王 碩

（北華航天工業(yè)學(xué)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(yùn)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(yōu)越性，但是對于任何土木工程結(jié)構(gòu)物來講，在使用期間結(jié)構(gòu)物在自重及荷載的作用下會出現(xiàn)沉降問題，特別是對于黃土地區(qū)的鐵路線路而言，橋梁樁基礎(chǔ)在鋪軌時(shí)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(yùn)營安全，所以對于高速鐵路線路整體建設(shè)的優(yōu)劣，樁基礎(chǔ)工后沉降控制效果有著直接而顯著的影響。

由于現(xiàn)存關(guān)于樁基礎(chǔ)沉降理論的計(jì)算還不十分完備，另外由于計(jì)算參數(shù)很難進(jìn)行準(zhǔn)確的選取，所以導(dǎo)致樁基礎(chǔ)在實(shí)際受載環(huán)境下的沉降值與理論計(jì)算值吻合度不夠好，尤其對于濕陷性黃土地區(qū)的橋梁樁基礎(chǔ)來講，目前為止在基礎(chǔ)工程理論上并沒有一套完整實(shí)用的計(jì)算方法，現(xiàn)行的鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范也只是根據(jù)橋梁樁基礎(chǔ)出現(xiàn)的工后沉降給出一定的控制規(guī)定。而橋梁樁基礎(chǔ)的沉降實(shí)際上是墩臺、基礎(chǔ)及樁周地基土相互作用所產(chǎn)生的結(jié)果，也是土木工程領(lǐng)域中樁土相互作用的研究重點(diǎn)，其理論研究在一定程度上是落后于實(shí)際應(yīng)用的。

文章以徐蘭高速鐵路寶蘭段渭河區(qū)沿線的某橋梁施工現(xiàn)場樁基礎(chǔ)浸水試驗(yàn)作為研究的基礎(chǔ)，對濕陷黃土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)浸水所產(chǎn)生的附加沉降進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上分析產(chǎn)生橋梁樁基礎(chǔ)沉降的各種因素，得到相應(yīng)的橋梁樁基工后沉降計(jì)算方法，進(jìn)而提出有效的控制橋梁工后沉降的建議及措施。

2 樁基礎(chǔ)附加沉降的試驗(yàn)分析

對位于寶蘭段渭河區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行浸水試驗(yàn)，并考慮材料蠕變的影響。其試驗(yàn)過程為：①將橋梁樁基礎(chǔ)加載至設(shè)計(jì)載荷；②保持樁身承受設(shè)計(jì)載荷值不變的情況下，對樁基礎(chǔ)周身的黃土進(jìn)行持續(xù)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(yàn)坑內(nèi)地面標(biāo)注點(diǎn)連續(xù)5d的下沉量不大于1mm/d時(shí)停止注水；③保持設(shè)計(jì)載荷值不變使樁基礎(chǔ)周身的土體再次固結(jié)沉降直至穩(wěn)定；④再次浸水，對試驗(yàn)樁基礎(chǔ)進(jìn)行分級加載直至發(fā)生破壞。試驗(yàn)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(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)分析可得：

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

2）樁基礎(chǔ)的浸水試驗(yàn)與樁周土體性質(zhì)具有緊密的關(guān)系，對比密實(shí)砂土地區(qū)的高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)沉降相關(guān)數(shù)據(jù)，可知濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路樁基礎(chǔ)的樁端沉降及浸水后的附加沉降均高于地處密實(shí)砂土地區(qū)的樁基礎(chǔ)沉降量。

3）在三根試驗(yàn)樁基礎(chǔ)上，浸水后所產(chǎn)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(chǔ)自身所產(chǎn)生的壓縮及由于材料性質(zhì)產(chǎn)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(chǔ)工后沉降的組成

依據(jù)上述試驗(yàn)分析所得出的分析結(jié)果，并且考慮在鐵路橋梁施工中，當(dāng)梁上進(jìn)行鐵路線路鋪軌的一刻起，橋梁樁基礎(chǔ)底面的下臥層逐漸被壓縮，進(jìn)而由于固結(jié)作用使土體產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，由于此時(shí)軌道結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)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(jié)構(gòu)來說，由高速動(dòng)車組所產(chǎn)生的動(dòng)活載對土體所引起的固結(jié)作用較弱，相應(yīng)的沉降量較小。對寶蘭段高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)進(jìn)行的動(dòng)力載荷試驗(yàn)研究也充分證實(shí)了這一點(diǎn)，即不會發(fā)生樁基礎(chǔ)沉降的積累變形。故而，高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)的工后沉降可以按照鋪軌時(shí)刻起在恒載作用下對基底產(chǎn)生的土體固結(jié)沉降量來進(jìn)行計(jì)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(chǔ)工后沉降相關(guān)各因素的計(jì)算

