黃瑞堂 李友元 王新浪 李平

（1.中鐵二十四局集團有限公司，上海 200070；2.河海大學土木與交通學院，南京 210098）

位于軟土地基中的高速鐵路橋梁大多采用群樁基礎(chǔ)。鄰近堆載作用下地基土會發(fā)生壓縮和側(cè)向擠出變形，從而導致樁基礎(chǔ)變形，影響既有高速鐵路軌道的平順性。已有學者從現(xiàn)場試驗、模型試驗、理論解析、數(shù)值計算等方面對堆載作用下群樁變形特性做了大量研究。梁育瑋等[1]根據(jù)實際工程建立堆載-土-結(jié)構(gòu)相互作用有限元模型，分析鄰近堆載作用下樁與土的沉降、變形及樁身彎矩、軸力變化規(guī)律。倪恒等[2]依托鄰近高速鐵路段一河道開挖工程，研究棄土堆載堆土尺寸、堆土距離對高速鐵路橋梁基礎(chǔ)變形的影響。鄧會元等[3]通過開展沿海地區(qū)堆載作用下樁基承載特性的原位試驗發(fā)現(xiàn)，不平衡堆載條件下樁基產(chǎn)生了較大的水平位移，土體最大水平位移出現(xiàn)在距離地面4～5 m的位置，而樁身最大水平位移出現(xiàn)在樁頂。潘振華[4]以一城際鐵路連續(xù)梁橋樁基糾偏實例為背景，研究了糾偏過程中樁周土體變形規(guī)律，并提出了控制周圍建筑變形的工程措施。趙春風等[5]通過室內(nèi)模型試驗研究了砂土場地水平荷載和彎矩作用下單樁的豎向承載特性，發(fā)現(xiàn)水平荷載的增大會導致單樁沉降的增大和豎向承載力的降低。竺明星等[6-7]將Boussinesq改進解與局部塑性變形理論結(jié)合，推導了鄰近堆載作用下群樁樁身被動荷載和剩余水平附加應力分布計算公式，并基于壓力法采用Laplace正逆變化建立被動樁樁身響應的傳遞矩陣解。馮昌明等[8]基于半無限彈性體中的Boussinesq解給出矩形荷載作用下土體自由場的應力及位移，運用有限差分法，通過Mindlin解將自由場與主動樁的分析方法結(jié)合，給出被動樁求解方法。張浩等[9]基于Boussinesq彈性理論，結(jié)合土體繞樁極限模型推導了樁身被動荷載計算公式，并考慮地基土體塑性屈服和樁頂豎向荷載的影響，基于三參數(shù)Winkler彈性地基梁模型，推導了堆載作用下樁基被動受力特性的半解析解。王軍等[10]以一高速鐵路特大橋樁側(cè)堆載為工程背景，建立樁-土相互作用有限元模型，研究不同堆載等級和堆載距離下樁側(cè)摩阻力和樁身軸力的分布規(guī)律以及樁基變形規(guī)律。楊生等[11]采用有限差分法分析單排、雙排隔離樁用來控制軟土地基中側(cè)向堆載引起鐵路路基發(fā)生側(cè)向位移的特性。

現(xiàn)場試驗機會難得，工況單一，而室內(nèi)模型試驗可研究不同因素作用下群樁變形特性，易于探究規(guī)律。采用室內(nèi)模型試驗對鄰近堆載作用下群樁變形特性的研究相對較少，本文結(jié)合工程實際中的高速鐵路橋梁基礎(chǔ)，根據(jù)相似比理論進行正常工作狀態(tài)下群樁在鄰近堆載作用下變形特性的室內(nèi)模型試驗。

1 模型試驗

1.1 試驗材料參數(shù)

試驗砂土取自一高速鐵路沿線，將砂土晾曬后過篩，篩網(wǎng)孔徑0.6 mm。通過擊實試驗進行相對密實度標定，將試驗砂土以每層130 mm厚填入模型槽中，分層進行擊實至預定的密實度，并對土樣進行土工試驗。試驗砂土物理力學參數(shù)見表1。

表1 試驗砂土物理力學參數(shù)

篩析法測得該砂土土樣的不均勻系數(shù)Cu=2.16，曲率系數(shù)Cc=0.90，級配不良。靜置3 d后對填筑的土樣進行了小型靜力觸探試驗（圖1）。可知，0～1 m深度內(nèi)，側(cè)壁摩阻力近似呈線性增加，說明砂土填筑效果良好。

