韓曉強(qiáng)，鄒振華，董 亮

(1.中國(guó)鐵路總公司 工程管理中心，北京 100844;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概況

某在建鐵路橋長(zhǎng)738.107 m，設(shè)計(jì)速度250 km/h，橋上鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。孔跨布置為3×32 m簡(jiǎn)支梁+(32+48+32)m連續(xù)梁+15×32 m+1×24 m簡(jiǎn)支梁;最大墩高8.5 m，橋梁采用矩形實(shí)體墩、T 形空心橋臺(tái)、樁基礎(chǔ)，其中 5#～11#，16#，17#墩為摩擦樁基礎(chǔ)，其余為柱樁。本橋從2010年3月開始施工樁基，2012年10月架梁結(jié)束。樁基經(jīng)檢測(cè)滿足要求［1］。

圖1 橋梁縱斷面示意

本橋所處地區(qū)的巖石地基主要為灰?guī)r，而土層地基主要由黏土、粉質(zhì)黏土以及砂卵礫石組成。橋址區(qū)屬亞熱帶氣候，降水量較豐富。本區(qū)地下水受降水量影響，不同的季節(jié)水位變化較大，可達(dá)1～2 m甚至數(shù)十米，且變化迅速，地質(zhì)縱斷面及樁基布置如圖1所示。

橋址屬低山巖溶谷地地貌。橋位跨越溶蝕谷地，谷地平緩開闊，地表多為水田。橋位附近地層巖性分為非可溶巖及可溶巖兩類，整體分布規(guī)律:0～7#墩臺(tái)基巖為灰?guī)r，巖體完整性較好，但巖溶發(fā)育;8#～22#墩臺(tái)上部巖層為頁巖、硅質(zhì)巖夾炭質(zhì)頁巖的雜合巖類，風(fēng)化程度較嚴(yán)重，全、強(qiáng)風(fēng)化層總厚為20～40 m，下部巖層為灰?guī)r偶夾硅質(zhì)巖，巖體完整性一般，巖溶發(fā)育。

2 橋墩異常沉浮成因分析

2.1 橋梁墩臺(tái)沉降觀測(cè)

2010年9月至2014年2月的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，橋墩臺(tái)高程呈規(guī)律性變化，主要表現(xiàn)為每年雨季上升，雨季結(jié)束后下沉。全橋所有墩臺(tái)的升降與時(shí)間關(guān)系一致，全橋墩臺(tái)高程變化最大值為16#墩的38.58 mm。橋梁沉浮典型橋墩數(shù)據(jù)如圖2所示。

2.2 地下水位變化與樁基異常沉浮對(duì)比

利用4個(gè)地質(zhì)鉆孔對(duì)地下水位進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)實(shí)測(cè)的地下水位與沉浮同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖3)，橋墩臺(tái)沉降和上浮的變化趨勢(shì)與地下水位下降和上升趨勢(shì)有較好的一致性。

2.3 墩臺(tái)異常沉浮與地質(zhì)條件關(guān)聯(lián)性分析

圖2 16#橋墩沉降實(shí)測(cè)值

圖3 16#橋墩沉降實(shí)測(cè)值與水位實(shí)測(cè)值

從大地構(gòu)造分區(qū)來看，橋址屬于揚(yáng)子地臺(tái)，是國(guó)內(nèi)最為穩(wěn)定的地塊之一，橋區(qū)不存在影響到墩臺(tái)異常浮沉的地質(zhì)構(gòu)造因素;橋位表層0～3 m黏性土樣不具備膨脹性，表層黏性土的膨脹力難以影響橋基浮動(dòng);墩臺(tái)異常上升時(shí)間為雨季高溫季節(jié)，故墩臺(tái)異常上升與凍脹無關(guān);橋址大量的勘探均未發(fā)現(xiàn)松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結(jié)土、液化土等能產(chǎn)生負(fù)摩阻的特殊性土層，同時(shí)負(fù)摩阻力只能對(duì)墩身產(chǎn)生下拉作用而無法產(chǎn)生上浮作用，不存在因土層負(fù)摩阻力所導(dǎo)致的異常升降問題;橋址表層黏性土覆土很薄，且以粗粒土為主，滲水性較好，不具隔水作用，無法形成可將橋梁墩臺(tái)異常抬升的深層承壓水。

