巖溶區(qū)高鐵橋梁樁基沉降計算及參數(shù)影響分析

陳 謙

（中鐵十二局集團第七工程有限公司 湖南長沙 410004）

1 前言

巖溶地質(zhì)是危害較大的地質(zhì)條件，溶洞的存在削弱了樁端持力層的承載能力，可能引發(fā)一系列的基樁承載和變形問題［1］。因此，有很多學(xué)者研究了巖溶區(qū)溶洞對樁基的影響。本文結(jié)合鄭徐客專工程中的徐州特大橋341＃墩，分析橋梁樁基礎(chǔ)下伏土層的厚度和下伏灰?guī)r層中溶洞跨徑等對墩臺群樁基礎(chǔ)的施工沉降和工后沉降的影響。同時，分析了當(dāng)相鄰墩臺采用兩種不同類型樁基礎(chǔ)時，兩者之間的差異沉降特點，從中找出下伏土層加固的方法與施工措施，提出相應(yīng)的施工工藝，以保證橋梁墩臺群樁基礎(chǔ)的工后沉降能滿足規(guī)范要求。

2 工程概況

鄭州至徐州客運專線沿線屬黃淮沖積平原，地形平坦，多辟為農(nóng)田、林地、魚塘、村莊等，且在徐州、蕭縣有出露的剝蝕丘陵。地質(zhì)勘測表明，地層中沉積了巨厚的松散堆積物，不良地質(zhì)和特殊土主要有松軟土、巖溶等。其中，徐州特大橋341＃橋墩處的地質(zhì)條件為典型工點地質(zhì)條件。徐州特大橋341＃墩為摩擦樁，其承臺尺寸為6.8 m×10.2 m×2.5 m，墩位布置如圖1所示。

圖1 341#墩墩位布置

2.1 地質(zhì)條件

341＃群樁基礎(chǔ)的樁側(cè)土主要以粉質(zhì)黏土和黏土為主，下伏基巖為灰?guī)r。各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載

承臺頂面主要承受的荷載為上部結(jié)構(gòu)的自重和列車活載，其中以軸向荷載為主。為了便于表述，將成樁完成至鋪軌前的施工過程稱為工前階段，將鋪軌完成之后稱為工后階段，則承臺頂面所承受的荷載大小分別為：

（1）工前階段：主要有墩臺的自重，約為13 741.2 kN。

（2）工后階段：主要有梁重、軌道板及其鋼軌等重量，工后荷載為9 000 kN左右。

（3）荷載作用面積為長4 m（直線段）、寬2 m的圓端形范圍，計算中按矩形區(qū)域進行等效。

3 天然地基群樁基礎(chǔ)分析

3.1 計算模型

本文采用FLAC3D軟件對341＃橋墩的基礎(chǔ)沉降進行計算，以評估橋梁群樁基礎(chǔ)工后沉降的大小和需要采取的沉降控制方法。

如圖2所示，土層為長方體模型，其深度取50.5～60.5 m，沿線路走向和垂直線路方向的長度均取8～10倍的承臺寬度，同時用Mohr-Coulomb模型來描述土層的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。用Pile單元模擬10根長36 m、樁徑為1.0 m的摩擦樁，用Shell單元模擬厚度為2.5 m的承臺，兩者采用剛性連接。摩擦樁彈性模量為28 GPa，基樁切向和法向剛度取10倍左右的土層壓縮模量，接觸面上的黏聚力和內(nèi)摩擦角均采用與土體相同的參數(shù)。將下伏溶洞簡化為直徑為D的球形空腔，其球心與群樁基礎(chǔ)形心位于同一豎軸上［2－4］。

圖2 計算模型

3.2 h1和h2影響分析

本節(jié)分析溶洞跨徑D為3 m時4種工況（h1＝10 m，h2＝3 m；h1＝10 m，h2＝0 m；h1＝5 m，h2＝0 m；h1＝3 m，h2＝0 m）下摩擦樁的基礎(chǔ)沉降。其中，h1為樁端至灰?guī)r頂面的距離，h2為下伏溶洞洞頂至灰?guī)r頂面距離。圖3為4種工況下工前和工后兩個階段同一基樁的樁身沉降沿深度的分布圖。圖4為4種工況條件下的工前和工后兩個階段角樁軸力隨樁身深度的分布曲線。