圖1 砂土填筑靜力觸探試驗結(jié)果

采用有機玻璃薄壁管樁模擬剛性群樁，樁長l為500 mm，入土深度490 mm，外徑d為20 mm，內(nèi)徑d1為14 mm，壁厚ξ為3 mm，其靜彈性模量約為2.7 GPa，模型樁長徑比l/d為25。為消除應變片導線的拖拽影響，將管樁沿中心線切開，在管內(nèi)壁對稱粘貼應變片，并用705硅橡膠對應變片進行密封。將貼完應變片的管樁放置通風處風干，在管樁上部開直徑5 mm的小孔將連接好的導線引出，用401膠水對管樁進行粘合并將管底封口。將管樁與承臺用膠水粘貼成3×3的群樁，樁間距為3d=60 mm。

1.2 試驗裝置

土工試驗模型槽為直徑1.2 m，高1.2 m的圓筒。采用西安康拓力儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高精度標準加載架（KTL‐LDF）作為豎向加載設(shè)備，其最大施加壓力為10 kN，上下位移量程為100 mm，可實現(xiàn)壓、拔和壓拔循環(huán)位移控制和應力控制加載。采用2根長度為1.35 m的I12工字鋼作為加載反力架，通過螺栓將加載架固定在工字鋼梁跨中，工字鋼兩端通過螺栓固定在模型槽邊界。

利用實驗室現(xiàn)有30 cm（長）×8 cm（寬）的混凝土塊作為側(cè)向堆載重物，單塊質(zhì)量約為7 250 g。采用分級堆載，每級荷載相同，共有6級，每級荷載維持5 min。其側(cè)向堆載形式通過定制的堆載板進行控制，以堆載邊界距前排樁邊界作為堆載距離控制值S，堆載距離利用鋼尺進行量測。

模型試驗布置見圖2。其中，B為堆載寬度。測量樁身兩側(cè)拉壓應變，通過換算可得樁身附加彎矩、軸力、樁端阻力；沿深度方向在土中布設(shè)土壓力計，可測量土體水平附加應力。每根模型樁上布置5個斷面，兩側(cè)對稱布置應變片，采用半橋連接方式。土壓力計量程為200 kPa，內(nèi)部采用全橋連接方式。用膠水將土壓力計粘貼在靠近堆載一側(cè)的模型樁上，其受壓面須保證豎直。使用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH3818N‐2靜態(tài)應變采集儀測量并讀取應變。

圖2 模型試驗布置（單位：mm）

1.3 試驗方案

研究對象為正常工作狀態(tài)下的群樁基礎(chǔ)，前期須通過試樁確定豎向抗壓極限承載力。采用慢速維持荷載法，加載采用分級方式，每級施加0.4 kN。本次試驗采用的豎向加載設(shè)備可實時顯示加載力及加載位移，每隔1 min導出樁頂位移。當樁基沉降速率小于0.002 mm/min時認為群樁沉降達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，可施加下一級荷載。當樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍時停止加載。

圖3 群樁荷載-沉降曲線

群樁荷載（Q）-沉降（s）曲線見圖3。其中，Δs為本級累計沉降量與上一級累計沉降量的差值，ΔQ為單級荷載，即0.4 kN?？芍?，Q-s曲線趨勢平緩，須結(jié)合Q-Δs/ΔQ曲線共同確定極限承載力Qu。取Q-Δs/ΔQ曲線陡降處對應的荷載作為極限承載力，其值為5.6 kN，此時s/d=14%。工程設(shè)計中常取Qu/2作為樁基承載力設(shè)計值。本次試驗主要研究鄰近堆載作用對既有高速鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)變形的影響，樁基上部承受豎向荷載，因此模型試樣制備填筑完成后分級施加荷載至2.8 kN，待沉降達到穩(wěn)定時記錄樁身應變作為初始狀態(tài)。

為研究堆載等級、堆載距離、堆載方式對樁基變形特性的影響，設(shè)計了5組試驗工況（表1），并記錄堆載量、堆載工況、堆載時間。

表2 試驗工況設(shè)計

2 試驗結(jié)果分析

2.1 堆載等級

選擇工況1研究不同堆載等級對樁基產(chǎn)生的影響。不同堆載等級下3號樁的附加彎矩、附加軸力、水平附加應力變化曲線見圖4。規(guī)定樁身附加彎矩以靠近堆載一側(cè)樁基受壓為正，附加軸力以堆載作用引起軸力增加為正。

由圖4（a）可知：①3號樁樁身最大附加負彎矩發(fā)生在中部（1/2樁長處），最大附加正彎矩發(fā)生在上部（1/10樁長處）。原因是3號樁距離堆載最近，上部土體所受附加應力最大，樁基上部在受到被動土壓力的作用下產(chǎn)生最大附加正彎矩。受樁頂豎向荷載及承臺的作用，樁基中部產(chǎn)生附加負彎矩。②樁基附加彎矩隨著堆載等級的提高近似呈線性增長，說明此時樁基處于彈性工作狀態(tài)，未發(fā)生塑性變形。

