任文峰 王星華 涂 鵬

（中南大學土木建筑學院1） 長沙 410075） （中交路橋建設有限公司2） 北京 100027）

0 引 言

高速鐵路橋梁樁基設計時以沉降控制為主，樁長的確定與傳統(tǒng)以承載力控制為主有較大不同.上海、蘇州地區(qū)地處長江沖積平原，地勢較低，地表水豐富，廣泛分布淤泥質(zhì)土，軟土強度低，在此地基基礎上修筑高速鐵路的經(jīng)驗較少.國內(nèi)外學者對橋梁沉降工后沉降進行了大量研究，關于群樁的沉降計算方法主要有等代墩基法、修正等代墩基法、彈性理論法、等效作用分層總和法、有限元法、原位測試估算法及其他簡化和經(jīng)驗方法等［1－4］，但在深厚軟土地區(qū)橋梁的工后沉降研究較少.冷伍明等在分析高速鐵路橋梁沉降觀測數(shù)據(jù)的基礎上提出高速鐵路橋梁樁基工后沉降組合預測方法［5］，吳鵬、龔維明等提出剛性承臺群樁沉降簡化計算方法［6］，趙春彥、鄭國勇等提出軟土中單樁長期工后沉降的預測模型［7］，劉金礪、邱明兵分析了軟土中群樁承載變形特征與并提出減沉復合疏樁基礎設計計算方法［8］，陳仁朋、凌道盛等通過分析軟土中群樁基礎中應力擴散規(guī)律，提出基于樁周土體壓縮模量的橋梁沉降計算方法［9］.但是，上述研究對深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁工后沉降的計算均存在過程復雜、結果離散性偏大等缺點.

文中以京滬高鐵丹陽至昆山特大橋昆山東橋段為研究對象，通過沉降變形觀測及理論分析，尋求軟土地區(qū)高速鐵路橋梁沉降的一般規(guī)律，并通過理論分析對等代墩基法計算橋梁沉降進行修正，為深厚軟土地區(qū)高速鐵路合理樁長的確定及橋梁基礎沉降預測提供一定的依據(jù).

1 工程概況

京滬高鐵昆山東橋段橫穿江蘇昆山市，西臨蘇州工業(yè)園區(qū)，東接上海嘉定區(qū).該區(qū)段屬濱海沖擊性平原，地勢低平，湖澡洼塘密布，多為村莊、苗圃、河流、池塘.管段內(nèi)村道交錯，區(qū)內(nèi)地層均為第四系地層覆蓋，系江河、湖泊、海相沉積形成，為黏土、粉質(zhì)黏土夾粉細砂層，廣泛分布淤泥質(zhì)土，軟土強度低，地表以下3m左右即為淤泥質(zhì)粘土和砂性土，地下水位較高.

本段全部采用高架橋通過，施工里程為DK1269＋238～DK1273＋551.橋梁基礎全部采用摩擦樁，樁徑根據(jù)不同跨徑及地質(zhì)條件有1.0，1.25，1.5m3種，樁長30～78m.采用雙柱墩及矩形實體墩，墩身高度7.5～15.5m，橋跨布置主要為24m和32m預應力混凝土雙線簡支箱梁.

在施工過程中對全橋每個墩位均進行了沉降觀測.為便于分析，選取有代表性地質(zhì)條件275～279號墩位進行分析，各墩墩身高度為12m，承臺長、寬、高分別為10.5，6.8和2m，承臺埋深20cm，樁徑1.0m.以275號墩為例，其承臺下各土層地質(zhì)概況見表1（其他各墩地質(zhì)情況比較類似）.

表1 各墩承臺下地質(zhì)分層表

2 沉降觀測方法及結果

每個承臺設置2個觀測標，觀測標1設置于承臺左側小里程角上，觀測標2設置于承臺右側大里程角上.每個墩身設置觀測標2個，位于墩身兩側墩底高出地面1.0m左右位置.

沉降觀測按照國家二等水準要求施測，按照固定的觀測路線和觀測方法進行.觀測路線形成復合線路，使用固定的工作基點對應沉降變形觀測點進行觀測.測量儀器為一臺天寶DINI型電子水準儀（0.3mm級），一臺徠卡DNA03型水準儀（0.3mm級）.觀測成果的重測和取舍按《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB／T 12897－2006）有關要求執(zhí)行.

每個墩臺從承臺澆注完畢后便進行該墩臺首次觀測，墩身澆筑、拆模后第一時間進行承臺、墩身轉標測量.墩臺的沉降值為左右兩個沉降觀測標沉降值的平均值.箱梁架設前及架設后6各月內(nèi)每周觀測一次，箱梁架設前后各觀測一次.各墩沉降觀測曲線見圖1～5.

