田萬(wàn)俊，馬建林

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

1 概述

在黏性土地區(qū)，橋梁樁基礎(chǔ)的沉降控制是一個(gè)必須解決的難題之一，尤其是在這種地區(qū)修建高速鐵路、無(wú)砟軌道橋梁時(shí)，沉降問(wèn)題顯得更加突出。目前我國(guó)的鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于沉降方面的內(nèi)容，只給出了總沉降的計(jì)算方法［1］，而要進(jìn)行沉降控制，工后沉降占總沉降的比重、樁基礎(chǔ)壓縮層厚度的確定、沉降隨荷載和時(shí)間的變化等等又是必須解決的問(wèn)題［2-3］，否則黏性土地區(qū)修建高速鐵路、無(wú)砟軌道橋梁根本無(wú)從談起。本文將針對(duì)這些問(wèn)題一一進(jìn)行探討，以期在沉降控制方面有所突破。

2 關(guān)于工后沉降的研究

對(duì)于橋梁基礎(chǔ)的沉降控制，實(shí)際是控制鋼軌鎖定以后的沉降量即工后沉降，也就是說(shuō)在鋼軌鎖定之前(如墩臺(tái)施工、架梁、運(yùn)梁、鋪設(shè)二期恒載等施工過(guò)程)必然要發(fā)生一部分沉降，這部分沉降取值的準(zhǔn)確與否又是非常關(guān)鍵的。工后沉降，理論上可以通過(guò)計(jì)算求得，如利用數(shù)值模擬法進(jìn)行計(jì)算［4-5］，而利用數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算時(shí)要求土的力學(xué)性能參數(shù)十分準(zhǔn)確，這在千變?nèi)f化的地質(zhì)情況中是很難掌握的，有時(shí)甚至是不可能得到的。因此，本文將利用已有的大量沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析歸納，得出工后沉降占總沉降的比重，而總沉降可以通過(guò)規(guī)范法計(jì)算求得。

2.1 以目前已經(jīng)通車的京津城際鐵路的實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析研究

(1)北京環(huán)線特大橋:架梁后的工后沉降占總沉降的比重平均55%，最大88%，最小0%;

(2)楊村特大橋:部分無(wú)砟軌道底座板施工后的工后沉降占總沉降的比重平均 12.6%，最大 51.2%(只有2個(gè)墩最大達(dá)到84%和67.6%)，最小5%;部分鋪軌后的工后沉降占總沉降的比重平均10.7%，最大31%，最小1.1%;

(3)涼水河特大橋:鋪軌后的工后沉降占總沉降的比重平均 4.4% ，最大 21.5%;

(4)永定新河特大橋:部分鋪軌后工后沉降占總沉降的比重平均12.9%，最大40.6%;部分底座板施工后工后沉降占總沉降的比重平均2.5%，最大32%。

從上可知:對(duì)于類似天津地域的軟土、松軟土等黏性土，工后沉降占總沉降的比重平均僅為13%，最大為51.2%(只有個(gè)別達(dá)到84%)。因此可初步認(rèn)為這種地質(zhì)條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過(guò)55%;對(duì)于類似北京地域以中細(xì)砂為主的地層，工后沉降占總沉降的比重達(dá)到50% ～90%，但樁基總沉降量一般小于7 mm。

2.2 以京滬高速鐵路北京至濟(jì)南之間的橋梁基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析

由于沉降在隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)展，理論上講沉降的實(shí)測(cè)值是得不到的。沉降觀測(cè)值僅僅是在某一時(shí)刻的沉降發(fā)生情況，在時(shí)間和空間上是有限的。因此，當(dāng)沉降發(fā)展到一定程度時(shí)，利用已發(fā)生的沉降就可以預(yù)測(cè)出總沉降和工后沉降，已發(fā)生的沉降時(shí)間越長(zhǎng)，則預(yù)測(cè)值越接近實(shí)際值，一般要求預(yù)測(cè)時(shí)的沉降觀測(cè)值要大于預(yù)測(cè)總沉降值的75%以上。下面以京滬高速鐵路天津特大橋的部分沉降資料為例進(jìn)行研究，見(jiàn)表1和圖1。

