鐵路橋梁樁基礎(chǔ)承臺分擔(dān)荷載效應(yīng)研究

任亮（蒙冀鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特　010000）

鐵路橋梁樁基礎(chǔ)承臺分擔(dān)荷載效應(yīng)研究

任亮
（蒙冀鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010000）

針對鐵路客運專線雙線橋梁樁基承臺，考慮在不同荷載工況下承臺對上部荷載的分擔(dān)作用，通過有限元模型模擬計算和實際工程布點實測對比分析，得到了承臺底土體應(yīng)力具有承臺外區(qū)大、內(nèi)區(qū)小的特點，承臺底土應(yīng)力場沿橫橋向和順橋向2個方向均由外向內(nèi)遞減，整個應(yīng)力場成“盆”狀。驗證了設(shè)計中考慮承臺分擔(dān)效應(yīng)的必要性，以達(dá)到節(jié)省成本，提高經(jīng)濟效益的目的。

鐵路橋梁；樁基承臺；分擔(dān)作用；有限元模型

與建筑樁基相比，鐵路橋梁樁基承臺厚度往往比較大，樁徑也要大于建筑樁基，樁數(shù)較少。樁基礎(chǔ)具有承載力高，應(yīng)力傳遞路徑簡單，抗震性能好，基礎(chǔ)沉降比較小等優(yōu)點。但樁基礎(chǔ)也有以下缺點：①未能充分利用土對承臺的抗力；②采用摩擦樁時樁長設(shè)計較長，樁端需要有良好的持力層。這也是造成鐵路橋梁設(shè)計中樁徑較大，樁長過長的原因之一，使得工程投資過高，對于鐵路建設(shè)的快速發(fā)展來說尤為不利。因此，將樁基與天然地基有機組合在一起，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，共同承擔(dān)上部荷載，提高材料的利用率，是鐵路橋梁樁基礎(chǔ)發(fā)展的新方向，也是一個具有研究價值的課題。

1　有限元模型的建立與計算分析

1.1建立模型

本文以客運專線雙線（32+48+32）m連續(xù)梁為例，上部結(jié)構(gòu)為混凝土現(xiàn)澆連續(xù)梁，梁體采用單箱單室直腹板箱型截面，設(shè)計為縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。采用掛籃懸臂澆筑法施工，先合龍中跨，再合龍邊跨。設(shè)計最大恒載為22 389.9 kN（支座反力），設(shè)計活載為中-活載，最大為8 766.5 kN。下部結(jié)構(gòu)采用雙線空心橋墩，墩高29 m，承臺頂以上2.5 m為實體段，實體段以上為空心段。承臺厚度為3 m，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁數(shù)為11，樁徑1.4 m，采用梅花形布置。布置形式見圖1，計算參數(shù)見表1。

建模時考慮土體為一個半空間無限體，模型中土體尺寸的選取應(yīng)使周邊邊界上的反力或應(yīng)力很小為宜。本文所取土體的平面尺寸為10倍樁徑，15 m× 15 m，為了提高計算效率，承臺底部土體劃分較密，遠(yuǎn)端的土體劃分較粗。承臺單元按 0.25 m為單元邊長劃分，沿樁長方向為0.5 m劃分，承臺側(cè)面的土為未夯實的回填土，不考慮豎向作用下承臺側(cè)面土體產(chǎn)生的摩擦力。結(jié)合工程實際，共劃分10個測試工況，每個工況所加荷載由施工圖紙計算得出，詳細(xì)工況見表2。

圖1　樁基布置形式（單位：cm）

表1　模型計算參數(shù)

1.2模型的計算結(jié)果分析

為了分析承臺下土應(yīng)力場的特性，分別對承臺澆筑、橋墩澆筑、5#塊澆筑、邊跨合龍工況按照實際荷載加載，前2種工況5-5斷面土體應(yīng)力云圖分別見圖2和圖3。

