黏性土地区高速铁路桥梁桩基础沉降计算方法研究

2013-05-30田万俊马建林

铁道标准设计 2013年4期

田万俊，马建林

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142;2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

1 概述

在黏性土地区，桥梁桩基础的沉降控制是一个必须解决的难题之一，尤其是在这种地区修建高速铁路、无砟轨道桥梁时，沉降问题显得更加突出。目前我国的铁路桥梁设计规范关于沉降方面的内容，只给出了总沉降的计算方法［1］，而要进行沉降控制，工后沉降占总沉降的比重、桩基础压缩层厚度的确定、沉降随荷载和时间的变化等等又是必须解决的问题［2-3］，否则黏性土地区修建高速铁路、无砟轨道桥梁根本无从谈起。本文将针对这些问题一一进行探讨，以期在沉降控制方面有所突破。

2 关于工后沉降的研究

对于桥梁基础的沉降控制，实际是控制钢轨锁定以后的沉降量即工后沉降，也就是说在钢轨锁定之前(如墩台施工、架梁、运梁、铺设二期恒载等施工过程)必然要发生一部分沉降，这部分沉降取值的准确与否又是非常关键的。工后沉降，理论上可以通过计算求得，如利用数值模拟法进行计算［4-5］，而利用数值模拟进行计算时要求土的力学性能参数十分准确，这在千变万化的地质情况中是很难掌握的，有时甚至是不可能得到的。因此，本文将利用已有的大量沉降监测数据进行数理统计分析归纳，得出工后沉降占总沉降的比重，而总沉降可以通过规范法计算求得。

2.1 以目前已经通车的京津城际铁路的实际沉降监测资料进行分析研究

(1)北京环线特大桥:架梁后的工后沉降占总沉降的比重平均55%，最大88%，最小0%;

(2)杨村特大桥:部分无砟轨道底座板施工后的工后沉降占总沉降的比重平均 12.6%，最大 51.2%(只有2个墩最大达到84%和67.6%)，最小5%;部分铺轨后的工后沉降占总沉降的比重平均10.7%，最大31%，最小1.1%;

(3)凉水河特大桥:铺轨后的工后沉降占总沉降的比重平均 4.4% ，最大 21.5%;

(4)永定新河特大桥:部分铺轨后工后沉降占总沉降的比重平均12.9%，最大40.6%;部分底座板施工后工后沉降占总沉降的比重平均2.5%，最大32%。

从上可知:对于类似天津地域的软土、松软土等黏性土，工后沉降占总沉降的比重平均仅为13%，最大为51.2%(只有个别达到84%)。因此可初步认为这种地质条件下的工后沉降占总沉降的比重不超过55%;对于类似北京地域以中细砂为主的地层，工后沉降占总沉降的比重达到50% ～90%，但桩基总沉降量一般小于7 mm。

2.2 以京沪高速铁路北京至济南之间的桥梁基础沉降监测资料进行分析

由于沉降在随着时间的推移不断发展，理论上讲沉降的实测值是得不到的。沉降观测值仅仅是在某一时刻的沉降发生情况，在时间和空间上是有限的。因此，当沉降发展到一定程度时，利用已发生的沉降就可以预测出总沉降和工后沉降，已发生的沉降时间越长，则预测值越接近实际值，一般要求预测时的沉降观测值要大于预测总沉降值的75%以上。下面以京沪高速铁路天津特大桥的部分沉降资料为例进行研究，见表1和图1。

表1 天津特大桥部分桥墩沉降资料

续表1

图1 天津特大桥部分桥墩沉降曲线汇总

其余桥梁的沉降情况汇总如表2所示。

从表2可知:对于类似华北地域的软土、松软土等黏性土地段，桥梁桩基础工后沉降占总沉降的比重平均10.44%，最大为49.04%。因此可初步认为这种地质条件下的工后沉降占总沉降的比重不超过50%。

表2 工后沉降占预测总沉降比值统计

2.3 小结

通过上述数据的统计比较，可以得出如下结论:

(1)对于类似天津地域的软土、松软土地段的黏性土，工后沉降占总沉降的比重平均仅为13%左右，最大接近55.0%(只有京津城际有个别达到84%)。因此可认为这种地质条件下的工后沉降占总沉降的比重不超过55%;

(2)对于类似北京地域以中细砂为主的地层，桩基总沉降量一般均较小(一般小于7 mm)，工后沉降占总沉降的比重离散性较大。

3 关于基底压缩层厚度的研究

黏性土地区桥梁桩基础的沉降计算中，压缩层厚度的确定也是非常重要的环节。在现行的规范中，因桩基沉降计算模式不同，压缩层厚度的确定方法也不同。对于沉降计算深度的确定，铁路规范、公路规范和地基规范均是采用变形比法来确定［1，6，7］，即“应变控制法”来确定。另外，《桩基规范》则采用“应力控制法”，计算深度处的附加应力为该处自重应力的0.2倍来确定［8］;而《上海地基基础设计规范》要求计算深度处的附加应力为该处自重应力的0.1倍。本文将结合现场试验和理论计算对这一问题进行研究。

3.1 压缩层厚度计算方法简介

(1)应力控制法(应力比法)

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)，桩基沉降计算深度zn按应力比法确定，即计算深度处的附加应力σz与土的自重应力σc应符合下列公式要求