由圖4（b）可知：①隨堆載等級的提高，樁身附加軸力呈增大趨勢，曲線分布形式基本類似。②樁身5 cm處，即1/10樁長處附加軸力基本為0，說明樁基上部在堆載作用下軸力基本不發(fā)生變化；③沿樁身向下附加軸力先增大，在樁基25 cm處（1/2樁長）達到最大值，然后隨著深度增加，附加軸力變化逐漸減小。

圖4 不同堆載等級下3號樁附加彎矩、附加軸力、水平附加應力變化曲線

由圖4（c）可知：①水平附加應力與堆載荷載線性相關(guān)，其隨堆載等級增加而增大。②隨著深度的增加，水平附加應力呈減小趨勢。③最大水平附加應力發(fā)生在5 cm深度處，25 cm深度以下變化較小，可認為堆載產(chǎn)生的水平附加應力主要作用在1/2樁長范圍內(nèi)。

2.2 不同位置處樁基變化特性

工況1條件下前、中、后排樁的附加彎矩與附加軸力變化曲線見圖5。

圖5 工況1下前、中、后排樁的附加彎矩與附加軸力變化曲線

由圖5可知：

1）在堆載作用下不同位置處的樁基附加彎矩、附加軸力變化差別顯著。中間樁（1，2，3號樁）的附加彎矩變化量大于對應邊樁（4，5，6號樁）。

2）前排樁（3，6號樁）附加彎矩最大，中排樁（2，5號樁）產(chǎn)生的附加彎矩小于前排樁且減小趨勢明顯，后排樁（1，4號樁）變化量較小。主要原因是地基土產(chǎn)生側(cè)向水平變形，前排樁受到擠壓后產(chǎn)生撓曲變形，由于“遮攔”效應的影響，中排樁樁周土變形量減小；由于樁間距為3d，中排樁距離堆載較遠，所受水平附加應力小于前排樁。

3）堆載作用下各位置的樁基軸力均增加，變化量為前排樁>中排樁>后排樁，邊樁大于中間樁，與彎矩變化趨勢相反。前排樁樁身5 cm處軸力基本無變化，而中、后排樁呈增大趨勢，其軸力變化最大值點位置隨著距堆載板距離的增加而下移。

2.3 堆載距離

以前排樁為對象，選取堆載板尺寸相同而堆載距離不同的工況1—工況3，對樁身附加彎矩變化進行對比分析，見圖6?？芍孩佼敹演d距離為20，16和12 cm時，3號樁樁身最大附加正彎矩分別為7.2，8.0和10.2 N·mm，樁身最大附加負彎矩分別為-2.3，-3.3和-5.3 N·mm。②堆載距離從20 cm減小至16 cm時最大正彎矩增大了11.1%，堆載距離從16 cm減小至12 cm時最大正彎矩增大了27.5%。說明堆載距離越小，樁身附加彎矩增長幅度越大。6號樁附加彎矩變化趨勢與3號樁相似，但變化量小于3號樁。

圖6 不同堆載距離下前排樁附加彎矩變化曲線

2.4 堆載形式

堆載距離為12 cm時，6級加載完成后不同堆載形式下前排樁附加彎矩變化曲線見圖7。

圖7 不同堆載形式下前排樁附加彎矩變化曲線

由圖7可知：①不同堆載形式下，樁身附加彎矩變化趨勢相似；②同等級別荷載作用下，堆載寬度不變，隨著堆載長度增加，樁身附加彎矩減小；③堆載長度不變，隨著堆載寬度增加，樁基上半部分附加彎矩減小，而下半部分附加彎矩增大。

3 結(jié)論

1）鄰近堆載作用下群樁基礎(chǔ)會產(chǎn)生附加彎矩，樁身發(fā)生撓曲變形，則軸力增加，承載性能發(fā)生改變。樁身附加彎矩、附加軸力均隨堆載等級的提高而增大。

2）前排樁附加彎矩變化量最大，中排樁次之，后排樁最小，邊樁變化量大于中間樁；前排樁樁身最大附加正彎矩發(fā)生在1/10樁長處，最大附加負彎矩發(fā)生在1/2樁長處；前排樁樁身1/10樁長處軸力基本不發(fā)生變化，1/2樁長處軸力變化最大，而中、后排樁軸力樁長范圍內(nèi)均呈現(xiàn)增大趨勢，其軸力變化最大值點位置隨著距堆載板距離的增加而下移；堆載產(chǎn)生的水平附加應力主要作用于淺層土體。

3）樁身附加彎矩隨堆載距離的減小而增大，堆載距離越小，樁身附加彎矩增長幅度越大。同等級別荷載作用下，增大堆載長度與寬度可減小樁身附加彎矩。

本文室內(nèi)模型試驗地基土為砂土，對于黏性土等其他土類有必要研究土質(zhì)條件對群樁變形的影響。