橋墩-承臺-樁基體系動靜剛度原型試驗研究

劉建磊,程永黎,李林杰

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081； 2.朔黃鐵路發展有限責任公司,河北肅寧 062350)

1 概述

對于既有線提速或開行重載列車的線路而言，開展橋墩基礎實際工作狀態檢測，并對其長期運營后的承載情況進行評估具有重要的社會和經濟效益，一方面可為既有線路的安全運營提供技術保障，另一方面又可合理安排有限的維修加固費用[1-2]。目前，我國對既有鐵路橋墩狀態評估主要采用《鐵路橋梁檢定規范》(鐵運函[2004]120號)[3]建議的方法和限值，且評價方向限于橫向[4-7]，對于既有橋梁橋墩基礎豎向狀態的檢測評估，尚無成熟有效的辦法。

既有橋墩基礎的豎向承載能力可以通過靜剛度與容許沉降進行計算[8-10]，而服役橋梁卻難以直接測試靜剛度。在服役樁基礎承載能力分析中，可以采用機械阻抗法通過測試動剛度并利用動靜對比系數來推算靜剛度[11-16]。如果將該方法的思路引入到橋墩-基礎體系中進行豎向狀態評估，則需要進一步分析兩個問題：其一，是橋墩-基礎整體動靜對比系數的取值；其二，是橋墩-承臺-樁基體系的整體動剛度與單根樁的動剛度間是什么關系。為了研究上述問題，利用某廢棄橋墩進行原型試驗，分別進行了動剛度和靜剛度測試研究。

2 試驗概況

利用北京某軌道交通線路廢棄的橋墩開展模型試驗研究(圖1)。該橋墩為群樁-承臺基礎形式，承臺下共4根摩擦樁基礎，設計樁長23 m，直徑1 200 mm。橋墩地面以上高度5.5 m，橋墩頂部為2.4 m×4.8 m平面。樁周地層分布黏粉土、卵石、粉沙、細中砂、粉質黏土，樁底為卵石層。單樁軸向受壓容許承載力6 200 kN。

圖1 試驗橋墩

試驗包括動剛度測試和靜載試驗兩部分內容。動剛度測試采用瞬態機械阻抗法，動剛度定義為

(1)

式中，GV(f)為速度導納，即速度譜v(f)與力譜F(f)之比；f為頻率。

動剛度測試分3個階段進行(圖2)：①橋墩拆除前，對墩-承臺-樁基體系進行動剛度測試；②橋墩拆除后，對承臺-樁基體系進行動剛度測試；③拆除橋墩及承臺后，對單樁進行動剛度測試。靜載試驗在拆除橋墩后的第②階段進行。

圖2 橋墩動剛度測試3個階段示意(單位：cm)

3 瞬態激勵下的動剛度測試

3.1 橋墩-承臺-樁基體系整體動剛度

測試橋墩-承臺-樁基體系的整體動剛度，激振點位于墩頂中心，拾振點分別位于墩頂和承臺頂。測試時，采用2 kN激振力錘從1.5 m高度自由下落，所產生的激振力脈沖寬度為17.5 ms，脈沖峰值為2.13×105N(圖3)。由于沖擊力的作用時間很短，采用變時基采樣方法，采樣頻率為2 000 Hz，變時基倍數為4倍，以確保不同測試參數的精度要求。為減小測試時的偶然誤差和噪聲影響，測試重復進行5～10次，對比各次測試結果發現，在沒有較大外界干擾噪聲影響的情況下，各次測試結果穩定，各次激振力信號、速度響應及加速度響應數據橫向相比較，差別十分微小。同一次激勵下，各傳感器所采集的響應信號差別很小。圖4為墩頂和承臺頂各測點動剛度平均值，可以看出兩條平均曲線均在10～20 Hz頻段內動剛度最為穩定；且錘擊墩頂時，承臺頂動剛度大于墩頂動剛度。根據公式(1)可知，這與振動沿橋墩衰減有關。

