铁路线跨箱涵桩基承载特性分析研究

杨智峰，董冲

（中国铁路郑州局集团有限公司郑州桥工段，河南郑州450052）

近年来建（构）筑物的基础稳定性越来越被技术工作者重视，常用的桩基加固基础样式：预制桩、钻孔灌注桩、预应力管桩、人工挖孔桩等。本文就人工挖孔桩的应用做分析，吕科研，张建涛等[1]就高大建筑采用超大4 m直径人工挖孔桩，研究采用多导坑法施工可以控制承载变形量，同时进行数值模拟验证承载特性。赵文等[2]就人工挖孔单桩进行承载特性分析，研究了正常使用状态下的单桩承载可靠性。基础的稳定性能够保障建（构）筑物的安全，铁路运输的快速发展，同样离不开线路基础结构的稳定性，线路结构会穿越不同的涵洞、桥梁等，同样人工挖孔桩作为基础构造会广泛应用。

人们对铁路线路结构的安全性也越来越重视，新建、既有铁路设计时速120 km/h及以上，应全封闭，并与其他交通立体交叉设计，铁路上跨箱涵应符合相应道路对净空的要求，同时线路设计的沉降应符合线路等级要求[3]。铁路线路遍布全国各个地区，刘春福[4]就客运专线穿越黄土地区简支梁桥的群桩进行轴力、沉降分析，在湿陷性黄土地区3排桩的承载特性优于双排桩，运用有限元软件对桩基础进行验证。本文就黄河中下游地区，铁路线跨涵洞，人工挖孔桩加固涵洞两侧路基进行分析，验证结构的安全性，同时利用ABAQUS数值模拟该单桩的承载特性。

1 工程概况

新建某铁路专用线在站内衔接既有线，增加到发线4道、6道，有效长度1 050 m，需跨越涵洞接长4座，其中穿越最大框架涵孔径为4 m，线路位于黄河中下游冲积平原，地势平坦开阔。既有接长箱涵地段，人工挖孔桩采用桩径1.2 m，桩长12 m，共6根，采用预制钢筋混凝土沉管护壁，挖孔桩距既有线枕木头距离为4 m，新建4道穿越对称中间桩的上方，如图1所示。涵洞基地设计，采用旋喷桩加固，桩径0.6 m，间距1.2 m梅花型布置，桩长为7 m，涵洞采用预制顶进接长施工。

图1 挖孔桩平面示意图

2 关键技术分析

2.1 人工挖孔桩施工

场地平整后，设置施工硬隔离，对桩放线定位，锁口进行施工。每次开挖桩孔土方的高度控制在1.0 m以内，分层支模浇筑混凝土护壁，人工挖土从上往下，先挖中间后周边，允许尺寸误差控制在30 mm以内，保证桩孔垂直度，使桩在承受上部荷载不至于出现应力集中现象。人工挖孔桩立面示意图见图2。

图2 人工挖孔桩分层开挖示意

2.2 桩土接触受力分析

图3 桩体受力破坏形式

2.3 施工安全控制

铁路线路保障运输的畅通，离不开安全施工。本文就铁路线路附属构筑物的结构安全进行分析，通过对人工挖孔桩的承载特性研究，在上部荷载作用下，控制桩体的沉降量。正线时速超过120 km/h，对线路的高低水平有严格的要求，沉降超过11 mm就需要进行线路整修，正线年通过总质量超过50 Mt的Ⅰ级铁路，在跨越箱涵、桥梁等附属构筑物时，对于沉降量也有较为严格的要求[8]。新建、改建既有线路，存在下穿箱涵，会采用立交顶进箱涵施工，线跨箱涵见图4所示。线路在重载列车的重复荷载下，对箱涵的整体结构强度提出较高要求，箱涵地基桩基础的处理也尤为关键。

图4 线跨箱涵图

3 计算模型

人工挖孔桩的计算模型，见图5所示。

图5 人工挖孔桩计算模型

桩基的计算公式

由图5可见，该单桩极限承载力计算公式为：

4 有限元分析

4.1 建立模型

选取d=1.2 m，L=12.0 m的人工挖孔桩，建立有限元模型。土体采用摩尔库伦模型，桩土采用有剪切作用的面接触，实体采用三维八节点的缩减积分单元，考虑桩在荷载作用下的边界效应，适当扩大选取的边界。建模所需的桩土材料参数数值化，桩体重度γ为25.0 kN/m3，弹性模型E为3.0×104 MPa，泊松比ν为0.2；土体重度γ为19.5 kN/m3，弹性模型E为25.0 MPa，粘聚力c为25 kPa，摩擦角φ为25°，泊松比ν为0.3。建立桩土的网格单元状模型，采取上部稀疏，下部密集的形式，这里便于分析桩体加载受力时，对桩周土体的影响规律，模型如图6所示。

