增補樁對重載鐵路橋梁橫向振幅影響研究

李峰幟

(朔黃鐵路發展有限責任公司，河北 肅寧 062350)

因其具有高效、環保、節能的突出特點，“貨運重載”已經成為繼“客運高速”后的我國鐵路又一發展趨勢[1]。橋梁作為重載線路的重要基礎設備，在大軸重、多運量、高速度的重載條件下，其結構性能不斷退化，各種病害出現并迅速發展，嚴重影響了運營安全，而擴能改造則是解決這一問題的第一手段。

在進行設備加固改造過程中，增補樁基法是墩臺基礎改造加固的重要手段，而如何確定增補樁基的數量、長度則是加固設計的首要問題[2]，為了設計科學合理的加固方案，需要從多方面進行深入研究。基于此，本文擬開展增補樁數量及長度對橋梁結構橫向振幅的影響規律研究，以期為后續墩臺基礎加固設計提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

朔黃鐵路磁河特大橋全長696.00 m，中心里程K277+541，橋跨為21孔32 m預應力混凝土簡支T梁。該橋位于直線上，全橋均采用盆式橡膠支座，下部結構為圓端形橋墩，上下行橋墩分離，但是共用承臺，除21#橋臺外，各墩臺均為摩擦樁基礎。由于2016年7月河北省普降特大暴雨，上游水庫泄洪，導致該橋8#～10#橋墩樁基裸露，嚴重危及行車安全，隨后對該橋的6#～11#橋墩進行了基礎加固處理。由于加固后承臺尺寸變寬，過水面積減小，造成各橋墩沖刷深度均低于承臺底，在運營性能試驗中發現部分橋跨和墩頂橫向振動太大。結合水文計算，對1#～5#、12#～20#墩承載力檢算后發現基礎承載力不足，均不能滿足重載需要。基于提高基礎強度、剛度以及穩定性目標出發提出了“增補樁基法+擴大基礎法”。為分析基礎加固措施及加固效果，選取其中一孔進行分析，考慮到已經加固橋跨以及邊跨對橋梁運營性能的影響，故選取距離干擾因素最遠的第16孔及15#～16#橋墩為代表進行研究。

1.2 橋梁基礎加固

加固前，橋墩高2.5 m，承臺厚2.0 m，平面為矩形，既有承臺尺寸為4.0 m×8.4 m，基礎為摩擦樁基礎，上下行共8根樁，直徑為0.8 m，墩身和基礎均采用250號混凝土，加固前橋墩及基礎立面如圖1(a)所示。新加固承臺底與既有承臺底齊平，承臺厚3.0 m，尺寸為：縱橋向8.0 m×橫橋向12.4 m，橋墩高度變為1.5 m，增補樁基為鉆孔灌注樁基礎，采用逐樁施鉆的方法以減小對既有橋的影響，樁基直徑為0.8 m，承臺采用C35混凝土，鉆孔灌注樁采用C30混凝土。加固后橋墩及基礎立面平面如圖1(b)、圖1(c)所示。

既有橋墩基礎四周增補鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁采用逐根施工法，當前一根樁完成混凝土澆筑后，再施鉆下一根樁。施工時應嚴格控制泥漿濃度，防止塌孔，墩身及承臺新舊混凝土界面鑿露出粗骨料，既有墩身及承臺四周植入鋼筋，植筋之前應對結構體內鋼筋探測，盡量避免傷及鋼筋，如發生干擾，適當移動鋼筋位置，植筋完成后綁扎鋼筋，固定型鋼位置，支模板，澆筑承臺混凝土。加固前、后橋墩及承臺實景如圖2所示。

圖1 樁墩及基礎加固前、后結構(單位：m)

