橋墩-承臺(tái)-樁基體系動(dòng)靜剛度原型試驗(yàn)研究

劉建磊,程永黎,李林杰

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081； 2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北肅寧 062350)

1 概述

對(duì)于既有線提速或開行重載列車的線路而言，開展橋墩基礎(chǔ)實(shí)際工作狀態(tài)檢測(cè)，并對(duì)其長期運(yùn)營后的承載情況進(jìn)行評(píng)估具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，一方面可為既有線路的安全運(yùn)營提供技術(shù)保障，另一方面又可合理安排有限的維修加固費(fèi)用[1-2]。目前，我國對(duì)既有鐵路橋墩狀態(tài)評(píng)估主要采用《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運(yùn)函[2004]120號(hào))[3]建議的方法和限值，且評(píng)價(jià)方向限于橫向[4-7]，對(duì)于既有橋梁橋墩基礎(chǔ)豎向狀態(tài)的檢測(cè)評(píng)估，尚無成熟有效的辦法。

既有橋墩基礎(chǔ)的豎向承載能力可以通過靜剛度與容許沉降進(jìn)行計(jì)算[8-10]，而服役橋梁卻難以直接測(cè)試靜剛度。在服役樁基礎(chǔ)承載能力分析中，可以采用機(jī)械阻抗法通過測(cè)試動(dòng)剛度并利用動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)來推算靜剛度[11-16]。如果將該方法的思路引入到橋墩-基礎(chǔ)體系中進(jìn)行豎向狀態(tài)評(píng)估，則需要進(jìn)一步分析兩個(gè)問題：其一，是橋墩-基礎(chǔ)整體動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)的取值；其二，是橋墩-承臺(tái)-樁基體系的整體動(dòng)剛度與單根樁的動(dòng)剛度間是什么關(guān)系。為了研究上述問題，利用某廢棄橋墩進(jìn)行原型試驗(yàn)，分別進(jìn)行了動(dòng)剛度和靜剛度測(cè)試研究。

2 試驗(yàn)概況

利用北京某軌道交通線路廢棄的橋墩開展模型試驗(yàn)研究(圖1)。該橋墩為群樁-承臺(tái)基礎(chǔ)形式，承臺(tái)下共4根摩擦樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁長23 m，直徑1 200 mm。橋墩地面以上高度5.5 m，橋墩頂部為2.4 m×4.8 m平面。樁周地層分布黏粉土、卵石、粉沙、細(xì)中砂、粉質(zhì)黏土，樁底為卵石層。單樁軸向受壓容許承載力6 200 kN。

圖1 試驗(yàn)橋墩

試驗(yàn)包括動(dòng)剛度測(cè)試和靜載試驗(yàn)兩部分內(nèi)容。動(dòng)剛度測(cè)試采用瞬態(tài)機(jī)械阻抗法，動(dòng)剛度定義為

(1)

式中，GV(f)為速度導(dǎo)納，即速度譜v(f)與力譜F(f)之比；f為頻率。

動(dòng)剛度測(cè)試分3個(gè)階段進(jìn)行(圖2)：①橋墩拆除前，對(duì)墩-承臺(tái)-樁基體系進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)試；②橋墩拆除后，對(duì)承臺(tái)-樁基體系進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)試；③拆除橋墩及承臺(tái)后，對(duì)單樁進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)試。靜載試驗(yàn)在拆除橋墩后的第②階段進(jìn)行。

圖2 橋墩動(dòng)剛度測(cè)試3個(gè)階段示意(單位：cm)

3 瞬態(tài)激勵(lì)下的動(dòng)剛度測(cè)試

3.1 橋墩-承臺(tái)-樁基體系整體動(dòng)剛度

測(cè)試橋墩-承臺(tái)-樁基體系的整體動(dòng)剛度，激振點(diǎn)位于墩頂中心，拾振點(diǎn)分別位于墩頂和承臺(tái)頂。測(cè)試時(shí)，采用2 kN激振力錘從1.5 m高度自由下落，所產(chǎn)生的激振力脈沖寬度為17.5 ms，脈沖峰值為2.13×105N(圖3)。由于沖擊力的作用時(shí)間很短，采用變時(shí)基采樣方法，采樣頻率為2 000 Hz，變時(shí)基倍數(shù)為4倍，以確保不同測(cè)試參數(shù)的精度要求。為減小測(cè)試時(shí)的偶然誤差和噪聲影響，測(cè)試重復(fù)進(jìn)行5～10次，對(duì)比各次測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在沒有較大外界干擾噪聲影響的情況下，各次測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，各次激振力信號(hào)、速度響應(yīng)及加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)橫向相比較，差別十分微小。同一次激勵(lì)下，各傳感器所采集的響應(yīng)信號(hào)差別很小。圖4為墩頂和承臺(tái)頂各測(cè)點(diǎn)動(dòng)剛度平均值，可以看出兩條平均曲線均在10～20 Hz頻段內(nèi)動(dòng)剛度最為穩(wěn)定；且錘擊墩頂時(shí)，承臺(tái)頂動(dòng)剛度大于墩頂動(dòng)剛度。根據(jù)公式(1)可知，這與振動(dòng)沿橋墩衰減有關(guān)。

圖6 承臺(tái)-樁基靜載試驗(yàn)示意及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 激振力信號(hào)示意

