深厚软土地区高速铁路桥梁沉降规律及修正等代墩基法计算沉降＊

任文峰 王星华 涂 鹏

（中南大学土木建筑学院1） 长沙 410075） （中交路桥建设有限公司2） 北京 100027）

0 引 言

高速铁路桥梁桩基设计时以沉降控制为主，桩长的确定与传统以承载力控制为主有较大不同.上海、苏州地区地处长江冲积平原，地势较低，地表水丰富，广泛分布淤泥质土，软土强度低，在此地基基础上修筑高速铁路的经验较少.国内外学者对桥梁沉降工后沉降进行了大量研究，关于群桩的沉降计算方法主要有等代墩基法、修正等代墩基法、弹性理论法、等效作用分层总和法、有限元法、原位测试估算法及其他简化和经验方法等［1－4］，但在深厚软土地区桥梁的工后沉降研究较少.冷伍明等在分析高速铁路桥梁沉降观测数据的基础上提出高速铁路桥梁桩基工后沉降组合预测方法［5］，吴鹏、龚维明等提出刚性承台群桩沉降简化计算方法［6］，赵春彦、郑国勇等提出软土中单桩长期工后沉降的预测模型［7］，刘金砺、邱明兵分析了软土中群桩承载变形特征与并提出减沉复合疏桩基础设计计算方法［8］，陈仁朋、凌道盛等通过分析软土中群桩基础中应力扩散规律，提出基于桩周土体压缩模量的桥梁沉降计算方法［9］.但是，上述研究对深厚软土地区高速铁路桥梁工后沉降的计算均存在过程复杂、结果离散性偏大等缺点.

文中以京沪高铁丹阳至昆山特大桥昆山东桥段为研究对象，通过沉降变形观测及理论分析，寻求软土地区高速铁路桥梁沉降的一般规律，并通过理论分析对等代墩基法计算桥梁沉降进行修正，为深厚软土地区高速铁路合理桩长的确定及桥梁基础沉降预测提供一定的依据.

1 工程概况

京沪高铁昆山东桥段横穿江苏昆山市，西临苏州工业园区，东接上海嘉定区.该区段属滨海冲击性平原，地势低平，湖澡洼塘密布，多为村庄、苗圃、河流、池塘.管段内村道交错，区内地层均为第四系地层覆盖，系江河、湖泊、海相沉积形成，为黏土、粉质黏土夹粉细砂层，广泛分布淤泥质土，软土强度低，地表以下3m左右即为淤泥质粘土和砂性土，地下水位较高.

本段全部采用高架桥通过，施工里程为DK1269＋238～DK1273＋551.桥梁基础全部采用摩擦桩，桩径根据不同跨径及地质条件有1.0，1.25，1.5m3种，桩长30～78m.采用双柱墩及矩形实体墩，墩身高度7.5～15.5m，桥跨布置主要为24m和32m预应力混凝土双线简支箱梁.

在施工过程中对全桥每个墩位均进行了沉降观测.为便于分析，选取有代表性地质条件275～279号墩位进行分析，各墩墩身高度为12m，承台长、宽、高分别为10.5，6.8和2m，承台埋深20cm，桩径1.0m.以275号墩为例，其承台下各土层地质概况见表1（其他各墩地质情况比较类似）.

表1 各墩承台下地质分层表

2 沉降观测方法及结果

每个承台设置2个观测标，观测标1设置于承台左侧小里程角上，观测标2设置于承台右侧大里程角上.每个墩身设置观测标2个，位于墩身两侧墩底高出地面1.0m左右位置.

沉降观测按照国家二等水准要求施测，按照固定的观测路线和观测方法进行.观测路线形成复合线路，使用固定的工作基点对应沉降变形观测点进行观测.测量仪器为一台天宝DINI型电子水准仪（0.3mm级），一台徕卡DNA03型水准仪（0.3mm级）.观测成果的重测和取舍按《国家一、二等水准测量规范》（GB／T 12897－2006）有关要求执行.

每个墩台从承台浇注完毕后便进行该墩台首次观测，墩身浇筑、拆模后第一时间进行承台、墩身转标测量.墩台的沉降值为左右两个沉降观测标沉降值的平均值.箱梁架设前及架设后6各月内每周观测一次，箱梁架设前后各观测一次.各墩沉降观测曲线见图1～5.

