陳 斌

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

為確保鐵路安全穩(wěn)定運行，路基沉降控制設(shè)計重點已由樁基轉(zhuǎn)變?yōu)闃斗そY(jié)構(gòu)。樁筏結(jié)構(gòu)因具有適應(yīng)性強、抗沖擊能力強等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用到各個類型的基礎(chǔ)建設(shè)項目中。樁筏基礎(chǔ)的受力沉降分析是目前樁筏基礎(chǔ)設(shè)計中的難點和熱點問題。然而，計算樁-土復(fù)合地基筏板的受力值缺乏合理的公式，且計算結(jié)果與實際結(jié)果往往存在較大偏差，不能為路基承載力分析提供準確參考。

針對此問題，陳洪運等[1]提出構(gòu)建鐵路路基樁筏基礎(chǔ)沉降計算模型，將鐵路路基樁筏基礎(chǔ)簡化為多跨連續(xù)簡支彈性地基梁模型，求解樁土荷載分擔(dān)，基于已有研究成果與彈性疊加原理，獲得群樁中的樁、土剛度，進而分析出鐵路路基樁筏基礎(chǔ)承載力與沉降特性。鄭仁川等[2]在計算樁筏基礎(chǔ)沉降時考慮到時間因素的影響，基于已有的明德林-蓋德斯解，引入Koppejan蠕變模型，分析不同時刻樁筏基礎(chǔ)的沉降特性。

本文基于以上研究成果，結(jié)合工程實際，推導(dǎo)鐵路路基中樁筏結(jié)構(gòu)的承載力和沉降特性，并將求解結(jié)果與現(xiàn)場實測資料和其他計算方法得到的結(jié)果進行對比，結(jié)果表明，此次研究的計算結(jié)果準確性高，可滿足實際應(yīng)用的需求。

1 試驗對象及試驗?zāi)康?/h2>

現(xiàn)場試驗可以獲得鐵路工程研究的第一手資料，其結(jié)果說服力強。因此，本文以試驗點為例研究樁筏基礎(chǔ)的承載力和沉降特性。

本試驗點位于大橋的兩個主體橋柱之間，該區(qū)域地勢較平坦、地形開闊，土體預(yù)壓高3.5 m，屬分層填筑型路基。為準確分析鐵路路基樁筏基礎(chǔ)的承載沉降特性，在鐵路試驗過程中，需要埋置相關(guān)儀器，對現(xiàn)場試驗進行長期監(jiān)測。鐵路路基樁筏測試剖面圖如圖1所示。

2 試驗方案

為保證分析的準確性，在試驗區(qū)域埋設(shè)單點沉降儀，利用該儀器了解樁筏的壓縮變形情況以及沉降變形的特征。將該儀器安裝到樁底，其他儀器安裝在樁頂。沉降變形儀器布置示意如圖2所示。

為精確獲取觀測點的沉降值，采用單點沉降儀和液位沉降儀同時聯(lián)合監(jiān)測的方法。單點沉降儀如圖3所示。

根據(jù)圖3，單點沉降儀的安裝程序如下：

(1) 在測點處鉆孔，為保證鉆孔垂直，在鉆孔結(jié)束后用鉛錘檢查。

(2) 檢測實際孔深，將沉降板、測桿、加長桿緩慢插入已鉆好的孔中，重復(fù)工作過程，直至錨頭觸及孔底，并記錄到達的長度。

(3) 在第一節(jié)測桿上安裝接頭和電測位移傳感器，根據(jù)總測桿下端長度判斷實際孔深，并記錄深度。

(4) 注漿。在單點沉降儀安裝完畢后，為避免塌孔，在孔底注漿1～2 h后，用砂子回填鉆孔，并在注漿前清除鉆孔附近的松散土，以防鉆孔發(fā)生堵塞。灌砂過程應(yīng)緩慢進行，至距沉降盤10 cm左右停止。

(5) 零位調(diào)整。在單點沉降儀完成第一次壓實后進行零位調(diào)整，以保證初始讀數(shù)的準確性。在此基礎(chǔ)上，在樁頂與樁間的土體表面布置壓力箱，以監(jiān)測樁頂與樁間土體的壓力值[3]。

壓力箱的量程是2 MPa，實際安裝過程如下：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場試驗方案確定測點的位置。

