黏性土地區高速鐵路橋梁樁基礎沉降計算方法研究

田萬俊，馬建林

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142;2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

1 概述

在黏性土地區，橋梁樁基礎的沉降控制是一個必須解決的難題之一，尤其是在這種地區修建高速鐵路、無砟軌道橋梁時，沉降問題顯得更加突出。目前我國的鐵路橋梁設計規范關于沉降方面的內容，只給出了總沉降的計算方法［1］，而要進行沉降控制，工后沉降占總沉降的比重、樁基礎壓縮層厚度的確定、沉降隨荷載和時間的變化等等又是必須解決的問題［2-3］，否則黏性土地區修建高速鐵路、無砟軌道橋梁根本無從談起。本文將針對這些問題一一進行探討，以期在沉降控制方面有所突破。

2 關于工后沉降的研究

對于橋梁基礎的沉降控制，實際是控制鋼軌鎖定以后的沉降量即工后沉降，也就是說在鋼軌鎖定之前(如墩臺施工、架梁、運梁、鋪設二期恒載等施工過程)必然要發生一部分沉降，這部分沉降取值的準確與否又是非常關鍵的。工后沉降，理論上可以通過計算求得，如利用數值模擬法進行計算［4-5］，而利用數值模擬進行計算時要求土的力學性能參數十分準確，這在千變萬化的地質情況中是很難掌握的，有時甚至是不可能得到的。因此，本文將利用已有的大量沉降監測數據進行數理統計分析歸納，得出工后沉降占總沉降的比重，而總沉降可以通過規范法計算求得。

2.1 以目前已經通車的京津城際鐵路的實際沉降監測資料進行分析研究

(1)北京環線特大橋:架梁后的工后沉降占總沉降的比重平均55%，最大88%，最小0%;

(2)楊村特大橋:部分無砟軌道底座板施工后的工后沉降占總沉降的比重平均 12.6%，最大 51.2%(只有2個墩最大達到84%和67.6%)，最小5%;部分鋪軌后的工后沉降占總沉降的比重平均10.7%，最大31%，最小1.1%;

(3)涼水河特大橋:鋪軌后的工后沉降占總沉降的比重平均 4.4% ，最大 21.5%;

(4)永定新河特大橋:部分鋪軌后工后沉降占總沉降的比重平均12.9%，最大40.6%;部分底座板施工后工后沉降占總沉降的比重平均2.5%，最大32%。

從上可知:對于類似天津地域的軟土、松軟土等黏性土，工后沉降占總沉降的比重平均僅為13%，最大為51.2%(只有個別達到84%)。因此可初步認為這種地質條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過55%;對于類似北京地域以中細砂為主的地層，工后沉降占總沉降的比重達到50% ～90%，但樁基總沉降量一般小于7 mm。

2.2 以京滬高速鐵路北京至濟南之間的橋梁基礎沉降監測資料進行分析

由于沉降在隨著時間的推移不斷發展，理論上講沉降的實測值是得不到的。沉降觀測值僅僅是在某一時刻的沉降發生情況，在時間和空間上是有限的。因此，當沉降發展到一定程度時，利用已發生的沉降就可以預測出總沉降和工后沉降，已發生的沉降時間越長，則預測值越接近實際值，一般要求預測時的沉降觀測值要大于預測總沉降值的75%以上。下面以京滬高速鐵路天津特大橋的部分沉降資料為例進行研究，見表1和圖1。

表1 天津特大橋部分橋墩沉降資料

續表1

圖1 天津特大橋部分橋墩沉降曲線匯總

其余橋梁的沉降情況匯總如表2所示。

從表2可知:對于類似華北地域的軟土、松軟土等黏性土地段，橋梁樁基礎工后沉降占總沉降的比重平均10.44%，最大為49.04%。因此可初步認為這種地質條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過50%。

表2 工后沉降占預測總沉降比值統計

2.3 小結

通過上述數據的統計比較，可以得出如下結論:

(1)對于類似天津地域的軟土、松軟土地段的黏性土，工后沉降占總沉降的比重平均僅為13%左右，最大接近55.0%(只有京津城際有個別達到84%)。因此可認為這種地質條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過55%;