4.1 樁基礎(chǔ)端部沉降

樁基礎(chǔ)端部沉降計(jì)算時(shí)僅考慮了浸水后樁側(cè)的阻力及端阻增加量所引起的附加應(yīng)力增大，故而產(chǎn)生的沉降值，在樁端沉降計(jì)算中采用Mindlin-Geddes附加應(yīng)力法，在豎向集中力F作用于半無限體內(nèi)部距離地面深度處，依據(jù)Mindlin-Geddes方法可以得到半無限體內(nèi)任一點(diǎn)的豎向應(yīng)力σz為

式中：

μ——土體的泊松比；

z——計(jì)算點(diǎn)距離地面的豎向距離；

c——理論計(jì)算點(diǎn)處距集中荷載作用點(diǎn)處在水平方向上的距離。

通過上述計(jì)算得到地基土的附加應(yīng)力后，可得樁端沉降

式中：

σzi——第i層地基土的附加應(yīng)力；

Ei——土的壓縮模量。

4.2 樁基礎(chǔ)的壓縮

假定橋梁樁身各節(jié)段的壓縮變形量值為，則樁基礎(chǔ)的總壓縮量為

式中：

n——樁身的節(jié)段數(shù)；

εi，εi+1——某節(jié)段樁身處及相鄰節(jié)段樁身處測得的應(yīng)變值。

4.3 樁基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為離散，所以不易對橋梁樁基產(chǎn)生的蠕變進(jìn)行精確計(jì)算。較為可靠的辦法是運(yùn)用同一批次的混凝土制作試件，直接對其進(jìn)行蠕變試驗(yàn)及測量，或者運(yùn)用短期的測量數(shù)據(jù)推算長期的蠕變值。

假定樁基混凝土在應(yīng)力σ（t0）作用下，至齡期t時(shí)的總應(yīng)變?yōu)?εcσ(t,t0)，由起始應(yīng)變 εci(t0)和蠕變 εcc(t,t0),兩部分組成：

式中：

t0—荷載作用時(shí)混凝土的齡期；

t0-—計(jì)算所需應(yīng)變的齡期；

Ec（t0)-齡期為t0時(shí)混凝土彈性模量值。

單位應(yīng)力作用下混凝土蠕變值即為蠕變度或單位蠕變：

單位應(yīng)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(nèi)進(jìn)行變化：

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

式中：

φr—為樁基礎(chǔ)蠕變影響因數(shù)；

C（8 ，t0）—為單位蠕變值；

A—為樁基礎(chǔ)的橫截面面積。

5 改善樁基礎(chǔ)工后沉降的有效措施

由于西北地區(qū)特有的黃土濕陷性質(zhì)，高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)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(yīng)該做到零工后沉降值的標(biāo)準(zhǔn)，但按照以往的工程經(jīng)驗(yàn)，對于橋梁樁基礎(chǔ)而言，設(shè)計(jì)及施工中往往可以滿足結(jié)構(gòu)的承載力要求，但是其樁基礎(chǔ)的沉降量卻不一定滿足要求。因此在高速鐵路橋梁的實(shí)際建設(shè)過程中，通常需要采用預(yù)加荷載等措施，并保持一定的時(shí)間，通過對整個(gè)橋梁主體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，測量橋梁樁基礎(chǔ)的沉降量，當(dāng)橋梁完成大部分沉降滿足相關(guān)要求后再進(jìn)行后續(xù)的鐵路軌道的鋪設(shè)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(chǔ)工后沉降的控制中，首先應(yīng)當(dāng)建立起完善且規(guī)范的工后沉降科學(xué)評價(jià)制度，整體性地研究各個(gè)因素對工后沉降的影響，由此制定出相應(yīng)的控制方法，形成系統(tǒng)的管理評價(jià)體系。其次采用科學(xué)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(guān)鍵方法，通過沿樁側(cè)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行注漿處理可有效的降低樁基礎(chǔ)的沉降值，并且由于注漿液在土體中具有一定的劈裂擴(kuò)大作用，使得樁基礎(chǔ)的應(yīng)力得到一定的放散，可以有效的控制基礎(chǔ)的沉降量。最后應(yīng)當(dāng)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(nèi)保證橋梁必要的預(yù)壓時(shí)間，可有效降低橋梁樁基礎(chǔ)的工后沉降。