綜上分析表明:橋墩異常沉浮與地質(zhì)構(gòu)造作用、巖土脹縮性、巖土凍脹性、負(fù)摩阻力、承壓水等關(guān)聯(lián)性不足，但從圖3橋墩沉降實(shí)測(cè)值與水位實(shí)測(cè)值的高度一致性可知，沉浮與地下水位的變化有密切的關(guān)聯(lián)性。

3 橋墩變位數(shù)值分析

3.1 地下水位變化影響機(jī)理

地下水位波動(dòng)直接影響土層有效應(yīng)力與孔隙水壓力的相互轉(zhuǎn)化。地下水位下降時(shí)，地基土體孔隙水壓力由于水位下降而減小，但是上覆荷載總應(yīng)力并未改變，原來由孔隙水承擔(dān)的一部分荷載轉(zhuǎn)為由土體骨架承擔(dān)，使得含水層中有效應(yīng)力必然要增加。因此，地下水位下降，表現(xiàn)為地面下沉［2］。地下水位的抬升會(huì)顯著降低土體內(nèi)的有效應(yīng)力，破壞其結(jié)構(gòu)性，導(dǎo)致土體的力學(xué)性能降低;同時(shí)水的潤(rùn)滑作用還會(huì)進(jìn)一步削弱樁土界面的黏結(jié)作用，同時(shí)地下水位的上升也意味著產(chǎn)生超孔隙水壓力的土體范圍會(huì)增加。這些變化會(huì)顯著改變樁土結(jié)構(gòu)體系的受力變形特性。

無論上部荷載大小如何，水位在上升和下降過程中，孔隙比并不是隨著土樣壓縮變形呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)，而是出現(xiàn)了不同程度的增大。由于孔隙比的增大，導(dǎo)致了壓縮模量的減小。在實(shí)際工程中這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的沉降增大［3-4］。

3.2 數(shù)值分析模型建立與基本假設(shè)［5-6］

采用ABAQUS軟件在水位變化的情況下對(duì)樁基的沉降特性進(jìn)行分析。選取2根摩擦樁和2根柱樁進(jìn)行分析計(jì)算。本文僅列舉了16#橋墩計(jì)算分析結(jié)果。

樁采用線彈性模型，土體采用Mohr-Coulomb模型，樁土之間建立非線性接觸關(guān)系。樁的彈性模量取32 GPa，泊松比0.2。模型在豎向取樁長(zhǎng)的2～3倍，深度100～130 m，寬度100 m。

假設(shè)地質(zhì)分層均勻，不存在異常情況，地下水位均勻下降，地層中不存在承壓水情況。樁土界面建立庫侖摩擦模型的接觸關(guān)系，根據(jù)鉆探資料剪切試驗(yàn)結(jié)果估算其摩擦系數(shù)近似取0.3。

分析過程分為兩步，第一步分析平衡初始地應(yīng)力場(chǎng)和豎向荷載，第二步分析水位變化的影響，獲取不同水位變化條件下的樁頂平面變形。

3.3 地下水位變化影響規(guī)律分析

3.3.1 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算中假定地下水位從承臺(tái)頂面開始下降，分別下降2，12，22，32和 42 m 時(shí)，橋墩樁身軸線、距樁基0.5 m、距樁基20 m情況下的地基附加應(yīng)力如圖4、圖5所示。

圖4 地基附加應(yīng)力

圖5 附加應(yīng)力與水位下降關(guān)系

地下水位分別下降42 m和2 m時(shí)，承臺(tái)頂平面和樁底平面的沉降如圖6所示。結(jié)果表明，對(duì)于承臺(tái)平面，承臺(tái)沉降遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)離樁基的地基沉降;對(duì)于樁底平面，樁基下方土體沉降略大于遠(yuǎn)離樁基的地基土體沉降。

