基坑并澆筑基礎(chǔ)和橋墩混凝土的次序進(jìn)行，盡可能還原真實的施工過程。試驗橋墩模型配筋率為0.38%，縱筋與箍筋分別使用HRB335及HPB235鋼筋，模型配筋及鋼筋直徑如圖2所示。根鍵尺寸為65 cm（長）×15 cm（寬）×0.4 cm（厚），為防止試驗過程中鋼板發(fā)生屈曲，在鋼板中央沿長度方向焊接一根直徑為16 mm的鋼筋，以加強鋼板的剛度。試驗混凝土均采用C30混凝土進(jìn)行澆筑，混凝土實測抗壓強度平均值為30.2 MPa。

1.2 試驗裝置與加載裝置

試驗中使用了電液伺服加載控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由橫向加載系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)構(gòu)成。橫向加載裝置由最大加載能力±300 kN、最大位移行程±200 mm的水平液壓伺服千斤頂和反力墻組成。豎向加載裝置由精軋螺紋鋼、加力架、壓力傳感器及緊固螺栓組成，兩根精軋螺紋鋼上端連接于水平加力架上，下端通過緊固螺栓對稱施加豎向力，豎向力通過兩個壓力傳感器實時監(jiān)測。加載裝置如圖 3所示。

試驗加載采用位移控制，在2～12 mm間以2 mm為加載差級，15 mm后以5 mm為加載差級，至50 mm位移荷載時停止。每級加載荷載往復(fù)循環(huán)3次。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試件破壞現(xiàn)象

試驗過程中，當(dāng)墩頂位移達(dá)到6 mm時，加載方向基礎(chǔ)側(cè)面與土體之間產(chǎn)生輕微裂縫，說明在位移荷載到達(dá)6 mm之前，土體仍處于彈性狀態(tài)。隨著加載位移的逐漸增大，土體裂縫不斷向兩側(cè)擴展。試驗結(jié)束后，在垂直于加載方向及加載方向的土體表面均出現(xiàn)了多條明顯可見且深度相當(dāng)?shù)牧芽p（圖4）。

試驗結(jié)束后開挖基礎(chǔ)并檢查其破壞情況，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)自身并未破壞，但基礎(chǔ)側(cè)壁與土體發(fā)生了分離，間隙達(dá)到5.5 mm，同時基礎(chǔ)底面也發(fā)生了抬升現(xiàn)象，基底抬升約2.5 mm。在試驗結(jié)束后將模型整體挖出檢查，發(fā)現(xiàn)模型基礎(chǔ)及橋墩自身并未發(fā)生破壞（圖5）。

2.2 滯回曲線與骨架曲線

采用電液伺服式加載系統(tǒng)記錄加載過程中模型加載力與加載位移的變化情況，墩頂力-位移滯回曲線如圖6（a）所示。可以看出，在加載初始階段模型橋墩基本處于彈性狀態(tài);由于荷載位移的不斷增大，模型土體表面產(chǎn)生了裂縫，基礎(chǔ)與土體間出現(xiàn)了分離與抬升，基礎(chǔ)周圍土體的非線性增強，滯回環(huán)上出現(xiàn)明顯的捏縮現(xiàn)象。

墩頂力-位移骨架曲線如圖6（b）所示。通過對骨架曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加載初期，模型的墩頂力與位移關(guān)系基本表現(xiàn)為線性關(guān)系，骨架曲線近似呈直線，可認(rèn)為此時模型處于彈性階段（OA段）;由于加載位移的增大，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，此時基礎(chǔ)周圍土體被擠壓逐漸破壞，土的支撐性開始降低，即骨架曲線的斜率隨之降低（AB 段）;隨著加載繼續(xù)，此時模型結(jié)構(gòu)在較大的墩頂位移變化下產(chǎn)生較小的水平抗力，結(jié)構(gòu)的剛度減?。˙C 段）。

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

采用商業(yè)有限元軟件ABAQUS/CAE對本文提出的根式挖井基礎(chǔ)橋墩進(jìn)行模擬，使用桁架單元（T3D2）對鋼筋進(jìn)行模擬，其余構(gòu)件均使用C3D8R實體單元。根鍵在土中的位置通過切削指令挖出孔洞，相互關(guān)系使用接觸定義。通過定義材料參數(shù)，并施加與試驗相對應(yīng)的荷載，可以獲得基本符合試驗的數(shù)值計算結(jié)果。根式挖井基礎(chǔ)橋墩部件及其在土中的形式如圖7所示。