圖2 加固前、后橋梁實景

2 有限元分析

2.1 樁基礎受力機理

外部荷載傳至樁基后，在樁身將產生軸力、剪力與彎矩，導致樁基發生豎向、橫向以及轉角位移。樁基的豎向位移會引起樁側摩阻力以及樁底豎向抗力；樁基的橫向與轉角位移將導致樁側土水平抗力[3]。因此，土中樁受力后產生的內力和變形，不僅與樁身剛度有關，且與土的抗力大小有關。樁—土—承臺相互作用共同承擔上部結構的荷載，由于土是一種復雜的、多相的離散體系，很難將土所有特性考慮清楚來解決樁—土相互作用問題。

目前，工程中普遍采用簡化的模型進行計算和分析。樁—土—承臺相互作用的有限元簡化模型，實際上是要把樁與土、承臺與土的作用問題分開考慮，用豎向樁端彈簧與垂直于軸向的樁側彈簧以及平行于樁的豎向彈簧模擬樁—土作用，采用承臺底面地基彈簧模擬承臺—土作用，樁身土彈簧和地基土彈簧相互獨立，基于不同理論假設[4]。其中，樁—土作用基于豎向彈性地基梁法，承臺—土作用基于溫克爾地基模型的基床系數法。樁基受力簡化模型如圖3所示。

圖3 樁—土—承臺相互作用簡化模型

2.2 有限元模型建立

橋梁有限元整體模型是依據磁河特大橋竣工圖紙、基礎加固圖紙與地址勘測資料(土層參數見表1)，根據本文研究內容選用橋梁的第16孔、15#～16#橋墩以及基礎，通過Midas/Civil有限元軟件建立整體實體單元進行模擬分析，按照新增補樁數量分別為6根、10根以及12根，樁長度18 m(既有樁長)、21 m、24 m、27 m、30 m分別建立有限元模型。在模型上施加節點動力荷載模擬列車荷載，節點動力荷載包括豎向荷載F以及橫向搖擺力Fs，Fs取值為F的1/3[5]，本次模型施加的列車軸重為300 kN，Fs為100 kN。模擬重載列車KM98以50 km/h行駛速度通過橋跨結構時梁跨中以及橋墩墩頂橫向振幅等振動特性，分析各運營性能參數隨增補樁數量以及長度的變化規律，通過對比分析確定最優加固方案。加固前、后有限元模型如圖4所示。

2.3 增補樁數量模擬分析

為研究增補樁數量的變化對橋梁跨中橫向振幅和墩頂橫向振幅的影響規律，以增補樁數量分別為6根、10根和12根三種方案為例進行分析，具體布置形式如圖5所示。

表1 地基的橫向和豎向土彈簧剛度比例系數

圖4 有限元模型

圖5 新建基礎增補樁布置

通過已建立的整體有限元模型，通過改變增補樁的重度和邊界來分析不同數量增補樁對橋梁結構橫向振幅的影響規律。樁長與既有樁相等(18 m)，模擬在列車軸重為300 kN作用下以50 km/h速度通過橋跨結構時，加固前(橋梁結構橫向振幅模擬結果如圖6所示)與加固后(不同增補樁數量)橋跨跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅最大值統計結果，詳見表2。

表2 橋梁結構橫向振幅模擬值

由表2可知：隨著基礎加固中增補樁數量的增加，橋梁結構橫向振幅均逐漸變小；但當增補樁數量到達12根時，梁跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅抑制比增長最為明顯，分別為10.5%和13.2%，考慮到橋梁加固效果與經濟因素以及樁間距等現實情況，確定增補樁的數量為12根。

