張 多 平

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

鄭州至西安客運(yùn)專(zhuān)線全長(zhǎng)458.8 km[1]，陜西境內(nèi)線路穿越渭河沖積平原,南倚秦嶺,北臨渭河,沿線80%區(qū)段分布濕陷性黃土，濕陷性黃土孔隙比高，壓縮性大，濕陷后不僅樁側(cè)摩阻力會(huì)顯著降低，更會(huì)急劇加大路基、橋梁和隧道工程的沉降，這是濕陷性黃土區(qū)修建高速鐵路需要解決的最大技術(shù)難題。黃土計(jì)算參數(shù)的合理選取不僅能夠保證結(jié)構(gòu)的安全，而且能夠有效降低投資；之前研究濕陷性黃土的側(cè)重點(diǎn)是承載力，對(duì)黃土濕陷后樁基礎(chǔ)的附加變形關(guān)注較少，無(wú)碴軌道高速鐵路沉降控制是線下工程的核心技術(shù)，也是修建高速鐵路成敗的關(guān)鍵[2,3]。2005年8月，項(xiàng)目單位在3個(gè)不同地貌單元進(jìn)行了濕陷性黃土的樁基載荷試驗(yàn)。其中潼關(guān)縣高橋鄉(xiāng)(鄭西鐵路里程DK346+950)濕陷性黃土覆蓋層厚，濕陷嚴(yán)重，下文僅就該處試驗(yàn)情況及試驗(yàn)成果對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)情況做一簡(jiǎn)單介紹。

1 試驗(yàn)點(diǎn)地層地質(zhì)情況

2 試驗(yàn)內(nèi)容及過(guò)程

2.1 試驗(yàn)裝備及安裝

兩根試驗(yàn)樁樁徑80 cm，其中1號(hào)樁長(zhǎng)60 m，2號(hào)樁長(zhǎng)50 m；8根錨樁。浸水試驗(yàn)坑短軸長(zhǎng)42 m，長(zhǎng)軸長(zhǎng)48 m，為加快濕陷，試坑內(nèi)設(shè)置多個(gè)滲水孔，孔內(nèi)填砂卵石，整個(gè)試坑內(nèi)鋪設(shè)10 cm～15 cm厚的砂卵石，見(jiàn)圖1。采用滑動(dòng)測(cè)微計(jì)探測(cè)樁身應(yīng)變、計(jì)算軸力。每根試樁通過(guò)反力梁對(duì)應(yīng)4根錨樁。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及過(guò)程

對(duì)試樁1、樁2在浸水前加壓至設(shè)計(jì)工作荷載(1號(hào)、2號(hào)試樁的工作荷載為3 000 kN和2 000 kN)，變形穩(wěn)定后，向試坑內(nèi)浸水，至全部濕陷性土層達(dá)到飽和(其間樁頂荷載不變)、樁頂下沉穩(wěn)定后，繼續(xù)分級(jí)豎向加載至極限狀態(tài)。

3 試驗(yàn)主要成果

3.1 試驗(yàn)結(jié)果的修正

第一，樁身斷面修正：由于工程試樁樁徑隨深度而變化，由此導(dǎo)致樁身各測(cè)段實(shí)測(cè)應(yīng)變值具有變異性，因此將其歸一化到樁身設(shè)計(jì)直徑80 cm；其次，承載能力換算到工程實(shí)際樁徑125 cm方便比較。

第二，樁身彈性模量修正：混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系在超過(guò)一定的應(yīng)力水平后呈現(xiàn)出非線性特性，其彈性模量將隨應(yīng)變或軸力的增加而降低。本次試驗(yàn)各樁混凝土彈性模量根據(jù)樁頂實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變求算。

第三，應(yīng)變曲線擬合：試樁回歸應(yīng)變—樁深關(guān)系曲線采用約束樣條擬合方法進(jìn)行磨光處理，目的是消除局部量測(cè)誤差引起的離散點(diǎn)。

3.2 浸水濕陷引起樁的附加變形

1號(hào)、2號(hào)試樁加載變形穩(wěn)定后，盡管外載不變，但由于土壤的浸水濕陷，樁頂仍將發(fā)生較大的附加變形，見(jiàn)圖2。1號(hào)、2號(hào)樁外載變形僅為2.61 mm和1.76 mm，但由于土壤的浸水濕陷引起的附加變形達(dá)到11.69 mm和11.08 mm。

