高速铁路大直径桩基础水平承载力机理研究

朱晓伟

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

截止到2019年年底，我国高速铁路营业总里程达到3.5万km，居世界第一［1］。在高速铁路建设过程中，对于桩基础的研究，以桩基础模型试验、有限元模拟分析和试桩工程等研究方式为主要研究手段［2－4］。高速铁路桩基础在高铁列车运行所造成的动荷载和循环荷载作用下，由于水平位移及桩侧土体变化会导致水平承载能力发生变化。

在桩基础水平承载力机理的研究方面，王小龙［5］等得出了钢管桩在水平荷载作用下其最大弯矩点在桩身中部靠上位置，且随着荷载的增加最大弯矩点向下移动的结论。张蕾［6］等分析了在水平荷载作用下扩底桩的受力特性。国内外在桩基础水平承载力方面的研究能否应用在高速铁路的桩基础工程中尚有待验证［7］。

本文通过单桩水平承载力试验，分析了大直径PHC管桩和钻孔灌注桩地基土水平抗力系数的比例系数（m值）随桩长的变化特性，给出了m值取值的推荐值，并借助基锚桩法的单桩水平承载力试验，采用单向多循环加卸载法的加载方式，得出桩顶位移加载曲线。为了更进一步分析桩基础在水平荷载作用下的受力机理，通过有限元软件对钻孔灌注桩进行模拟分析，研究桩身弯矩、剪力和桩侧土抗力分布曲线随桩长变化特性。

2 试验验证

（1）工程概况

本次主要对其中两根PHC管桩（S1＃、S2＃）和两根钻孔灌注桩（S3＃、S4＃）试桩采用单桩水平静荷载试验法利用锚桩群进行试验，其最大水平位移不超过40 mm，参数见表1。岩性特征参数见表2。

表1 试桩、锚桩设计参数

表2 土层岩性参数

（2）试验过程

单桩水平承载力试验目的是确定试桩的特征荷载与极限承载力特征值，可用于检测工程桩的水平承载力，推定地基土系数的比例系数。考虑到高速铁路桩基础横向荷载多为动荷载和循环荷载的特性，特选用了单向多循环加载法。单向多循环加载法主要是模拟结构的实际受力形式，但由于结构物承受的实际荷载较为复杂，对于长期承受水平力的桩基础常采用与单桩竖向抗压静载试验相同的慢速维持荷载法。为缩短试验时间，本次试桩采用较为快速的维持荷载法。

单向多循环加卸载法的加载分级荷载应小于预估水平极限承载力或最大试验荷载的1/10。每级荷载施加后，恒载4 min后可测读水平位移，然后卸载至零，停2 min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环。如此循环5次，完成一级荷载的位移观测，当水平位移超过40 mm时终止加载。

（3）基桩完整性检测

采用多种检测方法相结合的方式，分别对两根PHC管桩（S1＃、S2＃）在试验前、后采用低应变反射波法和高应变法检测基桩完整性［8－9］；对两根大直径钻孔灌注桩（S3＃、S4＃）在试验前、后采用低应变反射波法和声波透射法检测基桩完整性。其检测结果为基桩完整性类别均为Ⅰ级，这样就可以保证文中所使用的数据是在基桩完整的前提下所获取的。

3 试验结果分析

3.1 m值特性分析

桩顶自由的单桩水平试验得到的承载力和弯矩仅代表试桩条件下的情况，要得到符合实际工程桩嵌固条件下的受力特性，需要将试桩结果进行转化［10］。考虑到水平荷载－位移关系曲线的非线性且m值随荷载及位移增加而减小，通过给出水平力－地基土水平抗力系数的比例系数（H－m）的关系曲线和水平力作用点位移－地基土水平抗力系数的比例系数（Y0－m）关系曲线，并按照设计给出的实际荷载或桩顶位移即可确定m值。桩基础的（H－m）关系曲线如图1～图2所示，（Y0－m）关系曲线如图3～图4所示。

图1 管桩H-m曲线

图2 钻孔灌注桩H-m曲线

图3 管桩Y0-m曲线

图4 钻孔灌注桩Y0-m曲线

由图1、图2可知，相同级别的水平荷载作用下，钻孔灌注桩m值会大很多，是管桩的3倍以上；且两种桩基础的m值变化趋势均为随着水平荷载的增加而降低，荷载增加到一定程度后，m值下降的幅度会越来越小，逐渐趋于定值。

