鐵路橋梁群樁基礎沉降性狀與計算分析

張夫健

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著經濟社會的發展，高速鐵路客運專線不斷出現。為滿足高速列車運營安全和舒適要求，《高速鐵路設計規范(試行)》對橋梁墩臺基礎沉降限值做了嚴格要求，對軟土地基橋梁，沉降要求控制樁基設計。鐵路橋梁以群樁基礎為主，有必要分析群樁沉降的變形特性，展開對橋梁基礎沉降計算方法分析，選擇合理可行的計算方法，提高沉降計算的可靠度。

1 群樁沉降性狀［5］

在鐵路橋梁工程中，墩臺基礎以群樁基礎為主。在豎向荷載作用下，摩擦型群樁的沉降變形是樁、承臺、地基土之間相互影響的綜合結果，涉及承臺類型(高、低承臺)、樁間距、成樁工藝、土的類別與性質以及荷載大小等因素，各因素對沉降的影響程度也不同。群樁沉降S由樁間土壓縮變形Sj和樁端以下土的整體壓縮變形Sz組成。樁間土壓縮變形比Sj/S隨樁間距增大而增大，基底土整體壓縮變形比Sz/S隨樁間距增大而減小;對低樁承臺，樁間土壓縮變形比隨荷載增大而變小后趨于穩定，而高樁承臺，則隨荷載增大由大變小，又由小變大。

2 群樁沉降計算方法

國內外對群樁沉降的計算方法做了大量的研究，以下介紹目前常用的計算方法及特點。

2.1 《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》［2］(TB10002.5—2005)推薦的方法

鐵路規范法將摩擦樁樁基視作實體基礎采用分層總和法計算沉降，該方法為等代墩基法的一種，不考慮樁間土的壓縮變形對沉降的影響，實體基礎底面設于樁端，群樁樁頂外圍按ˉφ/4向下擴散與實體基礎底面相交的面積作為實體基礎底面積，地基壓縮層的計算深度，按深度Zn處向上Δz的土層壓縮量與總的壓縮量之比不大于0.025確定。圖1為計算圖示，計算公式為

鐵路規范法簡單方便，沉降計算結果與群樁樁距、樁數、樁徑等關系不大，主要取決于樁群外圍尺寸。當群樁樁中心距大于6倍樁徑時，樁的工作性狀接近于單樁，按單樁沉降計算方法確定。

2.2 《建筑樁基技術規范》［3］(JGJ94—2008)推薦的方法

該規范規定，對樁中心距不大于6倍樁徑的樁基，采用等效作用分層總和法計算沉降。等效作用面位于樁端平面，等效作用面積為樁承臺投影面積，等效作用面附加應力取承臺底附加應力，等效作用面以下的應力分布按彈性半空間Boussinesq解確定，沉降計算深度按樁端平面下豎向附加應力不大于0.2倍土的自重應力確定。計算模式如圖2，樁基的最終沉降量公式為

圖1 鐵路規范法計算

圖2 建筑樁基技術規范法計算

上述沉降計算，將等效沉降系數ψe引入等代墩基法，考慮了群樁幾何特性各因素對沉降的影響。

2.3 《建筑 地 基 基 礎 設 計 規 范》［4］(GB50007—2002)推薦的方法

該法為基于Mindlin應力公式基礎上的單向壓縮分層總和法，用疊加法求得群樁荷載在地基中產生的應力，然后再按分層總和法原理計算沉降，并乘以經驗系數。其公式為

該方法考慮了樁基中樁數、樁間距、不規則布樁等因素對沉降計算的影響，沉降計算經驗系數需根據地區沉降觀測資料及經驗確定，給計算結果帶來一定誤差。

2.4 有限單元法

沉降數值分析計算以有限元法最為成熟，可以反映巖土材料的復雜本構關系，能夠考慮影響樁基工作性能的主要因素，如土的非線性、沉降的時效性、應力歷程、樁與土之間的相互作用，并能考慮三維效應。有限元對校核、改進經驗公式，解決工程實際問題，有著重要意義。