圖6 加固前橋梁結構橫向振幅時程曲線

2.4 增補樁長度模擬分析

加固前與加固后(不同樁長)橋跨跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅統計結果詳見表3。

表3 橋梁結構橫向振幅模擬值

根據《鐵路橋梁檢定規范》(鐵運函〔2004〕120號)規定，當列車行駛速度為50 km/h時，橋梁跨中橫向振幅通常值、安全限值、墩頂橫向振幅通常值分別為：2.54 mm、3.56 mm、0.35 mm。由表3可知：橋跨跨中與墩頂橫向振幅均小于規范所規定的通常值，但加固前墩頂橫向振幅為0.296 mm，接近規范規定的通常值0.35 mm，說明橋墩橫向剛度偏小，需要采取加固措施；隨著基礎加固中增補樁長度的變大，橋梁結構橫向振幅逐漸變小，但當增補樁長度超過24 m時，加固對橋梁結構橫向振幅的抑制比增長趨勢變緩，加固效果不太明顯。

3 運營性能試驗

朔黃鐵路公司于2018年對礠河特大橋部分橋墩進行了“擴大基礎+增補樁基”加固處理。加固方案以上一節有限元模擬為依據，增補樁數量為12根、長度為24 m。為驗證重載列車作用下加固效果，以第16孔及15#～16#橋墩測試數據進行分析。

在加固的橋墩墩頂、梁跨中布置891-Ⅱ型拾振器并配套數據采集儀及相關設備組成無線橋梁健康監控系統，實現振動數據的實時監控，采樣頻率為256 Hz。數據采集由列車到達信號自動觸發，實時監控橋墩墩頂橫向振幅、縱向振幅和相應橋跨跨中橫向振幅，如圖7、圖8所示。

圖7 梁跨中振動傳感器 圖8 墩頂振動傳感器

在不同列車車型作用下，對第16孔橋跨結構加固前、后跨中橫向振幅測試數據進行處理與分析，詳見表4。

表4 橋跨跨中橫向振幅實測值

由表4可知：加固前、后橋跨跨中橫向振幅隨著列車軸重的增加而逐漸變大，且均低于規范規定的通常值2.54 mm；不同列車車型跨中橫向振幅抑制比在27%～35%之間，與有限元模擬結果28.2%比較接近，證明有限元模型的準確性以及加固方案的有效性。

在不同列車軸重作用下，對16#橋墩加固前、后墩頂橫向振幅測試數據進行處理與分析，實測結果詳見表5。

由表5可知：隨著列車軸重的增加，加固前、后墩頂橫向振幅逐漸變大，但相對于加固前，加固后墩頂橫向振幅隨列車軸重的增長趨勢較緩；加固前墩頂橫向振幅最大值為0.276 mm，接近規范規定的通常值，但加固后墩頂橫向振幅最大值為0.165 mm，最小抑制比為36.0%，最大抑制比為44.5%，說明加固效果較為明顯。

表5 16#橋墩墩頂橫向振幅實測值

4 結論

本文以朔黃鐵路磁河特大橋“增補樁基法+擴大基礎法”基礎加固為背景展開研究，通過數值模擬與現場運營性能測試相結合的技術路線，分析不同增補樁長度對橋跨跨中以及墩頂橫向振幅的影響規律，主要結論如下：

(1)利用Midas/Civil有限元軟件建立整體實體單元模擬3種數量的增補樁。通過數值模擬結果對比分析，當增補樁數量到達12根時，梁跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅抑制比增長最為明顯，加固效果最好，分別為10.5%和13.2%。

(2)當增補樁數量為12根時，通過有限元軟件模擬分析增補樁長度18～30 m可知，橋梁結構橫向振幅隨著增補樁長度的增加而逐漸變小，但當增補樁長度為24 m時，加固效果最為明顯，跨中橫向振幅抑制比為28.2%，墩頂橫向振幅抑制比達到39.5%。

(3)通過現場運營性能試驗測試數據可知，無論是加固前還是加固后，橋跨跨中以及墩頂橫向振幅均隨著列車軸重的增大而變大，但加固后，列車軸重對橋梁結構橫向振幅的影響程度變小；基礎加固對跨中橫向振幅的抑制比最大為34.6%，對墩頂橫向振幅的抑制比最大為44.5%，說明加固對橋墩橫向剛度的影響效果較為明顯。