铁路桥梁桩基础承台分担荷载效应研究

任亮（蒙冀铁路有限责任公司，内蒙古 呼和浩特　010000）

铁路桥梁桩基础承台分担荷载效应研究

任亮
（蒙冀铁路有限责任公司，内蒙古 呼和浩特010000）

针对铁路客运专线双线桥梁桩基承台，考虑在不同荷载工况下承台对上部荷载的分担作用，通过有限元模型模拟计算和实际工程布点实测对比分析，得到了承台底土体应力具有承台外区大、内区小的特点，承台底土应力场沿横桥向和顺桥向2个方向均由外向内递减，整个应力场成“盆”状。验证了设计中考虑承台分担效应的必要性，以达到节省成本，提高经济效益的目的。

铁路桥梁；桩基承台；分担作用；有限元模型

与建筑桩基相比，铁路桥梁桩基承台厚度往往比较大，桩径也要大于建筑桩基，桩数较少。桩基础具有承载力高，应力传递路径简单，抗震性能好，基础沉降比较小等优点。但桩基础也有以下缺点：①未能充分利用土对承台的抗力；②采用摩擦桩时桩长设计较长，桩端需要有良好的持力层。这也是造成铁路桥梁设计中桩径较大，桩长过长的原因之一，使得工程投资过高，对于铁路建设的快速发展来说尤为不利。因此，将桩基与天然地基有机组合在一起，充分发挥两者的优势，共同承担上部荷载，提高材料的利用率，是铁路桥梁桩基础发展的新方向，也是一个具有研究价值的课题。

1　有限元模型的建立与计算分析

1.1建立模型

本文以客运专线双线（32+48+32）m连续梁为例，上部结构为混凝土现浇连续梁，梁体采用单箱单室直腹板箱型截面，设计为纵、横、竖三向预应力体系。采用挂篮悬臂浇筑法施工，先合龙中跨，再合龙边跨。设计最大恒载为22 389.9 kN（支座反力），设计活载为中-活载，最大为8 766.5 kN。下部结构采用双线空心桥墩，墩高29 m，承台顶以上2.5 m为实体段，实体段以上为空心段。承台厚度为3 m，基础采用钻孔灌注桩基础，桩数为11，桩径1.4 m，采用梅花形布置。布置形式见图1，计算参数见表1。

建模时考虑土体为一个半空间无限体，模型中土体尺寸的选取应使周边边界上的反力或应力很小为宜。本文所取土体的平面尺寸为10倍桩径，15 m× 15 m，为了提高计算效率，承台底部土体划分较密，远端的土体划分较粗。承台单元按 0.25 m为单元边长划分，沿桩长方向为0.5 m划分，承台侧面的土为未夯实的回填土，不考虑竖向作用下承台侧面土体产生的摩擦力。结合工程实际，共划分10个测试工况，每个工况所加荷载由施工图纸计算得出，详细工况见表2。

图1　桩基布置形式（单位：cm）

表1　模型计算参数

1.2模型的计算结果分析

为了分析承台下土应力场的特性，分别对承台浇筑、桥墩浇筑、5#块浇筑、边跨合龙工况按照实际荷载加载，前2种工况5-5断面土体应力云图分别见图2和图3。

图2　承台浇筑后5-5断面土体应力云图

由图2和图3可以看到：当承台浇筑完成时土体沿着边桩形成比较明显的2个应力区，外区应力较大，内区应力较小。但是土体中的应力还是比较小的，当梁体合龙之后，整个桩群外区形成一个不均匀的压力带，并在承台角部区域有明显的应力集中区，压力带向承台在中心扩散并减小。当荷载等级较低时，土体位移比较均匀，2个方向的断面位移图大致呈梯形。当整个梁体合龙后，承台2个方向断面的位移均呈现出中间大两边小的趋势，大致成抛物线状。当荷载等级较高时，土体的最大位移在外层桩形成的桩群内侧，越靠近承台边缘位移越小，这给承台分担荷载的效应创造了有利条件。承台底土压力沿着一定角度向深处扩散，随着荷载等级的提高，影响范围增大。

图3　桥墩浇筑后5-5断面土体应力云图

对模型中承台下0.5 m处土应力场，提取图1中对应11个点的土压力值，见表3。

提取承台底0.5 m处桩单元竖向应力并取平均值，计算桩体所分担的荷载，从而可以得出桩体、土体分别承担荷载的比例。计算结果见表4和图4。

表3　模型对应测点土压力值kPa

表4　钻孔桩分担荷载计算值

图4　有限元模型桩土荷载分担比例

通过图4看到，随着荷载的增加，承台底土反力分担的比例也随之缓慢增加，到梁体合龙时趋于稳定并有减小趋势，说明土的分担效应是有限的。在加载初期，承台底土反力优先于桩侧土和桩底承载力发挥出来，随着荷载的增加，桩侧土的摩阻力和桩端承载力随之被调动，由此导致承台的分担效应逐渐趋于稳定，甚至在整个承载体系中减小。通过有限元模型计算，承台底土分担最大荷载比为10%。由此可见，理想条件下，铁路桥梁桩基设计中不考虑承台的竖向分担效应是比较保守的。