图1 275＃墩沉降曲线

图2 276＃墩沉降曲线

图3 277＃墩沉降曲线

图4 278＃墩沉降曲线

3 沉降计算

等代墩基法沉降计算方法与浅基础的沉降计算方法相同［10－12］.等代墩基法的确定未考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响［13］.对于深厚软土中的群桩，桩的主要受力为桩周摩阻力，桩端阻力在群桩全部反力中占的份额较少，因此需要针对深厚软土中的群桩沉降计算方法进行修正.

由于各墩在墩身施工完毕后至架梁有超过6个月的静止时间，可以近似认为架梁前桩基沉降量为承台及墩身自重荷载下的总沉降量.架梁后的荷载按增加箱梁自重和通过的运梁车及托运的预制梁的自重计算.

图5 279＃墩沉降曲线

3.1 计算总剪力

由于墩身承受竖向荷载时，承台下周围地基中存在总剪力

为了验证突出物间距对纱线牵引力的影响，进行了如图6所示的实验。在纱线上等间距固定3个直径为2mm的球状颗粒，如图7所示。

当外荷载F小于总剪力T时，群桩桩长范围外的周围土体和桩间土是一个整体，外荷载N并未破坏这个整体，群桩桩长范围外的周围土体同样具备抵抗外荷载的能力，使桩基础的沉降受到约束.因此，这种地基的沉降计算方法就是把桩的插入视如对桩长范围内的土体的加固，与桩间土体形成复合地基.基础的最终沉降为桩与桩间土的压缩量Sp和桩下土的压缩量Ss之和，即复合地基模式.

当外荷载F大于总剪力T时，沿基础周围深度方向的总抗剪力T抵抗不住荷载F的作用，基础周边土体会产生较大的剪切变形，此刻群桩桩长范围外的周围土体和群桩长度范围内的桩间土体的整体受到破坏，群桩桩长范围外的周围土体仍有残余抵抗力在抵抗桩基础的下沉，这个抵抗力的合力即为总抗剪力T.在这种情况下桩基础可以看作时实体深基础，这种计算模式称为等代实体深基础模式.

3.2 SP的计算

对于本工程，经计算，各墩的外荷载F远小于总剪力T，因此采用复合地基模式计算基础最终沉降量

式中：l为桩长；n为桩长；Ep，Ap为桩的弹性模量和截面积.

3.3 SS的计算

桩尖平面以下土层的压缩量Ss仍按分层总和法计算

式中：σzi为第i层土中的平均竖向附加应力.

3.4 竖向附加应力计算

受压土层厚度从桩尖平面算起，附加应力从承台底面算起，承台底面附加应力为

计算时，压缩层厚度取桩尖平面下竖向附加应力等于0.1倍的自重应力处，压缩模量采用地基土在自重应力加附加应力时对应的模量.各墩基础沉降的计算过程不再累述，计算结果见表2.

表2 各墩基础沉降量

4 观测结果与沉降计算分析

4.1 架梁前沉降分析

由现场时间－沉降观测曲线可知，各墩观测时间均超过12个月，其中275＃墩的观测时间最长为420d，各墩架梁后的观测时间为140d，观测次数均为20次.各墩在架梁前有7～9个月的静止期，基础沉降已经趋于稳定，本工程中各桥墩的桩数、布置方式、承台尺寸、墩身高度均一致，由于桩长和土体的差异，以及钻孔灌注桩施工工艺不稳定等原因，造成各墩沉降量观测值有较大不同.架梁前，278＃墩沉降量为1.3mm，277＃及279＃墩的沉降量均为2.1mm，275＃墩虽然桩长最长，由于地质条件较差，其沉降量却最大，达到3.8mm，为278＃墩的2.9倍.架梁前，各墩最大差异沉降为2.5mm.

采用修正的等代墩基法计算桥梁基础在承台及墩身自重作用下的沉降值，由于桩周土质性状差异不大，桩长相近，各墩的沉降计算值基本相等.但由于实际观测值差异较大，计算值为观测值的0.9～2.6倍，绝对偏差为0.4～2.1mm.这是由于原位观测时，施工、现场地质条件等影响桩基沉降的因素较多，个别因素的微小差异就会造成基础沉降量差异较大.通过理论计算值与现场实测值的比较，也验证了相同地质条件、相同施工工艺条件下钻孔灌注桩承载力的不确定性.