圖3 基樁沉降隨樁身深度分布曲線（D=3 m）

圖4 角樁軸力隨樁身深度分布曲線（D=3 m）

（1）由圖3可知，在樁身范圍內(nèi)，群樁基礎(chǔ)的沉降變化小，且h1越小，群樁的沉降越小。

（2）當(dāng)處于最不利情況（h1＝3 m，h2＝0 m）時，下伏溶洞的存在對群樁基礎(chǔ)變形影響不大。

（3）4種工況下的樁頂工后沉降差別不大，處于12.5～14.5 mm之間，均滿足工后沉降要求。

（4）由圖4可知，除工前階段樁頂軸力存在一定的差異外，4種工況條件下的樁身軸力曲線基本重合，均隨著深度的增加，軸力逐漸減小，在樁端位置，樁身軸力趨近于0。總地來說，樁端軟弱下臥層厚度h1和溶洞頂板高度h2對基樁的受力影響不大［5－8］。

此外，本節(jié)還分析了4種工況條件下樁端土層和基巖面附加應(yīng)力沿y軸方向的分布曲線（坐標(biāo)系統(tǒng)參照模型圖2，坐標(biāo)軸的原點在墩臺底部形心位置）。其中，附加應(yīng)力定義為僅由承臺頂面外部荷載引起的土層豎向應(yīng)力。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 附加應(yīng)力沿水平距離分布曲線（x=0）

（5）由圖5可知：附加應(yīng)力在樁端附近達到最大，當(dāng)下臥層h1＝3 m時附加應(yīng)力接近70 kPa，且隨著向兩側(cè)距離的增大而遞減；當(dāng)下臥層h1＝10 m，溶洞頂板厚度h2＝3 m和0 m時，樁端附加應(yīng)力分布基本相同，此時溶洞的影響很小。由圖5b可知，下臥土層較厚時，下伏溶洞的拱頂沉降將導(dǎo)致洞頂范圍內(nèi)附加應(yīng)力降低并出現(xiàn)負(fù)值；下臥層較薄時，由于巖面距離樁端較近，經(jīng)樁傳遞至下臥層的荷載起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致巖面附加應(yīng)力增加，此時應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)出3個極值。同時，由摩擦樁傳遞到基巖面上的附加應(yīng)力值都不大（最大為53 kPa左右），遠小于基巖的抗壓強度值（67.47 MPa），這樣的應(yīng)力條件不能使基巖產(chǎn)生變形破壞。這從另外一個方面也說明在工作荷載作用下，群樁基礎(chǔ)的沉降變形主要由下臥土層的特性與厚度所決定，而與下伏基巖無關(guān)。

3.3 溶洞跨徑影響分析

在灰?guī)r地層中，溶洞大小及其填充物的性質(zhì)對地層的穩(wěn)定性有很大影響，特別是溶洞的大小對地層的影響非常大，因此，需要研究灰?guī)r地層中溶洞的跨徑D對群樁基礎(chǔ)工后沉降的影響。本文模擬計算了溶洞跨徑D對工前沉降和工后沉降的影響。仍以341＃墩的實際資料為依據(jù)，樁端下伏土層厚度h1為10 m，溶洞頂板厚度h2分別為3 m、0 m，溶洞跨度分別為3 m、5 m、10 m。圖6和圖7分別給出了溶洞跨徑D對基樁的施工期沉降和工后沉降的影響，其中圖6對應(yīng)的頂板厚度h2＝3 m，圖7對應(yīng)的頂板厚度h2＝0 m［9－10］。

圖6 溶洞跨徑D對基樁沉降的影響（h2=3 m）

圖7 溶洞跨徑D對基樁沉降的影響（h2=0 m）

由圖6、圖7可知：

（1）隨著溶洞跨徑D的增大，土體工后沉降量越大。

（2）隨著溶洞跨徑D的增大，樁頂?shù)某两底冃沃饾u增大，尤其是當(dāng)溶洞跨徑D達到10 m時，沉降變形顯著增加。而對于工后沉降，下伏溶洞的跨度越大，樁頂沉降變形越小。

