铁路桥梁桩基础抗震性能拟静力试验研究

李天宝，陈兴冲，丁明波

(兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)

铁路桥梁桩基础抗震性能拟静力试验研究

李天宝，陈兴冲，丁明波

(兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)

为了研究群桩基础在水平荷载作用下地基土及桩身进入非线性状态后桩身内力变化过程和应力分布规律，通过对群桩基础缩尺比例模型进行拟静力试验，分析研究桩基础的破坏机制、承载能力及桩身应力分布；采用M塑性铰模拟墩的弹塑性、PMM塑性铰模拟变轴力作用下桩身的弹塑性和日本规范中推荐的方法模拟土的非线性建立有限元模型，对群桩-承台-墩整体结构进行PUSHOVER分析。结果表明：(1)水平荷载作用下，各桩受力不均匀，外排桩的桩身应力大于内排桩的桩身应力；(2)高承台桩桩身最大应力点位于土面以下2～4倍桩径范围内。

铁路桥梁；群桩基础；非线性；模型试验；拟静力试验

桩基础是铁路桥梁工程中应用最多的基础形式之一，随着铁路标准的提高，桥梁占线路长度的比例越来越大，桩基使用数量也大幅增加，其应用范围亦逐步扩大[1]。在地震作用下，忽略桩身剪力，群桩基础中的单桩是拉弯或者压弯构件，且沿桩身每个截面的偏心距是变化的。因此弄清楚在水平荷载作用下，考虑桩-土相互作用时，桩身的应力分布规律、桩的破坏机理，对桩基础的设计至关重要。在这方面国内外已进行了理论及试验研究，北京市桩基研究小组[2]给出了钻孔灌注桩水平承载力的确定方法并对C法、m法、K法和张氏法计算的桩身弯矩与实测弯矩进行了比较。黄河河务局的现场试验[3]表明，离推力最远的前排桩受到的土抗力最大，分配到最大的水平力，提出了在用试桩资料确定群桩水平承载能力时，应考虑群桩水平效率系数。张振拴，杨树标[4]对预应力混凝土管桩进行振动台模型试验研究，得出了在不同地震波作用下管桩桩身产生的应力、应变、弯矩及位移沿桩身的分布规律，确定出桩身的最大弯矩产生的位置为距离桩顶5～6倍桩径处。陈祥，孙进忠，蔡新滨[5]结合实际工程详细地介绍了利用钢筋计测试水平荷载作用下桩身弯矩、挠度和转角分布的方法，得出了在水平荷载作用下，桩身最大弯矩截面位于在地面以下2～3 m处，且随荷载的增大最大弯矩截面逐渐向下转移；发生弯曲变形的部分主要在桩长1/3 以上的桩体。李俊，强士中等[6]提出在没有试桩资料的情况下，可以通过动力触探击数确定m值以降低取值的任意性。王国粹，杨敏[7]选用简单的理想弹塑性P-Y曲线模型对黏土中的水平受荷桩进行分析，证明了理想弹塑性P-Y曲线模型适用于不同土性的黏土场地中桩基的计算。目前，常采用土弹簧代替土对桩的作用，对于每一弹簧，一种方法是采用线性刚度假定，如我国规范的“m”法；另一种方法是考虑土的非线性，如P-Y法、日本规范[8]推荐的方法等[9]。我国《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定[10]：规范给出的m值仅适用于地面处水平位移不超过6 mm 的情况；当桩身位移较大时，桩身任一点的土抗力与桩身水平位移之间需按非线性考虑，P-Y曲线法能使计算机结果接近于实测值，但所需土工指标Cu和ε50(三轴应力试验中最大主应力差一半时的应变值)受各种条件的影响离散型比较大，因此用它确定的P-Y曲线有时会引起较大误差[11]。

本文在模型试验的基础上，采用日本规范中推荐的理想弹塑性模型模拟土的非线性，对高承台群桩基础进行PUSHOVER分析，得出了桩-承台-桥墩整体结构的骨架曲线，总结出水平荷载作用下桩身应力的分布规律，研究了高承台群桩基础的破坏特征，以期为桩基础的设计提供更加科学合理的依据。

1 试验概况

1.1 模型尺寸及材料

选择石太客运专线上的一座双线简支箱梁桥的1个墩为研究对象，墩截面为圆端形，基础为高桩承台钻孔桩基础，以墩底控制截面的横桥向抗弯惯性矩相等为原则，将圆端形桥墩截面等效为矩形。本次试验在3 m×3 m×2.6 m的土工模型槽内进行，由于受试验室的场地空间、加载设备条件等限制，采用1∶8缩尺模型，模型尺寸为：桥墩截面为0.62 m×0.325 m，高1.2 m，桩直径0.16 m，桩长2.4 m，桩身高出地面10 cm。模型的桥墩、承台、桩基均采用C40微粒混凝土，墩身主筋采用20根φ8 mm，沿四周配筋，配筋率为0.5%，箍筋采用φ6 mm，间距15 cm；承台采用φ6 mm钢筋，顶层与底层配筋率均为0.035%；桩基础主筋采用6根φ6 mm，配筋率为0.85%。

