某高速铁路桥墩沉浮成因分析及处理措施探讨

韩晓强，邹振华，董 亮

(1.中国铁路总公司 工程管理中心，北京 100844;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概况

某在建铁路桥长738.107 m，设计速度250 km/h，桥上铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道。孔跨布置为3×32 m简支梁+(32+48+32)m连续梁+15×32 m+1×24 m简支梁;最大墩高8.5 m，桥梁采用矩形实体墩、T 形空心桥台、桩基础，其中 5#～11#，16#，17#墩为摩擦桩基础，其余为柱桩。本桥从2010年3月开始施工桩基，2012年10月架梁结束。桩基经检测满足要求［1］。

图1 桥梁纵断面示意

本桥所处地区的岩石地基主要为灰岩，而土层地基主要由黏土、粉质黏土以及砂卵砾石组成。桥址区属亚热带气候，降水量较丰富。本区地下水受降水量影响，不同的季节水位变化较大，可达1～2 m甚至数十米，且变化迅速，地质纵断面及桩基布置如图1所示。

桥址属低山岩溶谷地地貌。桥位跨越溶蚀谷地，谷地平缓开阔，地表多为水田。桥位附近地层岩性分为非可溶岩及可溶岩两类，整体分布规律:0～7#墩台基岩为灰岩，岩体完整性较好，但岩溶发育;8#～22#墩台上部岩层为页岩、硅质岩夹炭质页岩的杂合岩类，风化程度较严重，全、强风化层总厚为20～40 m，下部岩层为灰岩偶夹硅质岩，岩体完整性一般，岩溶发育。

2 桥墩异常沉浮成因分析

2.1 桥梁墩台沉降观测

2010年9月至2014年2月的观测数据表明，桥墩台高程呈规律性变化，主要表现为每年雨季上升，雨季结束后下沉。全桥所有墩台的升降与时间关系一致，全桥墩台高程变化最大值为16#墩的38.58 mm。桥梁沉浮典型桥墩数据如图2所示。

2.2 地下水位变化与桩基异常沉浮对比

利用4个地质钻孔对地下水位进行观测。根据实测的地下水位与沉浮同期数据进行对比(图3)，桥墩台沉降和上浮的变化趋势与地下水位下降和上升趋势有较好的一致性。

2.3 墩台异常沉浮与地质条件关联性分析

图2 16#桥墩沉降实测值

图3 16#桥墩沉降实测值与水位实测值

从大地构造分区来看，桥址属于扬子地台，是国内最为稳定的地块之一，桥区不存在影响到墩台异常浮沉的地质构造因素;桥位表层0～3 m黏性土样不具备膨胀性，表层黏性土的膨胀力难以影响桥基浮动;墩台异常上升时间为雨季高温季节，故墩台异常上升与冻胀无关;桥址大量的勘探均未发现松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土等能产生负摩阻的特殊性土层，同时负摩阻力只能对墩身产生下拉作用而无法产生上浮作用，不存在因土层负摩阻力所导致的异常升降问题;桥址表层黏性土覆土很薄，且以粗粒土为主，渗水性较好，不具隔水作用，无法形成可将桥梁墩台异常抬升的深层承压水。

综上分析表明:桥墩异常沉浮与地质构造作用、岩土胀缩性、岩土冻胀性、负摩阻力、承压水等关联性不足，但从图3桥墩沉降实测值与水位实测值的高度一致性可知，沉浮与地下水位的变化有密切的关联性。

3 桥墩变位数值分析

3.1 地下水位变化影响机理

地下水位波动直接影响土层有效应力与孔隙水压力的相互转化。地下水位下降时，地基土体孔隙水压力由于水位下降而减小，但是上覆荷载总应力并未改变，原来由孔隙水承担的一部分荷载转为由土体骨架承担，使得含水层中有效应力必然要增加。因此，地下水位下降，表现为地面下沉［2］。地下水位的抬升会显著降低土体内的有效应力，破坏其结构性，导致土体的力学性能降低;同时水的润滑作用还会进一步削弱桩土界面的黏结作用，同时地下水位的上升也意味着产生超孔隙水压力的土体范围会增加。这些变化会显著改变桩土结构体系的受力变形特性。

无论上部荷载大小如何，水位在上升和下降过程中，孔隙比并不是随着土样压缩变形呈现出不断减小的趋势，而是出现了不同程度的增大。由于孔隙比的增大，导致了压缩模量的减小。在实际工程中这会进一步导致结构的沉降增大［3-4］。

3.2 数值分析模型建立与基本假设［5-6］

采用ABAQUS软件在水位变化的情况下对桩基的沉降特性进行分析。选取2根摩擦桩和2根柱桩进行分析计算。本文仅列举了16#桥墩计算分析结果。

桩采用线弹性模型，土体采用Mohr-Coulomb模型，桩土之间建立非线性接触关系。桩的弹性模量取32 GPa，泊松比0.2。模型在竖向取桩长的2～3倍，深度100～130 m，宽度100 m。