圖1 275＃墩沉降曲線

圖2 276＃墩沉降曲線

圖3 277＃墩沉降曲線

圖4 278＃墩沉降曲線

3 沉降計算

等代墩基法沉降計算方法與淺基礎的沉降計算方法相同［10－12］.等代墩基法的確定未考慮樁間土的壓縮變形對沉降的影響［13］.對于深厚軟土中的群樁，樁的主要受力為樁周摩阻力，樁端阻力在群樁全部反力中占的份額較少，因此需要針對深厚軟土中的群樁沉降計算方法進行修正.

由于各墩在墩身施工完畢后至架梁有超過6個月的靜止時間，可以近似認為架梁前樁基沉降量為承臺及墩身自重荷載下的總沉降量.架梁后的荷載按增加箱梁自重和通過的運梁車及托運的預制梁的自重計算.

圖5 279＃墩沉降曲線

3.1 計算總剪力

由于墩身承受豎向荷載時，承臺下周圍地基中存在總剪力

為了驗證突出物間距對紗線牽引力的影響，進行了如圖6所示的實驗。在紗線上等間距固定3個直徑為2mm的球狀顆粒，如圖7所示。

當外荷載F小于總剪力T時，群樁樁長范圍外的周圍土體和樁間土是一個整體，外荷載N并未破壞這個整體，群樁樁長范圍外的周圍土體同樣具備抵抗外荷載的能力，使樁基礎的沉降受到約束.因此，這種地基的沉降計算方法就是把樁的插入視如對樁長范圍內(nèi)的土體的加固，與樁間土體形成復合地基.基礎的最終沉降為樁與樁間土的壓縮量Sp和樁下土的壓縮量Ss之和，即復合地基模式.

當外荷載F大于總剪力T時，沿基礎周圍深度方向的總抗剪力T抵抗不住荷載F的作用，基礎周邊土體會產(chǎn)生較大的剪切變形，此刻群樁樁長范圍外的周圍土體和群樁長度范圍內(nèi)的樁間土體的整體受到破壞，群樁樁長范圍外的周圍土體仍有殘余抵抗力在抵抗樁基礎的下沉，這個抵抗力的合力即為總抗剪力T.在這種情況下樁基礎可以看作時實體深基礎，這種計算模式稱為等代實體深基礎模式.

3.2 SP的計算

對于本工程，經(jīng)計算，各墩的外荷載F遠小于總剪力T，因此采用復合地基模式計算基礎最終沉降量

式中：l為樁長；n為樁長；Ep，Ap為樁的彈性模量和截面積.

3.3 SS的計算

樁尖平面以下土層的壓縮量Ss仍按分層總和法計算

式中：σzi為第i層土中的平均豎向附加應力.

3.4 豎向附加應力計算

受壓土層厚度從樁尖平面算起，附加應力從承臺底面算起，承臺底面附加應力為

計算時，壓縮層厚度取樁尖平面下豎向附加應力等于0.1倍的自重應力處，壓縮模量采用地基土在自重應力加附加應力時對應的模量.各墩基礎沉降的計算過程不再累述，計算結果見表2.

表2 各墩基礎沉降量

4 觀測結果與沉降計算分析

4.1 架梁前沉降分析

由現(xiàn)場時間－沉降觀測曲線可知，各墩觀測時間均超過12個月，其中275＃墩的觀測時間最長為420d，各墩架梁后的觀測時間為140d，觀測次數(shù)均為20次.各墩在架梁前有7～9個月的靜止期，基礎沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，本工程中各橋墩的樁數(shù)、布置方式、承臺尺寸、墩身高度均一致，由于樁長和土體的差異，以及鉆孔灌注樁施工工藝不穩(wěn)定等原因，造成各墩沉降量觀測值有較大不同.架梁前，278＃墩沉降量為1.3mm，277＃及279＃墩的沉降量均為2.1mm，275＃墩雖然樁長最長，由于地質(zhì)條件較差，其沉降量卻最大，達到3.8mm，為278＃墩的2.9倍.架梁前，各墩最大差異沉降為2.5mm.

采用修正的等代墩基法計算橋梁基礎在承臺及墩身自重作用下的沉降值，由于樁周土質(zhì)性狀差異不大，樁長相近，各墩的沉降計算值基本相等.但由于實際觀測值差異較大，計算值為觀測值的0.9～2.6倍，絕對偏差為0.4～2.1mm.這是由于原位觀測時，施工、現(xiàn)場地質(zhì)條件等影響樁基沉降的因素較多，個別因素的微小差異就會造成基礎沉降量差異較大.通過理論計算值與現(xiàn)場實測值的比較，也驗證了相同地質(zhì)條件、相同施工工藝條件下鉆孔灌注樁承載力的不確定性.

