西北地區濕陷黃土對高鐵橋梁樁基影響及沉降計算

王 碩

（北華航天工業學院，河北 廊坊 065000）

1 概述

高速鐵路線路沉降一直是困擾新建線路投入運營以后的重大問題，對于高速鐵路線路來講，雖然橋梁工程相比于路基工程從控制線路沉降的層面講有著無可比擬的優越性，但是對于任何土木工程結構物來講，在使用期間結構物在自重及荷載的作用下會出現沉降問題，特別是對于黃土地區的鐵路線路而言，橋梁樁基礎在鋪軌時刻起的工后沉降也同樣會影響到高速鐵路線路的平順性及運營安全，所以對于高速鐵路線路整體建設的優劣，樁基礎工后沉降控制效果有著直接而顯著的影響。

由于現存關于樁基礎沉降理論的計算還不十分完備，另外由于計算參數很難進行準確的選取，所以導致樁基礎在實際受載環境下的沉降值與理論計算值吻合度不夠好，尤其對于濕陷性黃土地區的橋梁樁基礎來講，目前為止在基礎工程理論上并沒有一套完整實用的計算方法，現行的鐵路橋梁設計規范也只是根據橋梁樁基礎出現的工后沉降給出一定的控制規定。而橋梁樁基礎的沉降實際上是墩臺、基礎及樁周地基土相互作用所產生的結果，也是土木工程領域中樁土相互作用的研究重點，其理論研究在一定程度上是落后于實際應用的。

文章以徐蘭高速鐵路寶蘭段渭河區沿線的某橋梁施工現場樁基礎浸水試驗作為研究的基礎，對濕陷黃土地區高速鐵路橋梁樁基礎浸水所產生的附加沉降進行研究，在此基礎上分析產生橋梁樁基礎沉降的各種因素，得到相應的橋梁樁基工后沉降計算方法，進而提出有效的控制橋梁工后沉降的建議及措施。

2 樁基礎附加沉降的試驗分析

對位于寶蘭段渭河區橋梁樁基礎進行浸水試驗，并考慮材料蠕變的影響。其試驗過程為：①將橋梁樁基礎加載至設計載荷；②保持樁身承受設計載荷值不變的情況下，對樁基礎周身的黃土進行持續注水，待樁周土體飽和度超過85%以上且通過儀器觀測到試驗坑內地面標注點連續5d的下沉量不大于1mm/d時停止注水；③保持設計載荷值不變使樁基礎周身的土體再次固結沉降直至穩定；④再次浸水，對試驗樁基礎進行分級加載直至發生破壞。試驗過程中隨著分級加載值的變化觀測：浸水前沉降量；浸水后樁端沉降、樁自身的壓縮以及樁身蠕變量值見表1。

表1 橋梁樁基現場試驗數據

從表1數據分析可得：

1）實際測得的單根樁基礎浸后附加沉降值是浸前樁基礎沉降值的3-4倍。說明橋梁樁基礎的工后沉降大于基礎的工前沉降。

2）樁基礎的浸水試驗與樁周土體性質具有緊密的關系，對比密實砂土地區的高速鐵路橋梁樁基礎沉降相關數據，可知濕陷性黃土地區高速鐵路樁基礎的樁端沉降及浸水后的附加沉降均高于地處密實砂土地區的樁基礎沉降量。

3）在三根試驗樁基礎上，浸水后所產生的樁身壓縮及蠕變變形占浸后總沉降的50%～56%，說明樁基礎自身所產生的壓縮及由于材料性質產生的蠕變是浸水后附加沉降變形的主要形式，是不能忽略的主要影響因素。

3 樁基礎工后沉降的組成

依據上述試驗分析所得出的分析結果，并且考慮在鐵路橋梁施工中，當梁上進行鐵路線路鋪軌的一刻起，橋梁樁基礎底面的下臥層逐漸被壓縮，進而由于固結作用使土體產生沉降現象，由于此時軌道結構部分產生的恒載已幾乎全部作用到了地基上，且高速列車相比較普通客貨列車來說，車體輕量化其軸重較小，行駛速度快，對于橋梁結構來說，由高速動車組所產生的動活載對土體所引起的固結作用較弱，相應的沉降量較小。對寶蘭段高速鐵路橋梁樁基礎進行的動力載荷試驗研究也充分證實了這一點，即不會發生樁基礎沉降的積累變形。故而，高速鐵路橋梁樁基礎的工后沉降可以按照鋪軌時刻起在恒載作用下對基底產生的土體固結沉降量來進行計算，并考慮樁身壓縮以及蠕變影響，即：