表1 天津特大橋部分橋墩沉降資料

續(xù)表1

圖1 天津特大橋部分橋墩沉降曲線匯總

其余橋梁的沉降情況匯總?cè)绫?所示。

從表2可知:對(duì)于類似華北地域的軟土、松軟土等黏性土地段，橋梁樁基礎(chǔ)工后沉降占總沉降的比重平均10.44%，最大為49.04%。因此可初步認(rèn)為這種地質(zhì)條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過(guò)50%。

表2 工后沉降占預(yù)測(cè)總沉降比值統(tǒng)計(jì)

2.3 小結(jié)

通過(guò)上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)比較，可以得出如下結(jié)論:

(1)對(duì)于類似天津地域的軟土、松軟土地段的黏性土，工后沉降占總沉降的比重平均僅為13%左右，最大接近55.0%(只有京津城際有個(gè)別達(dá)到84%)。因此可認(rèn)為這種地質(zhì)條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過(guò)55%;

(2)對(duì)于類似北京地域以中細(xì)砂為主的地層，樁基總沉降量一般均較小(一般小于7 mm)，工后沉降占總沉降的比重離散性較大。

3 關(guān)于基底壓縮層厚度的研究

黏性土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)的沉降計(jì)算中，壓縮層厚度的確定也是非常重要的環(huán)節(jié)。在現(xiàn)行的規(guī)范中，因樁基沉降計(jì)算模式不同，壓縮層厚度的確定方法也不同。對(duì)于沉降計(jì)算深度的確定，鐵路規(guī)范、公路規(guī)范和地基規(guī)范均是采用變形比法來(lái)確定［1，6，7］，即“應(yīng)變控制法”來(lái)確定。另外，《樁基規(guī)范》則采用“應(yīng)力控制法”，計(jì)算深度處的附加應(yīng)力為該處自重應(yīng)力的0.2倍來(lái)確定［8］;而《上海地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求計(jì)算深度處的附加應(yīng)力為該處自重應(yīng)力的0.1倍。本文將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論計(jì)算對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究。

3.1 壓縮層厚度計(jì)算方法簡(jiǎn)介

(1)應(yīng)力控制法(應(yīng)力比法)

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，樁基沉降計(jì)算深度zn按應(yīng)力比法確定，即計(jì)算深度處的附加應(yīng)力σz與土的自重應(yīng)力σc應(yīng)符合下列公式要求

式中 aj——附加應(yīng)力系數(shù)，可根據(jù)角點(diǎn)劃分的矩形長(zhǎng)寬比及深寬比按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)附錄D選用;

p0j——第j塊矩形地面在荷載準(zhǔn)永久組合下的附加壓力，kPa。

(2)應(yīng)變控制法(應(yīng)變比法)

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2002)和《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.5—2005)，地基變形計(jì)算深度，即壓縮層厚度，地基變形計(jì)算深度zn按應(yīng)變控制法，應(yīng)滿足下式要求

(3)此外還有經(jīng)驗(yàn)公式法、何頤華法、公式推導(dǎo)法等。

3.2 壓縮層厚度理論計(jì)算方法比較

利用“應(yīng)力控制法”和“應(yīng)變控制法”對(duì)選定的試驗(yàn)工點(diǎn)橋梁樁基礎(chǔ)基底壓縮層厚度進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)工點(diǎn)壓縮層厚度理論計(jì)算值 m

從表3可知，“應(yīng)力控制法”求得的壓縮層厚度小于“應(yīng)變控制法”的計(jì)算值，就平均值而言，“應(yīng)變控制法”計(jì)算所得到的基底壓縮層厚度為以10%和20%為條件的”應(yīng)力控制法”計(jì)算的1.52倍和2.4倍。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)壓縮層厚度試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)方案