(2) 挖埋坑時，對設(shè)有導(dǎo)管的坑，按壓力、大小，在定位處用鏟挖，將導(dǎo)管放置在其中，并挖去碎石土。

(3) 將壓力箱安裝到其中。埋設(shè)前在埋設(shè)地區(qū)底部鋪設(shè)并找平細砂，在找平后放置壓力箱，保證壓力箱水平。放置完成后，用細砂將壓力箱全部覆蓋，并用土壓實埋坑。

(4) 保護導(dǎo)線及測量點，在全部壓力箱安裝完畢后，記錄壓力箱編號。確定觀察箱的位置，把截面上的土壓試驗線依次穿入放置在導(dǎo)線槽內(nèi)的鋼絲軟管中，并將測頭全部引入觀察箱。

(5) 埋設(shè)鋼絲軟管，先用細砂全部埋設(shè)，再用土料將鋼絲槽均勻填平壓實[4]。

3 試驗儀器

3.1 液位沉降計

為長期監(jiān)測不同位置樁頂和樁間土體的沉降，在采用單點沉降儀的前提下，采用連通式液位沉降儀(靈敏度為0.01 mm，測量范圍為100 mm)監(jiān)測基樁和監(jiān)測點之間的位移情況。液位沉降儀示意如圖4所示[5]。

3.2 遠距離自動監(jiān)測系統(tǒng)

為改進現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)、減少后期分析的工作量，采用遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)采集沉降儀與壓力箱等的實時數(shù)據(jù)[6]。

4 建立樁筏結(jié)構(gòu)分析模型

4.1 基本假定

在鐵路上，樁筏的寬度較大，可達30 m左右，縱向伸長。因此，樁筏結(jié)構(gòu)受外界影響較小，在計算中可忽略不計。以位于中心的樁筏結(jié)構(gòu)為主要受力計算內(nèi)容，筏板受力變形情況示意如圖5所示。

為便于求解問題，對基于實際工程建立的模型做基本假設(shè)具體步驟如下。

(1) 選取Reissner-Mindlin厚板理論作為筏板單元模型。

(2) 選擇Winkler(文克爾)地基模型作為計算模型。

(3) 設(shè)計作用在單元結(jié)構(gòu)中的荷載為均勻分布的荷載。

4.2 荷載作用下的筏板求解

通過上述過程獲得初始的測量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立分析模型，以進一步得出樁筏的基礎(chǔ)承載力與沉降特性。在建立模型的過程中，分析樁筏的上部結(jié)構(gòu)、樁土體系以及筏板結(jié)構(gòu)，并采用子結(jié)構(gòu)分析法分析筏板的上部結(jié)構(gòu)，使其剛度集中于分界點，得到上部結(jié)構(gòu)的控制方程[7]，其表達式見式(1)。

(1)

針對Reissner-Mindlin厚板理論中的基本方程，將位移函數(shù)引入，見式(2)。

(2)

式中，F(xiàn)、Ψ分別代表求解函數(shù)；q為外力作用參數(shù)；D代表筏板的彈性模量參數(shù)；υ為筏板的泊松比計算參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，建立平板的控制方程，依據(jù)該方程推導(dǎo)單元剛度矩陣與平板剛度矩陣，見式(3)。

[KP]{W}={SB}+{W}-{SPS}

(3)

式中，[KP]代表筏板的剛度矩陣；W代表位移參數(shù)；{SB}表征建筑頂部的載荷參數(shù)；{SPS}表示支承的反力參數(shù)。

同時，利用剪切法推導(dǎo)樁-土體系間的相互作用，得出樁-土體系的剛度矩陣和樁-土體系的控制方程[8]，如式(4)所示。

(4)

分析樁筏基礎(chǔ)與地基土的共同作用[9-11]，選擇Winkler地基模型作為計算模型。

Winkler地基模型假定地基中的任意一點所受的壓力強度P與該點的地基沉降成正比，見式(5)。

P=k·S

(5)

式中，比例常數(shù)k為基床系數(shù)，表示產(chǎn)生單位變形所需的壓力強度；S為樁基最終沉降量。

按分層總和法計算S，如式(6)所示。

(6)

式中，j為節(jié)點對應(yīng)矩陣的荷載分塊數(shù)；m為基床載荷參數(shù)最大值。

為保證計算的準確性，需要保證樁筏的筏板只與地基直接接觸。

根據(jù)接觸點位移條件對方程耦合處理，表達式如式(7)所示。

([KB]+[KP]+[KPS]){W}=
{SB}+{W}-{RPX}

(7)