式中 aj——附加应力系数，可根据角点划分的矩形长宽比及深宽比按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)附录D选用;

p0j——第j块矩形地面在荷载准永久组合下的附加压力，kPa。

(2)应变控制法(应变比法)

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)和《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10002.5—2005)，地基变形计算深度，即压缩层厚度，地基变形计算深度zn按应变控制法，应满足下式要求

(3)此外还有经验公式法、何颐华法、公式推导法等。

3.2 压缩层厚度理论计算方法比较

利用“应力控制法”和“应变控制法”对选定的试验工点桥梁桩基础基底压缩层厚度进行了理论计算，结果见表3。

表3 试验工点压缩层厚度理论计算值 m

从表3可知，“应力控制法”求得的压缩层厚度小于“应变控制法”的计算值，就平均值而言，“应变控制法”计算所得到的基底压缩层厚度为以10%和20%为条件的”应力控制法”计算的1.52倍和2.4倍。

3.3 现场压缩层厚度试验

(1)试验方案

①预先将管口密封的、内径φ144 mm的钢管(可考虑将一原设计的声测管改为内径φ144 mm钢管)固定在基桩钢筋笼内。

②当泥浆护壁钻孔结束后，将带有钢管的钢筋笼下入孔内至桩底，然后进行正常的水下灌注混凝土作业。当基桩混凝土达到一定强度以后，可在桩身钢管内进行桩底钻孔，待钻至设计深度后进行单点沉降计的安装。

③每根试验桩埋设1只单点沉降计。单点沉降计对所测点至单点沉降计固定点之间的相对变形进行监测。单点沉降计固定点设置在承台底面(即桩顶)处。

④所有测试元器件采用远距离自动监测模式，以使所有桩基、承台、墩身、架梁等施工工作可以不受影响照常进行。同时，这也有利于监测结果能排除施工干扰，有利于实时监测，也有利于对元器件的保护。

⑤测点分别设在桩底至桩下30 m处。每墩3个桩的各测点可埋设于不同的深度，以对压缩层厚度进行准确监测。埋设的具体位置应根据试验点地层情况而定。

⑥监测时间为埋设元器件后至铺设无砟轨道后3个月，需要时可延续至铺设无砟轨道后24个月。

单点沉降计与液位沉降计联合监测示意见图2。

图2 单点沉降计与液位沉降计联合监测技术示意

(2)试验结果数据整理(表4)

表4 实测各工点压缩层厚度值汇总

3.4 桥梁桩基压缩层厚度实测值与规范计算值对比分析(表5)

表5 各工点压缩层厚度实测与计算值汇总 m

3.5 结果汇总及结论

从表5给出的试验工点桥梁桩基沉降的实测值与规范计算值对比分析中可以得到如下结论:

(1)与实测值相比，以10%应力比为条件的“应力控制法”计算得出的压缩层厚度最为接近，平均值比实测值大15%;

(2)与实测值相比，以20%应力比为条件的“应力控制法”计算得出的压缩层厚度偏小，平均值比实测值小27%;

(3)与实测值相比，“应变控制法”计算得出的压缩层厚度普遍偏大;

(4)对于类似的松软土地区，采用10%应力比为条件的“应力控制法”计算压缩层厚度为宜。

4 关于沉降随时间和荷载的计算方法研究

沉降发展的主要影响因素有荷载、土层和时间等。虽然可以通过有限元法等数值方法对桥梁基础沉降发展规律进行模拟计算，但做为工程应用来讲，由于有限元土体参数的确定计算指标和试验技术上等问题，使得有限元计算沉降方法很难在实际工程中广泛应用［9-10］。

本文通过大量实际桥梁沉降监测资料的积累，在数理统计分析的基础上找出地基沉降过程的具有一定实际应用价值的沉降变形曲线进行回归，以预测其沉降发展规律，具有很强的可操作性，并符合工程实际特点，暂称之为“变形过程指数法”，计算公式如下

式中 t——时间变量，d;

St——t时刻发生的沉降，mm;

S∞——最终沉降量，mm，可通过有限元计算或规范计算等方法得到;

Nt——t时刻的作用在桩基上的累计恒载，kN;

N∞——作用在桩基上的最终恒载，kN;

α——拟合参数，与土层性质、桩基布置、施工方法和工艺等有关。

下面以京沪高速铁路天津特大桥某桥墩为例，进行沉降曲线拟合分析计算，见表6、表7。沉降曲线拟合见图3。

表6 天津特大桥H109号墩计算数据

表7 天津特大桥H109号墩观测沉降量与预测沉降量对比

图3 天津特大桥H109号墩沉降曲线拟合

从上面沉降计算的公式中可知，当计算某时刻的沉降值时，总沉降、总荷载、该时刻的荷载等资料都可以根据实际计算工点的资料中取得，唯一难以确定的参数是与土层性质、桩基布置、施工方法和工艺等有关的参数——α，该值无法通过计算求得，本文利用大量的实际沉降观测进行曲线回归，从而得出在黏性土地区的该参数取值范围为0.01～0.03，从而为沉降计算提供了非常便捷有效的途径，解决了长期困扰工程技术人员的沉降随时间和荷载变化的计算难题。