3 工后沉降

以上對群樁基礎的最終沉降(總沉降)進行了分析，在實際工程中，更關心工后固結沉降。《高速鐵路設計規范(試行)》［1］規定，墩臺基礎的沉降應按恒載計算，對于靜定結構，橋梁墩臺工后均勻沉降量，對無砟橋面不大于20 mm，對有砟橋面不大于30 mm。

目前，試驗研究中多采用太沙基一維固結理論計算工后沉降，并將該理論應用于指導滿足工后沉降容許值的施工時間的分析。該方法理論性強，計算繁瑣復雜，且受施工方式及土工試驗數據的準確性等因素影響，計算精度低，不適宜在設計階段對大量樁基工后沉降計算時采用。

目前設計中多采用經驗方法計算工后沉降，工后沉降Sgh可以表示為

式中 S——最終沉降(總沉降);

St——至鋪軌時產生的固結沉降。

要得到工后沉降，關鍵是求得鋪軌時的橋梁地基的固結沉降，即工前沉降。

楊敏等根據樁基的試驗研究工程實踐以及均質土層中群樁沉降的Puoots彈性理論解提出了計算工前沉降的半理論半經驗實用方法［7］，可將該方法應用于橋梁群樁基礎工前沉降計算。該計算公式為

式中符號含義不再詳述。

4 算例

某客運專線橋梁，無砟軌道，該墩墩高6.5 m，承臺長 10.2 m，寬 4.9 m，承臺底面中心垂直荷載18 071 kN，場地各土層力學指標見表1，樁基采用8根φ1.0 m的鉆孔灌注摩擦樁，行列式布置，設計樁長49 m，如圖3所示。

圖3 樁基布置(單位:cm)

表1 各土層力學指標

分別用鐵路橋規法、建筑樁基規范法、建筑地基規范法、基于Plaxis軟件的有限單元法對該墩進行了樁基沉降計算。最終沉降計算結果如表2。

表2 各種計算方法計算結果

根據地質報告，樁底土層的壓縮模量E0.1～0.2=3.5 MPa，屬中等壓縮性飽和黏土，鐵路工程設計技術手冊《橋涵地基和基礎》［6］提供的經驗估算，對于中壓縮性飽水黏性土，橋梁施工期間基礎所產生的沉降量為總沉降量的20%～40%。本橋墩樁基工前沉降按楊敏等提出的經驗公式計算值為5.6 mm，施工期間基礎完成的沉降量占總沉降量的26%，其結果是合理的。

計算結果顯示，各種計算方法的工后均勻沉降均滿足設計要求(即不大于20 mm)，以鐵路橋規法計算沉降值最大，采用鐵路橋規法是偏于安全的。

從算例實踐可以看出，影響樁基沉降計算誤差的因素是多方面的，主要有如下幾個主要因素:

不同計算方法采用的計算原理、基本假定不同，考慮的沉降影響因素也不同。

能否正確而合理選用土的壓縮模量、沉降計算經驗(修正)系數等計算參數，影響沉降計算結果的可靠性。基礎底面以下各土層的壓縮模量Esi，應根據壓縮曲線按實際應力范圍取值。

5 結束語

根據對不同樁基沉降計算方法的分析、比較，鐵路規范法考慮了群樁側面剪應力的影響，計算模式和公式簡單，在工程上具有較高實用性，采用鐵路規范法計算鐵路橋梁群樁基礎總沉降是可以控制設計的。對鐵路規范法不能計算樁間土部分的沉降及樁基布置形式對沉降的影響，難以反映現場復雜的實際情況，可合理運用有限元等數值計算方法的成果，加強原位觀測等方面入手，進行沉降評估分析。

［1］ TB 10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］

［2］ TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］

［3］ JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范［S］

［4］ GB 50007—2002 建筑地基基礎設計規范［S］

［5］ 趙明華．橋梁樁基計算與檢測［M］．北京:人民交通出版社，2000

［6］ 鐵道第三勘察設計院．橋涵地基和基礎［M］．北京:中國鐵道出版社，2002

［7］ 楊敏，張俊鋒．軟土地區樁基礎沉降計算實用方法和公式［J］．建筑結構，1998