圖2　承臺澆筑后5-5斷面土體應(yīng)力云圖

由圖2和圖3可以看到：當(dāng)承臺澆筑完成時土體沿著邊樁形成比較明顯的2個應(yīng)力區(qū)，外區(qū)應(yīng)力較大，內(nèi)區(qū)應(yīng)力較小。但是土體中的應(yīng)力還是比較小的，當(dāng)梁體合龍之后，整個樁群外區(qū)形成一個不均勻的壓力帶，并在承臺角部區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中區(qū)，壓力帶向承臺在中心擴散并減小。當(dāng)荷載等級較低時，土體位移比較均勻，2個方向的斷面位移圖大致呈梯形。當(dāng)整個梁體合龍后，承臺2個方向斷面的位移均呈現(xiàn)出中間大兩邊小的趨勢，大致成拋物線狀。當(dāng)荷載等級較高時，土體的最大位移在外層樁形成的樁群內(nèi)側(cè)，越靠近承臺邊緣位移越小，這給承臺分擔(dān)荷載的效應(yīng)創(chuàng)造了有利條件。承臺底土壓力沿著一定角度向深處擴散，隨著荷載等級的提高，影響范圍增大。

圖3　橋墩澆筑后5-5斷面土體應(yīng)力云圖

對模型中承臺下0.5 m處土應(yīng)力場，提取圖1中對應(yīng)11個點的土壓力值，見表3。

提取承臺底0.5 m處樁單元豎向應(yīng)力并取平均值，計算樁體所分擔(dān)的荷載，從而可以得出樁體、土體分別承擔(dān)荷載的比例。計算結(jié)果見表4和圖4。

表3　模型對應(yīng)測點土壓力值kPa

表4　鉆孔樁分擔(dān)荷載計算值

圖4　有限元模型樁土荷載分擔(dān)比例

通過圖4看到，隨著荷載的增加，承臺底土反力分擔(dān)的比例也隨之緩慢增加，到梁體合龍時趨于穩(wěn)定并有減小趨勢，說明土的分擔(dān)效應(yīng)是有限的。在加載初期，承臺底土反力優(yōu)先于樁側(cè)土和樁底承載力發(fā)揮出來，隨著荷載的增加，樁側(cè)土的摩阻力和樁端承載力隨之被調(diào)動，由此導(dǎo)致承臺的分擔(dān)效應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，甚至在整個承載體系中減小。通過有限元模型計算，承臺底土分擔(dān)最大荷載比為10%。由此可見，理想條件下，鐵路橋梁樁基設(shè)計中不考慮承臺的豎向分擔(dān)效應(yīng)是比較保守的。

2　承臺分擔(dān)荷載效應(yīng)實體工程現(xiàn)場試驗

承臺下土壓力盒埋設(shè)布置：由于承臺尺寸較大，而且荷載和基樁的布置都是對稱布置，所以土壓力盒的測區(qū)選擇了1/4承臺下的地基土來布置。為了方便測量后的數(shù)據(jù)處理，土壓力盒布置對應(yīng)有限元模型，按承臺一角為坐標(biāo)原點按直角坐標(biāo)來布置，參見圖1。

為了考慮邊樁和中樁之間，墩身輪廓內(nèi)和墩身輪廓外土壓力的分布差異，分別在邊樁之間，中樁之間，以及單樁邊緣進(jìn)行埋設(shè)。其中3#，4#，6#，7#土壓力盒布置在承臺邊緣，2#，5#，8#，9#，11#布置在兩樁之間；1#和10#土壓力盒布置在距樁邊緣30 cm處。

為了驗證有限元計算結(jié)果，本橋測試工況與有限元加載工況相同，劃分10個測試工況，測試時在每一工況結(jié)束前后連續(xù)測試3 d，每天測試3次。每天的時刻定為06：00，14：00，22：00。

3　現(xiàn)場試驗與有限元模型對比結(jié)果分析

將有限元提取的結(jié)果與現(xiàn)場試驗中各土壓力值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5和圖6。