4.2 架梁后沉降分析

架梁時橋墩承受架橋機、預制箱梁及運梁車的重量，此時橋墩承受的荷載為最大豎向荷載.架梁后，后架方向的箱梁需通過已經(jīng)架設好的箱梁，橋墩不但承受預制箱梁的自重還有承受運梁車及所托運箱梁的重量.由于架梁作用時間較短且有震動，不易觀測基礎沉降，圖中觀測數(shù)值為架梁作業(yè)完成后的沉降.經(jīng)計算，架梁后的總荷載（21 930kN）為架梁前承臺及墩身自重荷載（8 130kN）的2.7倍.從觀測數(shù)據(jù)可知，架梁后各墩均出現(xiàn)突變沉降，總沉降量比架梁前增大42%～162%，沉降量的增量和荷載的增量并不成正比，沉降量介于3.2～5.6mm之間.架梁前沉降量觀測值較小的278＃墩的沉降量較其他墩大，累計沉降量為3.6mm，大于沉降量最小的279＃墩.隨著觀測時間變長，各墩均出現(xiàn)反彈，總沉降量小幅減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，這由于架梁時荷載最大樁周土體的超空隙水壓力最大，土體的瞬間壓縮較大，隨著荷載的減小空隙水壓力釋放，橋墩基礎小幅上升.從各墩的時間沉降關系可以分析，架梁后3個月墩身沉降均已收斂，達到無砟軌道施工要求.

采用修正的等代實體墩基法計算所得的基礎沉降量遠大于實際觀測量，各墩計算值與實測值的比值在1.6～2.8之間.由此可以看出，理論計算值和實際沉降情況仍有較大差異.確定墩身沉降量仍需要以現(xiàn)場觀測為重要依據(jù).架梁后各墩理論計算最大累計沉降量為9.7mm，實際觀測最大累計沉降量為5.6mm，均小于《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》中規(guī)定的15mm，各墩樁長還有優(yōu)化的空間.

4.3 影響橋梁沉降的因素

4.3.1 樁基施工對沉降的影響 按照《鐵路橋梁施工技術指南》的要求，樁基直徑不小于設計直徑，現(xiàn)場施工時，實際樁徑均大于設計樁徑；樁基和樁周土體的接觸面因土層的變化出現(xiàn)鋸齒或犬牙狀，和設計假想的圓滑面差異較大；樁基施工采用反循環(huán)鉆孔灌筑法，由于采用高密度的鋼筋混凝土取代低密度的土體，樁基混凝土澆筑過程及完成后對樁側及樁下土體均有壓縮，擠密樁周及樁下土體.以上各因素均導致實際沉降值小于計算值.

4.3.2 承臺施工對沉降的影響 橋梁基礎的沉降觀測是從承臺施工完畢后開始的，承臺施工時自重荷載逐漸增大，基礎發(fā)生小幅沉降，此時的沉降在沉降觀測時是沒有觀測到的.此因素將導致觀測值小于實際總沉降量.

4.3.3 計算方法對理論沉降量的影響.修正的等代墩基法計算時，將沉降量分為樁與樁間土的壓縮量和樁下土壓縮量兩部分.在計算樁下土體的壓縮量時，壓縮模量采用地基土在自重應力加附件應力下對應的模量.為準確計算不同荷載下的樁下土體壓縮量，必須取不同土層的原狀土試驗測到不同應力下的壓縮模量繪制應力－壓縮模量曲線，或者通過應力－空隙率曲線計算樁下壓縮量.室內(nèi)試驗得到的不同應力下的壓縮模量或孔隙率與現(xiàn)場實際往往有較大出入.表1中提供的各土層的壓縮模量是在應力較小的情況下得到的，因此荷載較小時，計算值和實測值偏差較小，應力較大時，偏差值較大.壓縮模量的偏差是造成計算值與實際觀測值偏差較大的主要原因之一.

5 結 論

1）通過對京滬高鐵深厚軟土地區(qū)橋梁沉降觀測和理論計算的研究和分析得出，架梁及運梁車通過期間，墩頂荷載及墩身最大值沉降發(fā)生在架梁作業(yè)時，架梁作業(yè)后，墩身沉降有小幅回彈.架梁后3個月內(nèi)，橋梁基礎沉降均已收斂，達到無砟軌道施工要求.

2）樁基的施工工藝、承臺的觀測時間等因素對橋梁基礎的實際沉降量有較大影響；土體壓縮模量試驗的準確度對計算樁基沉降計算結果有較大影響.

3）由于影響橋梁群樁沉降的因素較多，修正的等代墩基法未能考慮全部因素的影響，計算所得的沉降值和實際觀測值仍然有偏差，確定橋梁基礎沉降量仍需要以現(xiàn)場觀測為重要參考依據(jù).計算深厚軟土地區(qū)橋梁沉降的方法仍需要進一步研究.

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