圖6 承臺-樁基靜載試驗示意及試驗現場

圖3 激振力信號示意

圖4 墩頂和承臺頂測點動剛度平均值

3.2 承臺-樁基體系和單樁動剛度

在完成體系整體動剛度測試后，切割掉橋墩墩柱后，對包含承臺和樁基的體系進行了動剛度測試。然后進行靜載試驗，在靜載試驗之后，將橋墩基礎承臺破除，再在樁頂進行動剛度測試。現將3種結構體系：橋墩-承臺-樁基體系、承臺-樁基體系、單樁體系均對結構的動剛度進行對比。為便于比較，所采用數據均為激勵點位于結構體系在平面幾何中心的情況，且在基樁中心對應位置布置傳感器的測試結果，以避免結構因偏心受力引起轉動所帶來的對動剛度測試結果的影響，對比分析結果如圖5所示。

圖5 三種體系動剛度測試結果對比

可以看出，在激振率20～80 Hz間，曲線均比較平緩；從數值來看，低頻段，在相同頻率承臺-樁基體系所對應的動剛度最大，包含橋墩在內的整體體系對應的動剛度次之，單樁對應的動剛度值最小。頻率越低，整體動剛度越接近于單樁動剛度的4倍，這與理論分析一致，表明低頻段動剛度能反映基礎的整體承載力。

4 承臺-樁基靜載試驗

在切割掉橋墩基礎墩柱之后，對樁及承臺所組成的基礎整體進行豎向抗壓靜載試驗，實際最大加載26 000 kN，采用慢速維持荷載法，分13級進行加載。在承臺周邊打設錨桿的方法提供加載反力，采用“錨桿+反力鋼梁”直拉反力裝置。通過錨桿提供加載反力，大型反力鋼梁傳遞試驗荷載，通過高壓油泵、千斤頂油壓系統對試驗樁施加豎向荷載。加載試驗錨桿及橫梁設置如圖6所示，靜載試驗結果的Q-S和T-S曲線如圖7所示。

圖7 靜載試驗Q-S和T-S曲線

整個靜載試驗持續28 h，包括13級加載和1級卸載。可以看出，測試中最大沉降量為2.27 mm，卸載后殘余0.19 mm，相對殘余8.3%，殘余變形較小。加載后，隨豎向荷載的增大，承臺-樁基體系沉降量逐漸增大，加載至最大級，豎向荷載26 000 kN時，Q-S曲線未出現明顯的拐點和突變，按照加載計劃在26 000 kN停止繼續增加豎向荷載，進行了卸載。卸載后，體系在很短時間內迅速恢復，最終僅有0.19 mm的殘余量。從加載Q-S及T-S曲線來判斷加載過程中承臺-樁-土體系處于彈性狀態。

靜載試驗中得到的Q-S曲線隨加載荷載的增加，豎向位移基本保持線性的增加，對該曲線進行直線擬合，通過計算可以得到結構的靜剛度，如圖8所示。擬合計算得到承臺-樁基體系靜剛度為1.11×1010N/m，與其動剛度對比見表1所示。通過承臺-樁體系動靜剛度的對比發現，激振頻率在10～40 Hz之間，其動靜對比系數在1.65～1.91，平均為1.78。

圖8 承臺-樁基體系結構靜剛度擬合

激振頻率/Hz體系動剛度/(×1010N/m)體系靜剛度/(×1010N/m)動靜對比系數10.51.831.111.6520.51.941.111.7530.52.021.111.8240.42.121.111.91

5 結論與建議

通過橋墩原型試驗對實際工程中的橋墩基礎分階段開展動剛度測試和靜載試驗，獲得了橋墩-承臺-樁基體系、承臺-樁基體系和單樁的動剛度，承臺-樁基體系的靜載試驗曲線，得到主要結論如下。

(1)當激勵點位于結構體系幾何中心時，橋墩-承臺-樁基體系的整體動剛度與承臺-樁基體系的動剛度值較為接近。

(2)在低頻段整體動剛度接近于單樁動剛度的4倍，表明整體動剛度一定程度上能反映基礎的整體承載力。

(3)承臺-樁基體系動剛度為單樁動剛度的1.65～1.91倍，平均動靜對比系數為1.78。

(4)總體上，基礎整體動剛度能反映基礎整體承載力狀態。