1.2 试验内容

在拟静力试验循环往复加载中，测定墩顶水平位移和桩身应变，观察试验过程中土工模型槽内土体和墩身的破坏情况，试验完毕挖出土，观察桩身的破坏情况。

1.3 试验方法

本次试验采用拟静力试验中的力加载制度，加载历程为±15 kN～±120 kN，步长为5 kN，每次反复加载3次，加载系统见图1。液压加载设备采用手动控制的拉压千斤顶，水平荷载由传感器测试；墩顶位移由量程200 mm的位移计测量；桩身应变由贴在桩身钢筋上的应变片测得，试验中对1号、2号、3号和4号桩进行测试，每个桩身布置了6个应变片，加载方向和桩身编号见图1。

图1 加载系统示意

2 试验现象

(1)加载至45 kN以前，桥墩和地基土未产生裂缝，说明土体之前一直处于弹性状态，加载到45 kN时，地面土体出现第一条微裂缝。之后随着荷载的增大地基土和墩身相继产生了一系列新的裂缝，已出现的裂缝也有不同程度的开展，裂缝最宽达到20 mm，最长延伸到土工模型槽边上，加载到65 kN时墩身出现微裂缝，土体裂缝见图2。

图2 土体裂缝

(2)加载到80 kN时，外排桩有拔起现象，此时桩身与桩周土体剥离。以后随着荷载的往复和增大，桩身与桩周土体分离的现象越来越明显。当分离裂缝接近10 mm时，为了便于观察桩身与土体分离的深度，沿桩身灌入墨汁。试验完毕挖开土体时，发现每个桩身周围都不同程度存在着桩周土与土体的分离，外排桩(1、2、7、8号桩)与土体的分离最明显，从墨汁痕迹可见分离深度最大接近1 m，即接近6倍桩径，见图3。

图3 桩与土体分离

图4 8号桩桩身裂缝

(3)试验完毕，挖开桩基周围的土体，发现8根桩中，外排的4根桩(1号、2号、7号、8号桩)出现了裂缝，其中7号和8号桩裂缝比较明显。7号桩在承台底11 cm、44 cm处出现裂缝，8号桩在承台底30～70 cm范围内出现数条环形裂缝，见图4。

3 试验结果

3.1 滞回曲线和骨架曲线

采用拟静力试验研究结构或构件的恢复力特性时，大多从结构的骨架曲线、滞回性能、变形能力等几个方面对结构的抗震性能进行评价。试验得到的骨架曲线和滞回曲线见图5。

从滞回曲线图中可见，桩-土-桥墩整体体系表现出了与单一构件非常相似的滞回特性。滞回曲线的发育过程大致相同：在混凝土开裂之前，加、卸载曲线构成的滞回环的面积很小，类似尖梭形；当变形增大时，混凝土表面开始陆续出现水平裂缝，试件的损伤情况随之逐渐加重，滞回环形状也由狭窄的线形过渡成较丰满的梭形，表现出了弯曲构件的典型滞回特征，随着外荷载的增加，滞回环形状开始由梭形向反“S”形过渡。

图5 试验所得滞回曲线和骨架曲线

由骨架曲线可知，当墩顶荷载较小时，整体结构处于弹性阶段；随着墩顶水平荷载的增加，地基土、桥墩及桩身逐渐进入塑性阶段，整个结构的刚度逐渐降低。桩身仅发生开裂，未形成明显的塑性铰。当加载到70 kN以前墩身未出现明显裂缝，因此70 kN以前骨架曲线的非线性主要体现了地基土的非线性特征。另外从图中可以看出，随着加载的进行，结构整体的刚度逐渐下降，而且加载的荷载值越大，刚度下降越明显。主要原因是随着加载的进行，地基土逐渐屈服，桩土产生了分离，致使整体结构受力模式不断在改变。

3.2 桩身应力分布

由群桩基础桩身纵向钢筋在不同墩顶水平荷载作用下的实测应变(不包含墩顶竖向力的影响)，计算出各桩的应力分布见图6。

图6 桩身应力分布

由图6可知，①在外力作用下，外排桩(即1号和2号桩)的桩身应力大于内排桩(即3号和4号桩)的桩身应力，说明在水平荷载作用下群桩中各桩的受力是不均匀的；②桩身应力沿桩身向下衰减，衰减趋势呈非线性，在桩身下部趋于零。这是由于水平荷载引起桩的变形沿桩身向下越来越小，土的反力越来越小；③桩身应力随着水平荷载的增大而增大，且应力的增量增大，这在桩的中上部体现比较明显，在桩的下部较弱；④最大应力出现在地面以下2～4倍桩径的范围内，且随着荷载的增大而向下移动；⑤在水平荷载作用下，外排桩即1号和2号桩桩头处的截面应力随着荷载的增大而增大，而内排桩即3号和4号桩桩头处截面应力变化不明显。在荷载较大时，正负向加载产生的桩身应力不对称，这是由于桩身出现裂缝后，受拉时，受拉区混凝土退出工作；受压时，带裂缝的混凝土能够承受一定的荷载。