圖4 墩頂和承臺(tái)頂測(cè)點(diǎn)動(dòng)剛度平均值

3.2 承臺(tái)-樁基體系和單樁動(dòng)剛度

在完成體系整體動(dòng)剛度測(cè)試后，切割掉橋墩墩柱后，對(duì)包含承臺(tái)和樁基的體系進(jìn)行了動(dòng)剛度測(cè)試。然后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，在靜載試驗(yàn)之后，將橋墩基礎(chǔ)承臺(tái)破除，再在樁頂進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)試。現(xiàn)將3種結(jié)構(gòu)體系：橋墩-承臺(tái)-樁基體系、承臺(tái)-樁基體系、單樁體系均對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度進(jìn)行對(duì)比。為便于比較，所采用數(shù)據(jù)均為激勵(lì)點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)體系在平面幾何中心的情況，且在基樁中心對(duì)應(yīng)位置布置傳感器的測(cè)試結(jié)果，以避免結(jié)構(gòu)因偏心受力引起轉(zhuǎn)動(dòng)所帶來的對(duì)動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)比分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種體系動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

可以看出，在激振率20～80 Hz間，曲線均比較平緩；從數(shù)值來看，低頻段，在相同頻率承臺(tái)-樁基體系所對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度最大，包含橋墩在內(nèi)的整體體系對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度次之，單樁對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度值最小。頻率越低，整體動(dòng)剛度越接近于單樁動(dòng)剛度的4倍，這與理論分析一致，表明低頻段動(dòng)剛度能反映基礎(chǔ)的整體承載力。

4 承臺(tái)-樁基靜載試驗(yàn)

在切割掉橋墩基礎(chǔ)墩柱之后，對(duì)樁及承臺(tái)所組成的基礎(chǔ)整體進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，實(shí)際最大加載26 000 kN，采用慢速維持荷載法，分13級(jí)進(jìn)行加載。在承臺(tái)周邊打設(shè)錨桿的方法提供加載反力，采用“錨桿+反力鋼梁”直拉反力裝置。通過錨桿提供加載反力，大型反力鋼梁傳遞試驗(yàn)荷載，通過高壓油泵、千斤頂油壓系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)樁施加豎向荷載。加載試驗(yàn)錨桿及橫梁設(shè)置如圖6所示，靜載試驗(yàn)結(jié)果的Q-S和T-S曲線如圖7所示。

圖7 靜載試驗(yàn)Q-S和T-S曲線

整個(gè)靜載試驗(yàn)持續(xù)28 h，包括13級(jí)加載和1級(jí)卸載。可以看出，測(cè)試中最大沉降量為2.27 mm，卸載后殘余0.19 mm，相對(duì)殘余8.3%，殘余變形較小。加載后，隨豎向荷載的增大，承臺(tái)-樁基體系沉降量逐漸增大，加載至最大級(jí)，豎向荷載26 000 kN時(shí)，Q-S曲線未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)和突變，按照加載計(jì)劃在26 000 kN停止繼續(xù)增加豎向荷載，進(jìn)行了卸載。卸載后，體系在很短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)，最終僅有0.19 mm的殘余量。從加載Q-S及T-S曲線來判斷加載過程中承臺(tái)-樁-土體系處于彈性狀態(tài)。

靜載試驗(yàn)中得到的Q-S曲線隨加載荷載的增加，豎向位移基本保持線性的增加，對(duì)該曲線進(jìn)行直線擬合，通過計(jì)算可以得到結(jié)構(gòu)的靜剛度，如圖8所示。擬合計(jì)算得到承臺(tái)-樁基體系靜剛度為1.11×1010N/m，與其動(dòng)剛度對(duì)比見表1所示。通過承臺(tái)-樁體系動(dòng)靜剛度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，激振頻率在10～40 Hz之間，其動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)在1.65～1.91，平均為1.78。

圖8 承臺(tái)-樁基體系結(jié)構(gòu)靜剛度擬合

激振頻率/Hz體系動(dòng)剛度/(×1010N/m)體系靜剛度/(×1010N/m)動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)10.51.831.111.6520.51.941.111.7530.52.021.111.8240.42.121.111.91

5 結(jié)論與建議

通過橋墩原型試驗(yàn)對(duì)實(shí)際工程中的橋墩基礎(chǔ)分階段開展動(dòng)剛度測(cè)試和靜載試驗(yàn)，獲得了橋墩-承臺(tái)-樁基體系、承臺(tái)-樁基體系和單樁的動(dòng)剛度，承臺(tái)-樁基體系的靜載試驗(yàn)曲線，得到主要結(jié)論如下。

(1)當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)體系幾何中心時(shí)，橋墩-承臺(tái)-樁基體系的整體動(dòng)剛度與承臺(tái)-樁基體系的動(dòng)剛度值較為接近。

(2)在低頻段整體動(dòng)剛度接近于單樁動(dòng)剛度的4倍，表明整體動(dòng)剛度一定程度上能反映基礎(chǔ)的整體承載力。

(3)承臺(tái)-樁基體系動(dòng)剛度為單樁動(dòng)剛度的1.65～1.91倍，平均動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)為1.78。

(4)總體上，基礎(chǔ)整體動(dòng)剛度能反映基礎(chǔ)整體承載力狀態(tài)。