4.2 架梁后沉降分析

架梁时桥墩承受架桥机、预制箱梁及运梁车的重量，此时桥墩承受的荷载为最大竖向荷载.架梁后，后架方向的箱梁需通过已经架设好的箱梁，桥墩不但承受预制箱梁的自重还有承受运梁车及所托运箱梁的重量.由于架梁作用时间较短且有震动，不易观测基础沉降，图中观测数值为架梁作业完成后的沉降.经计算，架梁后的总荷载（21 930kN）为架梁前承台及墩身自重荷载（8 130kN）的2.7倍.从观测数据可知，架梁后各墩均出现突变沉降，总沉降量比架梁前增大42%～162%，沉降量的增量和荷载的增量并不成正比，沉降量介于3.2～5.6mm之间.架梁前沉降量观测值较小的278＃墩的沉降量较其他墩大，累计沉降量为3.6mm，大于沉降量最小的279＃墩.随着观测时间变长，各墩均出现反弹，总沉降量小幅减小，并逐渐趋于稳定，这由于架梁时荷载最大桩周土体的超空隙水压力最大，土体的瞬间压缩较大，随着荷载的减小空隙水压力释放，桥墩基础小幅上升.从各墩的时间沉降关系可以分析，架梁后3个月墩身沉降均已收敛，达到无砟轨道施工要求.

采用修正的等代实体墩基法计算所得的基础沉降量远大于实际观测量，各墩计算值与实测值的比值在1.6～2.8之间.由此可以看出，理论计算值和实际沉降情况仍有较大差异.确定墩身沉降量仍需要以现场观测为重要依据.架梁后各墩理论计算最大累计沉降量为9.7mm，实际观测最大累计沉降量为5.6mm，均小于《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》中规定的15mm，各墩桩长还有优化的空间.

4.3 影响桥梁沉降的因素

4.3.1 桩基施工对沉降的影响 按照《铁路桥梁施工技术指南》的要求，桩基直径不小于设计直径，现场施工时，实际桩径均大于设计桩径；桩基和桩周土体的接触面因土层的变化出现锯齿或犬牙状，和设计假想的圆滑面差异较大；桩基施工采用反循环钻孔灌筑法，由于采用高密度的钢筋混凝土取代低密度的土体，桩基混凝土浇筑过程及完成后对桩侧及桩下土体均有压缩，挤密桩周及桩下土体.以上各因素均导致实际沉降值小于计算值.

4.3.2 承台施工对沉降的影响 桥梁基础的沉降观测是从承台施工完毕后开始的，承台施工时自重荷载逐渐增大，基础发生小幅沉降，此时的沉降在沉降观测时是没有观测到的.此因素将导致观测值小于实际总沉降量.

4.3.3 计算方法对理论沉降量的影响.修正的等代墩基法计算时，将沉降量分为桩与桩间土的压缩量和桩下土压缩量两部分.在计算桩下土体的压缩量时，压缩模量采用地基土在自重应力加附件应力下对应的模量.为准确计算不同荷载下的桩下土体压缩量，必须取不同土层的原状土试验测到不同应力下的压缩模量绘制应力－压缩模量曲线，或者通过应力－空隙率曲线计算桩下压缩量.室内试验得到的不同应力下的压缩模量或孔隙率与现场实际往往有较大出入.表1中提供的各土层的压缩模量是在应力较小的情况下得到的，因此荷载较小时，计算值和实测值偏差较小，应力较大时，偏差值较大.压缩模量的偏差是造成计算值与实际观测值偏差较大的主要原因之一.

5 结 论

1）通过对京沪高铁深厚软土地区桥梁沉降观测和理论计算的研究和分析得出，架梁及运梁车通过期间，墩顶荷载及墩身最大值沉降发生在架梁作业时，架梁作业后，墩身沉降有小幅回弹.架梁后3个月内，桥梁基础沉降均已收敛，达到无砟轨道施工要求.

2）桩基的施工工艺、承台的观测时间等因素对桥梁基础的实际沉降量有较大影响；土体压缩模量试验的准确度对计算桩基沉降计算结果有较大影响.

3）由于影响桥梁群桩沉降的因素较多，修正的等代墩基法未能考虑全部因素的影响，计算所得的沉降值和实际观测值仍然有偏差，确定桥梁基础沉降量仍需要以现场观测为重要参考依据.计算深厚软土地区桥梁沉降的方法仍需要进一步研究.

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