2　承台分担荷载效应实体工程现场试验

承台下土压力盒埋设布置：由于承台尺寸较大，而且荷载和基桩的布置都是对称布置，所以土压力盒的测区选择了1/4承台下的地基土来布置。为了方便测量后的数据处理，土压力盒布置对应有限元模型，按承台一角为坐标原点按直角坐标来布置，参见图1。

为了考虑边桩和中桩之间，墩身轮廓内和墩身轮廓外土压力的分布差异，分别在边桩之间，中桩之间，以及单桩边缘进行埋设。其中3#，4#，6#，7#土压力盒布置在承台边缘，2#，5#，8#，9#，11#布置在两桩之间；1#和10#土压力盒布置在距桩边缘30 cm处。

为了验证有限元计算结果，本桥测试工况与有限元加载工况相同，划分10个测试工况，测试时在每一工况结束前后连续测试3 d，每天测试3次。每天的时刻定为06：00，14：00，22：00。

3　现场试验与有限元模型对比结果分析

将有限元提取的结果与现场试验中各土压力值进行对比，结果见图5和图6。

图5　承台浇筑完毕1-1断面土压力值对比曲线

图6　连续梁合龙后1-1断面土压力值对比曲线

由图5和图6可以看到，有限元模型在承台浇筑完成的模拟过程中并不能反映现场材料强度变化，实际上承台和桩形成一个整体能够共同作用并不是一开始就有的，而是随着后续工况的加载缓慢发生的。在承担荷载初期，整个断面应力成M形，应力值比较均匀，相差不大，而有限元模型一开始的建立就认为桩和承台是一起工作的，因此造成了有限元模型和现场实测在前2个工况增长趋势不一致。随着后续工况的进行，实测值逐渐逼近数值模拟值，随着梁体合龙，2条曲线具有很好的相似度。

4　结论与建议

1）铁路桥梁群桩基础承台底土体应力具有桩群外区大、内区小的特点，承台底土应力场沿横桥向和顺桥向均由外向内递减，整个应力场成“盆”状。

2）铁路桥梁群桩基础承台分担荷载作用效应明显，可以分担上部荷载的5%～10%，并且在荷载等级低的时候分担作用小，随着荷载的等级的提高呈非线性增长。

3）承台并非完全刚性，而是在上部荷载和群桩反力作用下会有一些微小的变形，变形随着承台尺寸的增大而增大，并对承台底土的应力场产生明显影响。

基于以上结论，可以对铁路大直径群桩基础提出以下2点建议：

1）在群桩基础设计中，当荷载水平较高时，承台尺寸、桩距较大时，应该考虑承台的分担作用，即承台效应。

2）承台的设计中，在承台刚性角满足要求，不会发生冲切破坏的前提下，可以通过适当增加承台悬挑部分提高承台外区的分担效应，从而减小桩基的设计参数，达到经济的目的。在满足沉降的基础上，尽可能地减小桩径、增大桩间距，这样有利于结构，也能够充分利用材料。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］董建国，赵锡宏.桩基减少桩数与沉降问题的研究［J］.上海：土木工程学报，2000，33（3）：71-74.

［4］宰金眠.群桩与土和承台非线性共同作用的半数值半解析方法［J］.建筑结构学，1996，1（2）：63-72.

［5］杨克己，李启新，王福元.基础-桩-土共同作用的性状与承载力研究［J］.岩土工程学报，1988（1）：30-36.

［6］陈环，叶国良.关于桩土相互作用问题［J］.港口工程，1990 （5）：1-5.

［7］宋凤敏.东营滨海地区刚性桩桩土相互作用研究［D］.北京：中国石油大学，2011.

［8］张国亮.复合桩基桩土共同作用性状研究［D］.杭州：浙江大学，2005.

［9］姚同斌.群桩-承台下土共同工作的原位试验研究［D］.太原：太原理工大学，2004.

（责任审编赵其文）

Study on Sharing Load Effect of Railway Bridge Pile Foundation Platform

REN Liang
（Meng Ji Railway Co.，Ltd.，Hohhot Inner Mongolia 010000，China）

T he sharing load effect of railway bridge pile foundation platform in a passenger dedicated double-line railway under different load conditions was studied.T hrough the comparison of finite element simulation and field test，it reveals that the soil stress beneath the foundation platform has a basin-shape distribution，high stress in the outer and low stress in the core.Soil stress decreases from the outer to the inner region in transverse and longitudinal directions.It verified the necessity of sharing load effect of platform.With this consideration，engineering cost is saved and economic efficiency is improved.

Railway bridge；Pile foundation platform；Load effect；Finite element model

U443.15+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.11

1003-1995（2016）08-0046-04

2016-02-24；

2016-05-23

任亮（1985— ），男，工程师，硕士。