假设地质分层均匀，不存在异常情况，地下水位均匀下降，地层中不存在承压水情况。桩土界面建立库仑摩擦模型的接触关系，根据钻探资料剪切试验结果估算其摩擦系数近似取0.3。

分析过程分为两步，第一步分析平衡初始地应力场和竖向荷载，第二步分析水位变化的影响，获取不同水位变化条件下的桩顶平面变形。

3.3 地下水位变化影响规律分析

3.3.1 计算结果

计算中假定地下水位从承台顶面开始下降，分别下降2，12，22，32和 42 m 时，桥墩桩身轴线、距桩基0.5 m、距桩基20 m情况下的地基附加应力如图4、图5所示。

图4 地基附加应力

图5 附加应力与水位下降关系

地下水位分别下降42 m和2 m时，承台顶平面和桩底平面的沉降如图6所示。结果表明，对于承台平面，承台沉降远小于远离桩基的地基沉降;对于桩底平面，桩基下方土体沉降略大于远离桩基的地基土体沉降。

图6 承台顶和桩底沉降曲线

图7 桥墩地基沉降

图7分别为水位下降42 m和12 m时，桩身轴线、距桩基0.5 m、距桩基20 m情况下地基沿深度的沉降情况。桩身范围内，桩体沉降变形极小，距桩基0.5 m沉降有所增大，距桩基20 m沉降最大;桩尖以下部分土体的沉降变形较为接近，桩身和地基土体的沉降变形与水位下降深度、地层分布有较大关系。

汇总桩顶和桩底沉降随地下水位下降的变化关系如图8所示，随地下水位下降深度增大，承台平面桩顶和桩底沉降逐渐增大。

图8 桥墩承台沉降与水位下降关系

3.3.2 计算分析结论

根据设计资料和地质补充勘察资料，8#，16#墩摩擦桩和4#，20#墩柱桩沉降变形计算分析结果如表1和表2所示。

表1 地下水位下降不同深度时承台顶沉降变形计算结果汇总mm

表2 桩基沉降计算结果与实测结果汇总 mm

根据地下水位变化条件下桩基变位数值分析结果，得出如下结论:

1)实测桥墩竖向变位与地下水位变化的规律基本一致，地下水位变化是桥墩桩基出现异常变位的主要原因之一，桩基变位量值大小与地下水位变化幅度、基础地质条件等因素有关。

2)8#，16#墩摩擦桩地质条件单一，沉降计算值与实测值接近，数值计算结果能较好地反映地下水位变化对桩基变位的影响。4#，20#墩柱桩地质条件复杂，沉降计算值与实测值存在一定差异，数值计算结果受地质条件影响较大。

3)地下水位变化对地基稳定不利，地下水位上升会将降低桩间土和下卧层地基承载力特征值，地下水位下降会加大地基荷载。

4)关于地下水位上升情况下对桥墩基础变位的影响，计算分析表明与地下水位下降工况的结果基本一致。

4 工程处理措施

根据研究分析的沉浮原因，对本桥提出了针对性的工程处理措施:

1)将原采用摩擦桩的桥墩采用柱桩补强，尽量消除地下水位变化对桩基的影响。

2)在两桥台过渡段采取改善差异沉降的构造措施，减少桥头路基的不平顺性，以满足铁路规范设计要求。

5 结论及建议

1)现有铁路设计规范对沉降计算仅考虑地层的压缩模量，未考虑压缩模量在有水、无水状态下的变化，因此建议铁路规范进一步考虑地下水位变化对沉降变形的影响。

2)由本桥沉浮及相邻桥墩的差异沉降分析可知，差异沉降大的桥墩基础桩基长度相差较大，因此在无砟轨道结构桥梁设计中相邻桩长差异不能过大。

3)本桥的下沉和上浮现象在铁路桥梁基础沉降中十分罕见，本文在大量的实测资料和勘探的基础上，剖析了沉浮发生的地质原因，并采用有限元程序进行数值模拟，分析研究出沉浮的主要原因，提出了针对性的工程处理措施，供同类桥梁的设计借鉴。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］张鑫，李聪伟，潘恺.地下水位波动对地基土变形特性的影响［J］.华北水利水电学院学报，2012，33(5):95-98.

［3］杨希，雷学文，孟庆山，等.地下水位波动条件下粉土地基变形特性试验研究［J］.人民长江，2012，43(2):84-87.

［4］华昊.神朔线燕家塔特大桥桥墩病害检测分析及加固方案研究［J］.铁道建筑，2013(10):31-33.

［5］吴波.降水对桥基影响的三维渗流—应力耦合分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(增1):3277-3281.

［6］赵清平，丁平.抽降地下水引起地面沉降的计算与预测［J］.岩土力学，2002，23(增):189-191.