3.3 樁基負(fù)摩阻力的大小及出現(xiàn)規(guī)律

1號(hào)、2號(hào):1月3號(hào)開(kāi)始浸水，50 d后樁周土飽和，共計(jì)浸水49 704 m3。1號(hào)、2號(hào)樁維持樁頂荷載3 000 kN,2 000 kN不變，不同時(shí)期樁身各測(cè)段截面修正(樁徑仍為80 cm)后的應(yīng)變值見(jiàn)圖3。

根據(jù)樁身應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，樁側(cè)阻力沿樁身分布曲線見(jiàn)圖4。由圖4看出：

1)隨浸水周期的延長(zhǎng)，樁側(cè)摩阻力的中性點(diǎn)位置逐漸下移，下移速率逐漸降低，最終穩(wěn)定在17 m～18 m間。

2)負(fù)摩阻峰值位置相對(duì)固定，約在7 m處，最大值22.0 kPa～36.5 kPa間。

3.4 單樁豎向極限承載力

如圖5所示，1號(hào)樁加載到10 200 kN時(shí)，樁的沉降量已超過(guò)前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍，樁頂總沉降量超過(guò)40 mm；2號(hào)樁試驗(yàn)加載到8 000 kN時(shí)，樁的沉降量已是前一級(jí)荷載作用下沉降量的11倍，樁頂總沉降量達(dá)到38.2 mm，且24 h未達(dá)到穩(wěn)定。

說(shuō)明樁頂荷載達(dá)到10 200 kN和8 000 kN時(shí)，1號(hào)和2號(hào)試驗(yàn)樁已達(dá)到破壞狀態(tài)，取其前一級(jí)荷載9 600 kN和7 500 kN作為1號(hào)樁和2號(hào)樁的單樁極限承載力。換算到同場(chǎng)地條件下125 cm樁60 m及50 m的極限承載力為13 900 kN和10 100 kN。

4 設(shè)計(jì)原則及理論計(jì)算

4.1 濕陷性黃土負(fù)摩阻力的取值原則

試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土濕陷后，樁側(cè)摩阻力的中性點(diǎn)在樁頂下17 m～18 m之間，由此可以認(rèn)為，黃土濕陷的影響范圍一般在地表下20 m范圍內(nèi)；同時(shí)，根據(jù)圖3，3月15日的黃土濕陷發(fā)生最充分，負(fù)摩阻力的平均值接近15 kPa，與GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范取值15 kPa[4]基本吻合。

4.2 樁基承載能力計(jì)算

根據(jù)濕陷性黃土負(fù)摩阻力的取值原則，結(jié)合《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)資料，黃土濕陷后，125 cm樁樁長(zhǎng)60 m及50 m時(shí)的設(shè)計(jì)承載能力分別為4 582 kN和3 207 kN。

4.3 總沉降計(jì)算

鄭西線樁基礎(chǔ)的沉降計(jì)算采用在工程實(shí)踐中普遍應(yīng)用的等效作用分層總和法[5]。按單樁理論計(jì)算沉降，樁底面以上樁間土及樁基本體的壓縮所引起的沉降量很小，一般情況下，可以通過(guò)計(jì)算樁底土層的壓縮來(lái)控制樁基礎(chǔ)的沉降設(shè)計(jì)?？紤]負(fù)摩阻力，1號(hào)、2號(hào)樁樁頂外荷載分別是3 000 kN和2 000 kN時(shí)，計(jì)算總沉降分別為10 mm和8 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

1)等效作用分層總和法計(jì)算樁基礎(chǔ)的沉降偏于保守，采用這種計(jì)算辦法是安全的，但濕陷性黃土浸水飽和后的附加變形比較大，需額外重視由此引起的沉降造成鐵路工程的不良后果。

2)從試驗(yàn)過(guò)程可以看出，樁基濕陷后的附加變形遠(yuǎn)大于外載變形，但樁基的濕陷過(guò)程是一個(gè)緩慢的過(guò)程，所以，加強(qiáng)墩臺(tái)的防排水設(shè)計(jì)是避免黃土濕陷、節(jié)省投資的有效途徑。

3)相對(duì)于天然狀態(tài)，濕陷性黃土浸水后的單樁極限承載力有顯著降低，但從黃土發(fā)生濕陷的條件看，濕陷一般在地面下一定范圍內(nèi)較易發(fā)生，所以，樁側(cè)負(fù)摩阻力的取值范圍不宜根據(jù)濕陷性黃土的厚度來(lái)確定，但可以根據(jù)工程發(fā)生浸水的時(shí)效性選取濕陷厚度。