定義一個設(shè)置在模型墩頂上的參考點RP-1，并通過ABAQUS中自帶的耦合連接與頂面耦合。由此，施加在該參考點上的所有荷載等同于施加在整個模型頂面，可有效避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并使計算結(jié)果更好地收斂。設(shè)置相互作用時以剛度相對較大的挖井基礎(chǔ)以及根鍵作為主表面，周圍的土面作為從表面。部件與土體的接觸，在法向采用硬接觸，切向則采用“罰”接觸。

根據(jù)試驗現(xiàn)場實際情況設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，例如，當(dāng)面的法向為X方向時，設(shè)置這一對稱面在X方向約束，其他面同理。這樣設(shè)置使得地基土側(cè)面符合試驗現(xiàn)場實際情形的邊界條件。于參考點RP-1施加0～50 mm的墩頂循環(huán)位移荷載，加載幅值與試驗相同。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

橋墩模型的擬靜力試驗數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果對比如圖8所示。

從圖8可以看出，數(shù)值模擬滯回曲線的承載力、滯回環(huán)的形狀，以及骨架曲線的斜率、峰值基本與試驗所得滯回曲線與骨架曲線吻合。這表明該模型可較好地模擬根式挖井基礎(chǔ)橋墩在循環(huán)往復(fù)荷載下的受力情況，有限元模型計算與實際試驗基本吻合。

3.3 參數(shù)分析

為進(jìn)一步研究根鍵參數(shù)對鐵路根式挖井基礎(chǔ)橋墩抗震性能的影響，通過調(diào)整鋼板根鍵的長度、鋼板厚度與寬度，以及根鍵的布置形式，共設(shè)計9種工況。各工況下根鍵均布置在橋墩基礎(chǔ)順橋向，設(shè)計參數(shù)列于表1。

工況8、工況9布置形式見圖9。工況1～7下根鍵布置形式與模型橋墩一致，且根鍵中心軸位置不變。

不同根鍵參數(shù)對橋墩滯回曲線與骨架曲線的影響分別見圖10、11。

從圖10、11可以看出：增大鋼板根鍵的長度可以明顯提高橋墩的承載能力;根鍵寬度的改變伴隨間距的變化，對橋墩承載能力的影響較為復(fù)雜，初步認(rèn)為在間距大于寬度時增加寬度可有效增加橋墩的承載力，而當(dāng)間距小于根鍵寬度時，增大根鍵寬度對承載力的影響并不明顯，但增大寬度后橋墩滯回曲線呈現(xiàn)出捏縮減小的現(xiàn)象，說明增大根鍵寬度可提高橋墩的耗能能力;增加根鍵的數(shù)量可顯著提高橋墩的承載能力;在基礎(chǔ)底部布置根鍵的效果并不弱于在側(cè)壁布置，且根鍵布置在側(cè)壁時，在位移較大的情況下橋墩的承載力降低，推測是由于根鍵靠近土體表層，導(dǎo)致上層土失效所致，因此在側(cè)壁布置根鍵時應(yīng)注意根鍵的埋入深度，不宜靠近土體表面。

4 結(jié)論

本文采用擬靜力試驗和數(shù)值模擬方法深入研究了鐵路根式挖井基礎(chǔ)橋墩的抗震性能，得到以下主要結(jié)論：

（1） 根鍵的植入充分提高了基礎(chǔ)周圍土體的參與度，可明顯改善根式挖井基礎(chǔ)橋墩的水平承載能力，且隨著荷載增加承載力呈非線性增加。

（2） 增加根鍵的長度明顯帶動了基礎(chǔ)周圍更多土體參與工作，使根式挖井基礎(chǔ)橋墩的承載力得到明顯提高。

（3） 改變根鍵寬度導(dǎo)致根鍵間隙的改變，其對于根式挖井基礎(chǔ)橋墩承載能力的影響較為復(fù)雜，初步認(rèn)為當(dāng)根鍵間隙大于根鍵寬度時，增加根鍵寬度可提高根式挖井基礎(chǔ)橋墩的承載能力。

（4） 增加根鍵的數(shù)量可顯著提高根式挖井基礎(chǔ)橋墩的承載能力，在基礎(chǔ)底部布置根鍵的效果并不弱于在側(cè)壁布置，且側(cè)壁布置根鍵時應(yīng)注意根鍵的埋入深度，不宜靠近土體表面。

參考文獻(xiàn)（References）

［1］ 張永亮，陳興沖，丁明波，等.多遇地震下少筋混凝土重力式橋墩驗算指標(biāo)研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2014，31（11）：72-76.