圖6 承臺(tái)頂和樁底沉降曲線

圖7 橋墩地基沉降

圖7分別為水位下降42 m和12 m時(shí)，樁身軸線、距樁基0.5 m、距樁基20 m情況下地基沿深度的沉降情況。樁身范圍內(nèi)，樁體沉降變形極小，距樁基0.5 m沉降有所增大，距樁基20 m沉降最大;樁尖以下部分土體的沉降變形較為接近，樁身和地基土體的沉降變形與水位下降深度、地層分布有較大關(guān)系。

匯總樁頂和樁底沉降隨地下水位下降的變化關(guān)系如圖8所示，隨地下水位下降深度增大，承臺(tái)平面樁頂和樁底沉降逐漸增大。

圖8 橋墩承臺(tái)沉降與水位下降關(guān)系

3.3.2 計(jì)算分析結(jié)論

根據(jù)設(shè)計(jì)資料和地質(zhì)補(bǔ)充勘察資料，8#，16#墩摩擦樁和4#，20#墩柱樁沉降變形計(jì)算分析結(jié)果如表1和表2所示。

表1 地下水位下降不同深度時(shí)承臺(tái)頂沉降變形計(jì)算結(jié)果匯總mm

表2 樁基沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果匯總 mm

根據(jù)地下水位變化條件下樁基變位數(shù)值分析結(jié)果，得出如下結(jié)論:

1)實(shí)測(cè)橋墩豎向變位與地下水位變化的規(guī)律基本一致，地下水位變化是橋墩樁基出現(xiàn)異常變位的主要原因之一，樁基變位量值大小與地下水位變化幅度、基礎(chǔ)地質(zhì)條件等因素有關(guān)。

2)8#，16#墩摩擦樁地質(zhì)條件單一，沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，數(shù)值計(jì)算結(jié)果能較好地反映地下水位變化對(duì)樁基變位的影響。4#，20#墩柱樁地質(zhì)條件復(fù)雜，沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定差異，數(shù)值計(jì)算結(jié)果受地質(zhì)條件影響較大。

3)地下水位變化對(duì)地基穩(wěn)定不利，地下水位上升會(huì)將降低樁間土和下臥層地基承載力特征值，地下水位下降會(huì)加大地基荷載。

4)關(guān)于地下水位上升情況下對(duì)橋墩基礎(chǔ)變位的影響，計(jì)算分析表明與地下水位下降工況的結(jié)果基本一致。

4 工程處理措施

根據(jù)研究分析的沉浮原因，對(duì)本橋提出了針對(duì)性的工程處理措施:

1)將原采用摩擦樁的橋墩采用柱樁補(bǔ)強(qiáng)，盡量消除地下水位變化對(duì)樁基的影響。

2)在兩橋臺(tái)過渡段采取改善差異沉降的構(gòu)造措施，減少橋頭路基的不平順性，以滿足鐵路規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論及建議

1)現(xiàn)有鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)沉降計(jì)算僅考慮地層的壓縮模量，未考慮壓縮模量在有水、無水狀態(tài)下的變化，因此建議鐵路規(guī)范進(jìn)一步考慮地下水位變化對(duì)沉降變形的影響。

2)由本橋沉浮及相鄰橋墩的差異沉降分析可知，差異沉降大的橋墩基礎(chǔ)樁基長(zhǎng)度相差較大，因此在無砟軌道結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中相鄰樁長(zhǎng)差異不能過大。

3)本橋的下沉和上浮現(xiàn)象在鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降中十分罕見，本文在大量的實(shí)測(cè)資料和勘探的基礎(chǔ)上，剖析了沉浮發(fā)生的地質(zhì)原因，并采用有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究出沉浮的主要原因，提出了針對(duì)性的工程處理措施，供同類橋梁的設(shè)計(jì)借鑒。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10020—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

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