①預(yù)先將管口密封的、內(nèi)徑φ144 mm的鋼管(可考慮將一原設(shè)計(jì)的聲測(cè)管改為內(nèi)徑φ144 mm鋼管)固定在基樁鋼筋籠內(nèi)。

②當(dāng)泥漿護(hù)壁鉆孔結(jié)束后，將帶有鋼管的鋼筋籠下入孔內(nèi)至樁底，然后進(jìn)行正常的水下灌注混凝土作業(yè)。當(dāng)基樁混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度以后，可在樁身鋼管內(nèi)進(jìn)行樁底鉆孔，待鉆至設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行單點(diǎn)沉降計(jì)的安裝。

③每根試驗(yàn)樁埋設(shè)1只單點(diǎn)沉降計(jì)。單點(diǎn)沉降計(jì)對(duì)所測(cè)點(diǎn)至單點(diǎn)沉降計(jì)固定點(diǎn)之間的相對(duì)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。單點(diǎn)沉降計(jì)固定點(diǎn)設(shè)置在承臺(tái)底面(即樁頂)處。

④所有測(cè)試元器件采用遠(yuǎn)距離自動(dòng)監(jiān)測(cè)模式，以使所有樁基、承臺(tái)、墩身、架梁等施工工作可以不受影響照常進(jìn)行。同時(shí)，這也有利于監(jiān)測(cè)結(jié)果能排除施工干擾，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也有利于對(duì)元器件的保護(hù)。

⑤測(cè)點(diǎn)分別設(shè)在樁底至樁下30 m處。每墩3個(gè)樁的各測(cè)點(diǎn)可埋設(shè)于不同的深度，以對(duì)壓縮層厚度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。埋設(shè)的具體位置應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)地層情況而定。

⑥監(jiān)測(cè)時(shí)間為埋設(shè)元器件后至鋪設(shè)無(wú)砟軌道后3個(gè)月，需要時(shí)可延續(xù)至鋪設(shè)無(wú)砟軌道后24個(gè)月。

單點(diǎn)沉降計(jì)與液位沉降計(jì)聯(lián)合監(jiān)測(cè)示意見(jiàn)圖2。

圖2 單點(diǎn)沉降計(jì)與液位沉降計(jì)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)示意

(2)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)整理(表4)

表4 實(shí)測(cè)各工點(diǎn)壓縮層厚度值匯總

3.4 橋梁樁基壓縮層厚度實(shí)測(cè)值與規(guī)范計(jì)算值對(duì)比分析(表5)

表5 各工點(diǎn)壓縮層厚度實(shí)測(cè)與計(jì)算值匯總 m

3.5 結(jié)果匯總及結(jié)論

從表5給出的試驗(yàn)工點(diǎn)橋梁樁基沉降的實(shí)測(cè)值與規(guī)范計(jì)算值對(duì)比分析中可以得到如下結(jié)論:

(1)與實(shí)測(cè)值相比，以10%應(yīng)力比為條件的“應(yīng)力控制法”計(jì)算得出的壓縮層厚度最為接近，平均值比實(shí)測(cè)值大15%;

(2)與實(shí)測(cè)值相比，以20%應(yīng)力比為條件的“應(yīng)力控制法”計(jì)算得出的壓縮層厚度偏小，平均值比實(shí)測(cè)值小27%;

(3)與實(shí)測(cè)值相比，“應(yīng)變控制法”計(jì)算得出的壓縮層厚度普遍偏大;

(4)對(duì)于類似的松軟土地區(qū)，采用10%應(yīng)力比為條件的“應(yīng)力控制法”計(jì)算壓縮層厚度為宜。

4 關(guān)于沉降隨時(shí)間和荷載的計(jì)算方法研究

沉降發(fā)展的主要影響因素有荷載、土層和時(shí)間等。雖然可以通過(guò)有限元法等數(shù)值方法對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降發(fā)展規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算，但做為工程應(yīng)用來(lái)講，由于有限元土體參數(shù)的確定計(jì)算指標(biāo)和試驗(yàn)技術(shù)上等問(wèn)題，使得有限元計(jì)算沉降方法很難在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用［9-10］。