ZHANG Yongliang，CHEN Xingchong，DING Mingbo，et al.Research on thechecking indexes of concrete gravity type piers with low longitudinal reinforcement ratio under a low-level earthquake［J］.Journal of Railway Engineering Society，2014，31（11）：72-76.

［2］ 李濤.黃土地區(qū)橋梁挖井基礎(chǔ)設(shè)計方法研究［J］.巖土工程學(xué)報，1997，19（3）：47-54.

LI Tao.Study on design method of bridge excavation foundation in loess area［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1997，19（3）：47-54.

［3］ 王篤實.黃土挖井基礎(chǔ)淺析［J］.西部探礦工程，1992，4（5）：52-55.

WANG Dushi.Analysis on foundation of loess digging well［J］.West-China Exploration Engineering，1992，4（5）：52-55.

［4］ 張國鎮(zhèn).921集集大地震橋梁震害調(diào)查報告［R］.中國臺北：臺灣地震工程研究中心，1999.

ZHANG Guozhen.Investigation report of bridge damage caused by the 921 Ji-Ji earthquake［R］.Taipei，China：Taiwan Earthquake Engineering Research Center，1999.

［5］ 殷永高.根式基礎(chǔ)及根式錨碇方案構(gòu)思［J］.公路，2007，52（2）：46-49.

YIN Yonggao.Scheme conception of root foundation and anchor block［J］.Highway，2007，52（2）：46-49.

［6］ DAI G L，GONG W M.Application of bi-directional static loading test to deep foundations［J］.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2012，4（3）：269-275.

［7］ WANG L，GONG W M，YIN Y G，et al.Field experimental study on vertical bearing capacity of root-caisson foundation［C］//Proceedings of the Advances in Soil Dynamics and Foundation Engineering.Reston，VA：ASCE，2014：274-283.

［8］ 賈曉敏.根式沉井基礎(chǔ)抗壓承載性狀的影響因素研究［D］.揚州：揚州大學(xué)，2021.

JIA Xiaomin.Study on influencing factors of compressive bearing capacity of root open caisson foundation［D］.Yangzhou：Yangzhou University，2021.

［9］ 王中明.根式基礎(chǔ)豎向承載性能的現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬［J］.土木工程與管理學(xué)報，2021，38（3）：119-125，139.

WANG Zhongming.Field test and numerical simulation of vertical bearing capacity of root foundation［J］.Journal of Civil Engineering and Management，2021，38（3）：119-125，139.

［10］ 朱昊.根式基礎(chǔ)抗壓承載機制理數(shù)值模擬研究［J］.工程與建設(shè)，2021，35（2）：220-221，227.

ZHU Hao.Numerical simulation study on compressive bearing mechanism of root foundation［J］.Engineering and Construction，2021，35（2）：220-221，227.

［11］ 吳凌.某大直徑鉆孔灌注樁根式基礎(chǔ)承載力分析［J］.工程與建設(shè)，2019，33（5）：770-772.

WU Ling.Bearing capacity analysis of root foundation of a large diameter bored pile［J］.Engineering and Construction，2019，33（5）：770-772.

［12］ LUO X G，REN W X，YIN Y G，et al.A modified hyperbolicity-based load transfer model for nonlinear settlement analysis of root piles in multilayered soils［J］.Acta Geotechnica，2022，17（1）：303-317.

［13］ GEROLYMOS N，GAZETAS G.Static and dynamic response of massive caisson foundations with soil and interface nonlinearities—validation and results［J］.Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2006，26（5）：377-394.

［14］ 徐亮，朱大勇，侯超群，等.多層根鍵根式樁水平承載力模型試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（增刊1）：968-973.

XU Liang，ZHU Dayong，HOU Chaoqun，et al.Model test study on horizontal bearing capacity of multi-layer root-key pile［J］.Building Structure，2020，50（Suppl01）：968-973.

［15］ 桂美兵，朱大勇，侯超群，等.根鍵位置對根式樁水平承載特性的影響研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（增刊1）：974-980.

GUI Meibing，ZHU Dayong，HOU Chaoqun，et al.Study on the influence of root key position on horizontal bearing characteristics of root pile［J］.Building Structure，2020，50（Suppl01）：974-980.