4 试验结果与有限元模型分析结果对比

4.1 群桩-承台-墩推导分析模型

混凝土采用Mander模型，钢筋采用修正的Giuffre-Menegotto-Pinto模型。

墩采用分布M铰模拟，承台均采用弹性梁单元模拟，承台底和桩顶之间用刚性连接[12]。桩身采用分布 PMM 铰模拟[13]。桩侧土水平抗力-位移关系、桩周土竖向摩阻力-位移关系、桩尖土竖向抗力-位移关系采用日本规范推荐的方法模拟，依据土工试验结果，各层土最大周边承载力强度为52 kPa，桩尖土竖向承载能力取550 kPa。

4.2 墩顶水平力-位移骨架曲线

对群桩-承台-墩整体结构进行PUSHOVER分析，得到了整体结构的骨架曲线(图7)、桩身内力及其变化，并在此基础上计算出了桩身的应力。

图7 试验和计算所得骨架曲线

4.3 桩身内力变化与应力分布

由于进行Pushover分析时，采用的是杆系单元，无法直接得到桩身钢筋的应力。本文将得到的应力换算为钢筋应力并与试验所测得的应力进行了对比(图8)。

图8 桩身应力曲线

桩受水平承载力达到一定数值后，由于受拉区混凝土的塑性变形，使中性轴不过截面形心而略偏向受压区一侧；当桩身开裂受拉区混凝土退出工作后，中性轴更移向受压区一侧。另外在计算轴向拉力产生的应力时，在混凝土开裂后只有核心混凝土的一部分参加工作，截面外侧的混凝土退出工作。由于试验中仅测定了一侧钢筋的应变，无法确定中性轴的位置，只能近似按中性轴通过截面形心和全截面受拉进行计算，这将会使计算的钢筋拉应力比实际小，压应力比实际的大，桩身开裂前偏离值是较小的。

在模型试验的基础上，结合有限元分析，发现桩在轴力和弯矩的作用下，成为拉弯或者压弯构件而开裂进而破坏。其过程为随着水平荷载的增大，桩侧土体由弹性进入塑性，在水平荷载较大时，桩中上部的侧向土水平位移过大，导致桩土之间发生分离，会使桩侧与土体之间的摩阻力失效，桩身内力重新分布，使得桩身所受轴力和弯矩变大。

5 结论

(1)采用PMM铰模拟变轴力作用下的钢筋混凝土桩的弹塑性，分别用日本规范推荐的方法模拟地基土的非线性，数值分析结果与试验结果吻合较好。

(2)在水平荷载作用下，外排桩的桩身应力大于内排桩的桩身应力。

(3)模型桩试验结果和有限元分析结果表明，高承台桩桩身最大应力点位于土面以下2～4倍桩径范围内。

(4)在水平荷载作用下，铁路高承台群桩基础的破坏优先发生在边排桩，始于桩周土的屈服。

[1] 赵冠刚.群桩基础补桩方案探讨[J].铁道标准设计，2010(12)：65-66.

[2] 北京市桩基研究小组.钻孔灌注桩水平承载力的试验研究[J].建筑结构，1977(4)：1-12.

[3] 牟玉玮，王臼中.桩基在水平荷载作用下的破坏特征[J].人民黄河，1985(4)：39-47.

[4] 张振拴，杨树标，张涛，等.预应力管桩抗震性能试验研究[J].岩土力学，2012，33(1)：79-84．

[5] 陈祥，孙进忠，蔡新滨.基桩水平静载试验及内力和变形分析[J].岩土力学，2010，31(3)：753-759．

[6] 李俊，强士中，李小珍.地基系数的比例系数m的确定[J].铁道标准设计，2004(11):83-85.

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Study on the Static Test of Anti-earthquake Performance of Railway Bridge Pile Foundation

Li Tianbao， Cheng Xingchong， Ding Mingbo

(School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

In order to study the change process of internal forces and distribution rule of stress of pile considering nonlinear behaviors of pile shaft and subsoil under lateral loads， the pseudo-static test on scale model are carried out to study failure mechanism， bearing capacity and stress distribution of pile. A nonlinear static calculation model of pile group foundations is put forward to conduct Pushover analysis on pile-pile cap-pier structure， in which the elastoplasticity of pier shafts is simulated by M plastic hinge， pile shafts in variable axial loads issimulated by distributed PMM plastic hinge and nonlinearity of subsoil is simulated by the method given in Japan Railway Code. The results show that：(1) Under lateral loads， piles are not loaded uniformly，and the stress of outer row of pile is greater than the inside row of pile. (2)The maximum stress point of tall platform pileis located at the depth of about 2～4 radius．

nonlinearity; group pile foundation; model test; pseudo-static test; railway bridge

2014-01-03

国家自然科学基金(51068017)

李天宝(1989—)，男，硕士研究生。

1004-2954(2014)10-0062-04

U443.15

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.015