图6 桩土网格化模型

4.2 数值分析

4.2.1 极限荷载分析

通过数据分析得到Q-s的变化关系，如图7所示。根据桩体承载经验分析，选取位移s=0.05d=60 mm时，荷载Q值作为该桩的极限承载力值，这里为2 100 kN。通过计算公式(2)，若取Qs2为静止桩体的载重，可得Pu为1 039 kN，由此可见，桩端承受一半的上部荷载。

图7 挖孔桩的Q-s曲线关系

桩体的极限承载力理论，这里认为是桩体变形不超过结构物对沉降值的限制要求。桩体在上部荷载作用下的受力规律，状态由摩擦接触受力到极限平衡再到破坏状态，一般维持在欠平衡状态，对于结构物的受力状态是安全的。本次模拟做了单桩静载荷分析，对于单桩在实际工程的应用中，具有重要的借鉴意义。

4.2.2 桩身轴力分析

通过对桩体的应力加载，桩身轴力表现出规律性变化，见图8所示。桩身上部随着荷载增加达到屈服，桩身下部荷载相比上部略小，在桩身-11 m时，出现拐点，桩端出现较大轴力值，这符合桩体承载规律。桩体荷载较小时，表现为摩擦型桩的特性，当桩体承载超过极限平衡力时，表现为端承桩的特性。

图8 桩身轴力曲线

4.2.3 桩周土体影响范围分析

人工挖孔桩随着桩身荷载增大，上部桩周土体影响仅限于桩土接触范围内，下部桩周土体呈现扩散状，见图9所示。桩周土体的塑性变化，突出表现在桩端，形成“梨”状，见图10所示。铁路线跨箱涵，6根桩长12 m的人工挖孔桩，箱涵基地采用梅花型布置的旋喷桩，都可以有效加固铁路附属构筑物的安全。同时，由图9、10可见，桩周土体受力的影响范围集中在桩端，在施工过程中，人为的可以将桩底扩成“喇叭状”，形成扩底桩，增大桩端截面，以增强上部荷载，减少线路地段的不均匀沉降。

图9 桩周土体位移矢量图

图10 桩周土体塑性区

4.3 变化桩端截面承载力分析

通过模拟分析，扩底影响范围水平向为4d，纵向为2.0 m。这里改变桩端尺寸，扩底为2d=2.4 m，扩底高为2.0 m，进行建模分析，得到Q-s的曲线关系见图11所示。由此可见，通过改变桩端截面形式能够极大地提高桩体的承载力，建（构）筑物在沉降控制方面，桩基础优先选择变截面的形式。

图11 扩底桩与等截面桩的Q-s曲线分析

5 结语

本文通过对铁路线跨箱涵桩基础承载力的分析，得到：

①大直径人工挖孔桩能够满足线路结构的需要，采用分层开挖以控制桩孔的垂直度，使桩体在承受上部荷载时，不至于使桩身产生应力集中现象。桩土接触采用钢筋混凝土沉管护壁，能够有效保障施工安全，保护桩体受力承载结构的完整性。

②通过对单桩12 m人工挖孔桩的数值模拟，得到桩体承压对桩周土体的影响，呈现出随着荷载增大桩端土体影响范围逐渐变成“梨”状型。本文研究了桩基的逐级静力荷载承载特性，但对于铁路线列车行驶的动态重复荷载，会出现桩土的疲劳荷载情况，仍有研究的价值。

③分析得到桩端土体承受近一半的桩体荷载，采用扩底桩的形式能够有效增大桩体承载力。在实际工程中，若土质不良，且设计桩体承载力较大时，采用变截面桩端形式较为有利。

④铁路线跨箱涵地段是铁路线路沉降监测的重点，通过分析箱涵结构下桩基的承载特性，验证桩基能够增强线路基础，保障铁路的结构安全，能够极大地改善线路的平稳性。