式中，[KPS]為樁-土體系剛度矩陣的表征；[KB]表示樁筏上部結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；[RPX]表示樁-土體系剛度矩陣的反作用力參數(shù)。

獲得共同作用結(jié)果后，必須分析每一層土層的壓縮模量，才能確定每一層加載后的壓縮變形量，進而得出更準確的分析結(jié)果。一般情況下，土體的壓縮模量隨深度的增加而增大，但計算與實際情況有很大差別，因此需要在計算中引入沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，以提高結(jié)果的可靠性，縮小修正系數(shù)的取值范圍。修正公式如式(8)所示。

(8)

式中，β代表計算參數(shù)；z代表土層的深度；h0代表計算過程中的參考深度；Es,0.1-0.2代表壓力在0.1～0.2 MPa下的壓縮模量。

利用上述試驗方案和試驗儀器，監(jiān)測鐵路路基樁筏基礎(chǔ)承載力及沉降特性。

5 沉降測試結(jié)果分析

5.1 樁筏基礎(chǔ)承載力分析

分析在不同荷載下樁筏基礎(chǔ)的承載性能，得到不同荷載下樁筏基礎(chǔ)承載力分析，如圖6所示。

由圖6可知，樁筏的受力強度比逐漸增加，在樁間土受到充分壓縮的情況下，樁端的承載力得到了充分發(fā)揮，同時樁端的堅硬持力層也開始起到支承的作用，荷載開始向樁體轉(zhuǎn)移，從而使樁土應(yīng)力比增加。

5.2 樁身應(yīng)力分析

分析樁筏樁身的應(yīng)力情況，樁身應(yīng)力分布曲線如圖7所示。

分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁筏受不同大小的荷載作用時，樁體受力曲線基本呈直線，說明低荷載下的樁體受力分布比較均勻。在40、60、80、100 kPa的荷載下，應(yīng)力曲線是逐漸彎曲的，而深度則呈線性增加的趨勢。

5.3 樁土應(yīng)力比分析

樁土應(yīng)力比荷載水平變化曲線如圖8所示。通過分析圖8可發(fā)現(xiàn)，荷載逐漸增加后，樁體承擔(dān)了樁筏的大部分荷載，應(yīng)力比隨荷載不斷變化，并呈逐漸增加的趨勢。

5.4 樁筏沉降特性分析

分析樁筏在不同時間的沉降特性，不同時間下樁筏沉降結(jié)果如圖9所示。

從圖9可知，在鐵路建設(shè)過程中，樁筏沉降量與時間呈正比，即樁筏沉降隨著附加應(yīng)力的增大而逐漸增大，且在附加應(yīng)力穩(wěn)定后，樁筏基礎(chǔ)的變形情況逐漸穩(wěn)定。

6 方法驗證

前文完成了承載力與沉降特性的研究，為進一步驗證所研究方法的有效性，做進一步對比，對比內(nèi)容如下。

首先對樁頂軸力進行對比，樁頂軸力對比結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，本次采用的研究方法獲得的承載力測量結(jié)果與實際測量結(jié)果相差較小，相對誤差可控制在100 kN以內(nèi)，而陳洪運等[1]計算方法的測量結(jié)果與實際測量值相差較大，最多相差了300 kN，可見在計算樁頂軸力方面，本文提出的方法精度更高。

在此基礎(chǔ)上，對比樁筏的沉降情況，樁筏沉降情況對比結(jié)果如圖11所示：

由圖11可知，實際樁筏地基樁頂沉降約為36 mm，通過本文方法計算得到的沉降量與實際沉降量相差約為4 mm，而陳洪運等[1]的方法計算的沉降量與實際沉降量相差約為10 mm。

綜上可知，本文提出的研究方法可以較精確地計算出樁筏軸力和沉降特性，滿足實際設(shè)計需求。

7 結(jié)語

本次研究采用現(xiàn)場試驗與模擬計算相結(jié)合的方法分析承載力與沉降特性。試驗對比結(jié)果表明此研究方法不僅能夠分析出在不同荷載下樁筏的基礎(chǔ)承載力情況，還能分析出施加荷載后樁筏的位移情況，具有可行性，可供相關(guān)領(lǐng)域的類似工程參考。

然而，由于各個工程的地質(zhì)情況不同，在實際計算時還需要結(jié)合實際情況，更準確地分析樁筏的情況，提高鐵路路基的基礎(chǔ)承載力。