圖5　承臺澆筑完畢1-1斷面土壓力值對比曲線

圖6　連續(xù)梁合龍后1-1斷面土壓力值對比曲線

由圖5和圖6可以看到，有限元模型在承臺澆筑完成的模擬過程中并不能反映現(xiàn)場材料強度變化，實際上承臺和樁形成一個整體能夠共同作用并不是一開始就有的，而是隨著后續(xù)工況的加載緩慢發(fā)生的。在承擔(dān)荷載初期，整個斷面應(yīng)力成M形，應(yīng)力值比較均勻，相差不大，而有限元模型一開始的建立就認(rèn)為樁和承臺是一起工作的，因此造成了有限元模型和現(xiàn)場實測在前2個工況增長趨勢不一致。隨著后續(xù)工況的進(jìn)行，實測值逐漸逼近數(shù)值模擬值，隨著梁體合龍，2條曲線具有很好的相似度。

4　結(jié)論與建議

1）鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)承臺底土體應(yīng)力具有樁群外區(qū)大、內(nèi)區(qū)小的特點，承臺底土應(yīng)力場沿橫橋向和順橋向均由外向內(nèi)遞減，整個應(yīng)力場成“盆”狀。

2）鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)承臺分擔(dān)荷載作用效應(yīng)明顯，可以分擔(dān)上部荷載的5%～10%，并且在荷載等級低的時候分擔(dān)作用小，隨著荷載的等級的提高呈非線性增長。

3）承臺并非完全剛性，而是在上部荷載和群樁反力作用下會有一些微小的變形，變形隨著承臺尺寸的增大而增大，并對承臺底土的應(yīng)力場產(chǎn)生明顯影響。

基于以上結(jié)論，可以對鐵路大直徑群樁基礎(chǔ)提出以下2點建議：

1）在群樁基礎(chǔ)設(shè)計中，當(dāng)荷載水平較高時，承臺尺寸、樁距較大時，應(yīng)該考慮承臺的分擔(dān)作用，即承臺效應(yīng)。

2）承臺的設(shè)計中，在承臺剛性角滿足要求，不會發(fā)生沖切破壞的前提下，可以通過適當(dāng)增加承臺懸挑部分提高承臺外區(qū)的分擔(dān)效應(yīng)，從而減小樁基的設(shè)計參數(shù)，達(dá)到經(jīng)濟的目的。在滿足沉降的基礎(chǔ)上，盡可能地減小樁徑、增大樁間距，這樣有利于結(jié)構(gòu)，也能夠充分利用材料。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［3］董建國，趙錫宏.樁基減少樁數(shù)與沉降問題的研究［J］.上海：土木工程學(xué)報，2000，33（3）：71-74.

［4］宰金眠.群樁與土和承臺非線性共同作用的半數(shù)值半解析方法［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)，1996，1（2）：63-72.

［5］楊克己，李啟新，王福元.基礎(chǔ)-樁-土共同作用的性狀與承載力研究［J］.巖土工程學(xué)報，1988（1）：30-36.

［6］陳環(huán)，葉國良.關(guān)于樁土相互作用問題［J］.港口工程，1990 （5）：1-5.

［7］宋鳳敏.東營濱海地區(qū)剛性樁樁土相互作用研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2011.

［8］張國亮.復(fù)合樁基樁土共同作用性狀研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［9］姚同斌.群樁-承臺下土共同工作的原位試驗研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2004.

（責(zé)任審編趙其文）

Study on Sharing Load Effect of Railway Bridge Pile Foundation Platform

REN Liang
（Meng Ji Railway Co.，Ltd.，Hohhot Inner Mongolia 010000，China）

T he sharing load effect of railway bridge pile foundation platform in a passenger dedicated double-line railway under different load conditions was studied.T hrough the comparison of finite element simulation and field test，it reveals that the soil stress beneath the foundation platform has a basin-shape distribution，high stress in the outer and low stress in the core.Soil stress decreases from the outer to the inner region in transverse and longitudinal directions.It verified the necessity of sharing load effect of platform.With this consideration，engineering cost is saved and economic efficiency is improved.

Railway bridge；Pile foundation platform；Load effect；Finite element model

U443.15+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.11

1003-1995（2016）08-0046-04

2016-02-24；

2016-05-23

任亮（1985— ），男，工程師，碩士。