(2)對于類似北京地域以中細砂為主的地層，樁基總沉降量一般均較小(一般小于7 mm)，工后沉降占總沉降的比重離散性較大。

3 關于基底壓縮層厚度的研究

黏性土地區橋梁樁基礎的沉降計算中，壓縮層厚度的確定也是非常重要的環節。在現行的規范中，因樁基沉降計算模式不同，壓縮層厚度的確定方法也不同。對于沉降計算深度的確定，鐵路規范、公路規范和地基規范均是采用變形比法來確定［1，6，7］，即“應變控制法”來確定。另外，《樁基規范》則采用“應力控制法”，計算深度處的附加應力為該處自重應力的0.2倍來確定［8］;而《上海地基基礎設計規范》要求計算深度處的附加應力為該處自重應力的0.1倍。本文將結合現場試驗和理論計算對這一問題進行研究。

3.1 壓縮層厚度計算方法簡介

(1)應力控制法(應力比法)

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)，樁基沉降計算深度zn按應力比法確定，即計算深度處的附加應力σz與土的自重應力σc應符合下列公式要求

式中 aj——附加應力系數，可根據角點劃分的矩形長寬比及深寬比按《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)附錄D選用;

p0j——第j塊矩形地面在荷載準永久組合下的附加壓力，kPa。

(2)應變控制法(應變比法)

根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2002)和《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB 10002.5—2005)，地基變形計算深度，即壓縮層厚度，地基變形計算深度zn按應變控制法，應滿足下式要求

(3)此外還有經驗公式法、何頤華法、公式推導法等。

3.2 壓縮層厚度理論計算方法比較

利用“應力控制法”和“應變控制法”對選定的試驗工點橋梁樁基礎基底壓縮層厚度進行了理論計算，結果見表3。

表3 試驗工點壓縮層厚度理論計算值 m

從表3可知，“應力控制法”求得的壓縮層厚度小于“應變控制法”的計算值，就平均值而言，“應變控制法”計算所得到的基底壓縮層厚度為以10%和20%為條件的”應力控制法”計算的1.52倍和2.4倍。

3.3 現場壓縮層厚度試驗

(1)試驗方案

①預先將管口密封的、內徑φ144 mm的鋼管(可考慮將一原設計的聲測管改為內徑φ144 mm鋼管)固定在基樁鋼筋籠內。

②當泥漿護壁鉆孔結束后，將帶有鋼管的鋼筋籠下入孔內至樁底，然后進行正常的水下灌注混凝土作業。當基樁混凝土達到一定強度以后，可在樁身鋼管內進行樁底鉆孔，待鉆至設計深度后進行單點沉降計的安裝。

③每根試驗樁埋設1只單點沉降計。單點沉降計對所測點至單點沉降計固定點之間的相對變形進行監測。單點沉降計固定點設置在承臺底面(即樁頂)處。

④所有測試元器件采用遠距離自動監測模式，以使所有樁基、承臺、墩身、架梁等施工工作可以不受影響照常進行。同時，這也有利于監測結果能排除施工干擾，有利于實時監測，也有利于對元器件的保護。

⑤測點分別設在樁底至樁下30 m處。每墩3個樁的各測點可埋設于不同的深度，以對壓縮層厚度進行準確監測。埋設的具體位置應根據試驗點地層情況而定。

⑥監測時間為埋設元器件后至鋪設無砟軌道后3個月，需要時可延續至鋪設無砟軌道后24個月。

單點沉降計與液位沉降計聯合監測示意見圖2。

圖2 單點沉降計與液位沉降計聯合監測技術示意

(2)試驗結果數據整理(表4)

表4 實測各工點壓縮層厚度值匯總

3.4 橋梁樁基壓縮層厚度實測值與規范計算值對比分析(表5)

表5 各工點壓縮層厚度實測與計算值匯總 m

3.5 結果匯總及結論

從表5給出的試驗工點橋梁樁基沉降的實測值與規范計算值對比分析中可以得到如下結論:

(1)與實測值相比，以10%應力比為條件的“應力控制法”計算得出的壓縮層厚度最為接近，平均值比實測值大15%;