本文通過(guò)大量實(shí)際橋梁沉降監(jiān)測(cè)資料的積累，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上找出地基沉降過(guò)程的具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的沉降變形曲線進(jìn)行回歸，以預(yù)測(cè)其沉降發(fā)展規(guī)律，具有很強(qiáng)的可操作性，并符合工程實(shí)際特點(diǎn)，暫稱之為“變形過(guò)程指數(shù)法”，計(jì)算公式如下

式中 t——時(shí)間變量，d;

St——t時(shí)刻發(fā)生的沉降，mm;

S∞——最終沉降量，mm，可通過(guò)有限元計(jì)算或規(guī)范計(jì)算等方法得到;

Nt——t時(shí)刻的作用在樁基上的累計(jì)恒載，kN;

N∞——作用在樁基上的最終恒載，kN;

α——擬合參數(shù)，與土層性質(zhì)、樁基布置、施工方法和工藝等有關(guān)。

下面以京滬高速鐵路天津特大橋某橋墩為例，進(jìn)行沉降曲線擬合分析計(jì)算，見(jiàn)表6、表7。沉降曲線擬合見(jiàn)圖3。

表6 天津特大橋H109號(hào)墩 計(jì)算數(shù)據(jù)

表7 天津特大橋H109號(hào)墩 觀測(cè)沉降量與預(yù)測(cè)沉降量對(duì)比

圖3 天津特大橋H109號(hào)墩沉降曲線擬合

從上面沉降計(jì)算的公式中可知，當(dāng)計(jì)算某時(shí)刻的沉降值時(shí)，總沉降、總荷載、該時(shí)刻的荷載等資料都可以根據(jù)實(shí)際計(jì)算工點(diǎn)的資料中取得，唯一難以確定的參數(shù)是與土層性質(zhì)、樁基布置、施工方法和工藝等有關(guān)的參數(shù)——α，該值無(wú)法通過(guò)計(jì)算求得，本文利用大量的實(shí)際沉降觀測(cè)進(jìn)行曲線回歸，從而得出在黏性土地區(qū)的該參數(shù)取值范圍為0.01～0.03，從而為沉降計(jì)算提供了非常便捷有效的途徑，解決了長(zhǎng)期困擾工程技術(shù)人員的沉降隨時(shí)間和荷載變化的計(jì)算難題。

5 結(jié)語(yǔ)

黏性土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)沉降控制是橋梁設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，如果對(duì)沉降特性沒(méi)有一個(gè)詳細(xì)而準(zhǔn)確的了解，其結(jié)果是要么設(shè)計(jì)過(guò)于保守，造成工程浪費(fèi);要么工程措施不足，給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)隱患。通過(guò)大量的工程測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)黏性土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)沉降，得出如下結(jié)論:

(1)對(duì)于類似天津地域的軟土、松軟土地段的黏性土，工后沉降占總沉降的比重平均僅為13%左右，最大接近55.0%。因此可認(rèn)為這種地質(zhì)條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過(guò)55%;

(2)對(duì)于類似北京地域以中細(xì)砂為主的地層，樁基總沉降量一般均較小(一般小于7 mm)，工后沉降占總沉降的比重離散性較大;

(3)對(duì)于黏性土地區(qū)，采用10%應(yīng)力比為條件的“應(yīng)力控制法”計(jì)算壓縮層厚度為宜;采用“應(yīng)變控制法”計(jì)算出的壓縮層厚度偏大;

(4)對(duì)于沉降隨時(shí)間和荷載的計(jì)算，采用本文提出的“變形過(guò)程指數(shù)法”方便實(shí)用，極大地解決了關(guān)于沉降計(jì)算的工程難題，具有很高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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