（3）對于總沉降而言，3種溶洞跨度條件下總沉降相差不大，跨徑D＝10 m時的值稍微偏大。

3.4 嵌巖樁

當(dāng)墩臺采用不同類型樁基礎(chǔ)時，產(chǎn)生的基礎(chǔ)沉降量不同。本節(jié)中假設(shè)341＃橋墩的樁基礎(chǔ)為嵌巖樁，此時，對于嵌巖樁基礎(chǔ)沉降的計算仍然采用圖2計算模型，其他計算參數(shù)取表1中的數(shù)據(jù)；同時，計算中假定樁端嵌入巖體深度為1 m，溶洞頂板厚度為4 m。樁端采用法向屈服彈簧模擬端承效應(yīng)，面積為0.785 m2，彈簧剛度為2.6×1010N/m3，壓縮屈服荷載為785 kN。外部荷載的大小與上述摩擦樁情況類似［11－13］。

在計算過程中，考慮了兩種情況：一種是有溶洞情況，溶洞跨徑D＝3 m，溶洞頂板厚度為4 m；另外一種是沒有溶洞的情況。圖8為有、無溶洞情況下，嵌巖樁樁身位移沿深度的分布圖，由此可知：

圖8 基樁工后沉降隨樁身深度分布曲線

（1）對于嵌巖樁，樁頂荷載引起的位移很小，樁頂工后沉降僅為2.6 mm。

（2）有無下伏溶洞對樁的變形、受力影響不大，兩者曲線基本重合，這與前述摩擦樁的結(jié)論相一致。

經(jīng)計算可得，在荷載、樁長以及溶洞跨徑（3 m）均相同的條件下，摩擦樁與嵌巖樁的工后沉降分別為13.5 mm和2.6 mm。由此可知，嵌巖樁的工后沉降遠遠小于摩擦樁的工后沉降，兩者的差值達10.9 mm。

在高速鐵路的樁基礎(chǔ)設(shè)計中，核心問題之一是工后沉降的控制。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（試行）［7］，對于無砟軌道橋梁，墩臺容許工后沉降為20 mm，靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺沉降差為5 mm，對于超靜定結(jié)構(gòu)，其相鄰墩臺均勻沉降量之差的容許值，除要滿足靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺沉降量之差的要求外，還應(yīng)根據(jù)沉降對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響而定。對于實際中嵌巖和非嵌巖的相鄰橋墩樁基礎(chǔ)，沉降差達到10～12 mm，超過了規(guī)范的容許限值，有必要對坐落于軟土地基上摩擦型群樁基礎(chǔ)進行加固處理，以滿足工后差異沉降的要求。

綜上，在相同工作荷載與相同參數(shù)條件下，嵌巖樁的工后沉降遠遠小于摩擦樁的工后沉降；當(dāng)相鄰兩墩臺分別采用摩擦樁與嵌巖樁作為基礎(chǔ)形式時，兩墩臺的差異沉降可能不能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

（1）341＃墩采用摩擦樁時，群樁基礎(chǔ)工后沉降基本在規(guī)范容許范圍之內(nèi)，說明樁基礎(chǔ)的設(shè)計滿足要求，且群樁沉降變形主要由樁端下臥土層的壓縮造成，下臥土層越薄，群樁沉降也就越小。

（2）由于群樁基礎(chǔ)應(yīng)力擴散效應(yīng)的影響，傳遞到基巖面上的應(yīng)力遠遠小于基巖的抗壓強度值，使得基巖處于彈性變形階段，變形很小。

（3）有溶洞存在時，群樁基礎(chǔ)的沉降變形也基本上是由樁端下臥土層壓縮所引起。溶洞跨度的大小對群樁基礎(chǔ)的總沉降影響不大。

（4）當(dāng)相鄰兩墩臺分別采用摩擦樁與嵌巖樁作為基礎(chǔ)的形式時，兩墩臺的差異沉降可能不能滿足規(guī)范要求，且在相同工作荷載與相同參數(shù)的條件下，嵌巖樁的工后沉降遠遠小于摩擦樁的工后沉降，因此，有必要對坐落于軟土地基上摩擦型群樁基礎(chǔ)進行加固處理，以滿足工后差異沉降的要求。