(2)與實測值相比，以20%應力比為條件的“應力控制法”計算得出的壓縮層厚度偏小，平均值比實測值小27%;

(3)與實測值相比，“應變控制法”計算得出的壓縮層厚度普遍偏大;

(4)對于類似的松軟土地區，采用10%應力比為條件的“應力控制法”計算壓縮層厚度為宜。

4 關于沉降隨時間和荷載的計算方法研究

沉降發展的主要影響因素有荷載、土層和時間等。雖然可以通過有限元法等數值方法對橋梁基礎沉降發展規律進行模擬計算，但做為工程應用來講，由于有限元土體參數的確定計算指標和試驗技術上等問題，使得有限元計算沉降方法很難在實際工程中廣泛應用［9-10］。

本文通過大量實際橋梁沉降監測資料的積累，在數理統計分析的基礎上找出地基沉降過程的具有一定實際應用價值的沉降變形曲線進行回歸，以預測其沉降發展規律，具有很強的可操作性，并符合工程實際特點，暫稱之為“變形過程指數法”，計算公式如下

式中 t——時間變量，d;

St——t時刻發生的沉降，mm;

S∞——最終沉降量，mm，可通過有限元計算或規范計算等方法得到;

Nt——t時刻的作用在樁基上的累計恒載，kN;

N∞——作用在樁基上的最終恒載，kN;

α——擬合參數，與土層性質、樁基布置、施工方法和工藝等有關。

下面以京滬高速鐵路天津特大橋某橋墩為例，進行沉降曲線擬合分析計算，見表6、表7。沉降曲線擬合見圖3。

表6 天津特大橋H109號墩 計算數據

表7 天津特大橋H109號墩 觀測沉降量與預測沉降量對比

圖3 天津特大橋H109號墩沉降曲線擬合

從上面沉降計算的公式中可知，當計算某時刻的沉降值時，總沉降、總荷載、該時刻的荷載等資料都可以根據實際計算工點的資料中取得，唯一難以確定的參數是與土層性質、樁基布置、施工方法和工藝等有關的參數——α，該值無法通過計算求得，本文利用大量的實際沉降觀測進行曲線回歸，從而得出在黏性土地區的該參數取值范圍為0.01～0.03，從而為沉降計算提供了非常便捷有效的途徑，解決了長期困擾工程技術人員的沉降隨時間和荷載變化的計算難題。

5 結語

黏性土地區橋梁樁基礎沉降控制是橋梁設計的難點和重點，如果對沉降特性沒有一個詳細而準確的了解，其結果是要么設計過于保守，造成工程浪費;要么工程措施不足，給鐵路運營帶來隱患。通過大量的工程測量數據，結合理論計算和現場試驗，對黏性土地區橋梁樁基礎沉降，得出如下結論:

(1)對于類似天津地域的軟土、松軟土地段的黏性土，工后沉降占總沉降的比重平均僅為13%左右，最大接近55.0%。因此可認為這種地質條件下的工后沉降占總沉降的比重不超過55%;

(2)對于類似北京地域以中細砂為主的地層，樁基總沉降量一般均較小(一般小于7 mm)，工后沉降占總沉降的比重離散性較大;

(3)對于黏性土地區，采用10%應力比為條件的“應力控制法”計算壓縮層厚度為宜;采用“應變控制法”計算出的壓縮層厚度偏大;

(4)對于沉降隨時間和荷載的計算，采用本文提出的“變形過程指數法”方便實用，極大地解決了關于沉降計算的工程難題，具有很高的應用和推廣價值。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

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［4］楊嶸昌，宰金珉.廣義剪切位移法分析樁-土-承臺非線性共同作用原理［J］.巖土工程學報，1994，16(6):103-116.

［5］郗宏慶.橋梁群樁基礎沉降性狀分析［J］.中國水運，2008，8(5):172-173.

［6］中華人民共和國交通部.JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［7］中華人民共和國建設部.GB 50007—2002 建筑地基基礎設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［8］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［9］張忠苗.樁基工程［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［10］劉利民，舒翔，熊巨華.樁基工程的理論進展與工程實踐［M］.北京:中國建材工業出版社，2002.