Sg=Sd+Sy+Sr

式中：Sg——工后的沉降量；

Sd——樁端沉降量；

Sy——樁身壓縮量；

Sr——樁身蠕變量。

4 樁基礎工后沉降相關各因素的計算

4.1 樁基礎端部沉降

樁基礎端部沉降計算時僅考慮了浸水后樁側的阻力及端阻增加量所引起的附加應力增大，故而產生的沉降值，在樁端沉降計算中采用Mindlin-Geddes附加應力法，在豎向集中力F作用于半無限體內部距離地面深度處，依據Mindlin-Geddes方法可以得到半無限體內任一點的豎向應力σz為

式中：

μ——土體的泊松比；

z——計算點距離地面的豎向距離；

c——理論計算點處距集中荷載作用點處在水平方向上的距離。

通過上述計算得到地基土的附加應力后，可得樁端沉降

式中：

σzi——第i層地基土的附加應力；

Ei——土的壓縮模量。

4.2 樁基礎的壓縮

假定橋梁樁身各節段的壓縮變形量值為，則樁基礎的總壓縮量為

式中：

n——樁身的節段數；

εi，εi+1——某節段樁身處及相鄰節段樁身處測得的應變值。

4.3 樁基礎的蠕變變形

對于橋梁樁基的蠕變值，由于影響其形成的因素較多，變化較大，所測得的實驗數據較為離散，所以不易對橋梁樁基產生的蠕變進行精確計算。較為可靠的辦法是運用同一批次的混凝土制作試件，直接對其進行蠕變試驗及測量，或者運用短期的測量數據推算長期的蠕變值。

假定樁基混凝土在應力σ（t0）作用下，至齡期t時的總應變為 εcσ(t,t0)，由起始應變 εci(t0)和蠕變 εcc(t,t0),兩部分組成：

式中：

t0—荷載作用時混凝土的齡期；

t0-—計算所需應變的齡期；

Ec（t0)-齡期為t0時混凝土彈性模量值。

單位應力作用下混凝土蠕變值即為蠕變度或單位蠕變：

單位應力作用下的極限蠕變值受到各種因素的影響而在很大的范圍內進行變化：

假定試驗中測得的樁身上任意深度處相鄰兩點的軸力值分別為 F1（z）、F2（z），則樁基礎的蠕變值為：

式中：

φr—為樁基礎蠕變影響因數；

C（8 ，t0）—為單位蠕變值；

A—為樁基礎的橫截面面積。

5 改善樁基礎工后沉降的有效措施

由于西北地區特有的黃土濕陷性質，高速鐵路橋梁樁基礎的工后沉降量主要由樁端沉降量、樁身壓縮量以及樁身蠕變量等三部分量值組成。對于高速鐵路線路行車高平順性要求，工后沉降量應該做到零工后沉降值的標準，但按照以往的工程經驗，對于橋梁樁基礎而言，設計及施工中往往可以滿足結構的承載力要求，但是其樁基礎的沉降量卻不一定滿足要求。因此在高速鐵路橋梁的實際建設過程中，通常需要采用預加荷載等措施，并保持一定的時間，通過對整個橋梁主體的動態監測，測量橋梁樁基礎的沉降量，當橋梁完成大部分沉降滿足相關要求后再進行后續的鐵路軌道的鋪設工作。再者由于黃土自身的濕陷特性，對于高速鐵路橋梁樁基礎工后沉降的控制中，首先應當建立起完善且規范的工后沉降科學評價制度，整體性地研究各個因素對工后沉降的影響，由此制定出相應的控制方法，形成系統的管理評價體系。其次采用科學有效的地基處理方法，合理的地基處理方法是解決工后樁端沉降控制的關鍵方法，通過沿樁側在一定范圍內進行注漿處理可有效的降低樁基礎的沉降值，并且由于注漿液在土體中具有一定的劈裂擴大作用，使得樁基礎的應力得到一定的放散，可以有效的控制基礎的沉降量。最后應當安排高速鐵路橋梁合理的施工工序以求在工期允許的范圍內保證橋梁必要的預壓時間，可有效降低橋梁樁基礎的工后沉降。