出现这种现象主要有两个原因［11］：第一，m值本身是变量，随荷载的变化而变化，其具体变化趋势与水平力H和水平位移Y0相对比例有关，钻孔灌注桩与PHC管桩在抗弯刚度上的差异导致两种类型桩在同样水平力作用下产生的水平位移不同；第二，试桩试验采用单向多循环加卸载法，桩侧土密度会随试验的进行而更加密实，随着土体弹塑性变形，m值逐渐变小并趋于稳定。

试验综合考虑各种因素后得出m值，其中管桩m＝6 483 kPa/m2，灌注桩m＝12 850 kPa/m2，钻孔灌注桩m值是同直径管桩的2倍左右。根据工程项目具体情况和对水平位移的要求，可参考本试验m值选用方法，合理选择桩基类型。

3.2 特征值分析

水平承载力特征值参考《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）取设计桩顶标高处水平位移6 mm时所对应荷载的0.75倍作为单桩水平承载力特征值，取3根试桩试验结果的平均值为工程采用的水平承载力特征值。检测结果见表3。

表3 单桩水平静载试验结果汇总

4 有限元模拟分析

4.1 模型建立

为了更加深入地研究高速铁路桩基础在桩长范围内弯矩、剪力、沿桩长范围内水平位移变化和桩侧土抗力等方面的分布特性［12］，本文通过有限元分析软件来模拟S3＃钻孔灌注桩基础在水平荷载下的受力状态。考虑桩体为圆形截面柔性桩，桩长L＝48 m，直径d＝1 m，桩顶受单向多循环分级水平荷载200 kN、300 kN、400 kN、500 kN、600 kN 和 700 kN。桩土摩擦因数取值为：tan（0.75φ）＝tan15°＝0.27。桩体混凝土采用线弹性模型模拟，土体为黏性土，模型总高度为80 m，选择Mohr-coulomb模型模拟。土体及桩相关参数见表4。

表4 有限元分析模型参数取值

边界条件为模型底部三向位移及转角均固定，外侧只约束径向位移，桩只约束径向位移。网格划分时，桩体和土体均采用C3D8R单元模拟，通过Visualization（可视化）模块可观察水平荷载施加后土体水平位移等值云图。

通过有限元软件模拟，得出S3＃试桩在各级水平力作用下的水平位移值，与实际工程数据进行对比，拟合效果良好。

4.2 剪力和弯矩分析

对剪力和弯矩进行分析有助于了解桩基础在水平荷载作用下内部应力分布情况，尤其是最大应力分布位置。各级荷载下的剪力和弯矩分别如图5～图6所示。

图5 各级荷载下沿桩长范围剪力

图6 各级荷载下沿桩长范围弯矩

通过沿桩长范围的弯矩和剪力曲线特性可知，剪力最小值点分布在桩顶向下6 m范围内，即l/8或6 d范围内；较大弯矩值的大部分数据在12 m范围内，即l/4或12 d范围内。弯矩分布特性表现出最大值随荷载增大而上移的趋势。因此对于弯矩部分的验算，应当对中上部分数据多重视些。

对高速铁路桩基础在水平荷载下位移零点分布规律进行验证，沿桩长范围单桩水平位移如图7所示。通过对各级水平荷载沿桩长范围位移分布曲线图分析可知：因拟合桩桩长比较长，故水平位移主要分布在剪力数值较大的l/8或6 d范围内，在桩最底部位置发生了翘曲；位移零点在桩中部范围内。因此在研究桩身位移时，对于桩长较长的桩必须分析桩身下部位移。下部位移主要由三部分组成，即桩弹塑性变形、土体弹塑性变形和土体变形。

图7 各级水平荷载下沿桩长范围位移

4.3 桩侧土抗力

对土横向抗力分析时，在文克尔假定前提下，结合桩在各单元处水平位移，即可得出土体横向抗力具体数值。在各级荷载下土体横向抗力分布如图8所示。

图8 各级水平荷载下沿桩长范围土体横向抗力分布

桩侧土抗力的分布与沿桩身桩体水平位移的分布相似，其最值主要分布在两端，桩身中部有一定范围与桩顶和桩底部方向相反的土抗力，这些数据的分布与小桩长桩侧土抗力的分布不同，这也是高速铁路桩基础同其他工程桩基础差异之处。

5 结束语

（1）通过采用单向多循环法的水平承载力试验，从m值取值、回弹位移分布、桩长范围内弯矩分布、水平位移分布等角度，对高速铁路大直径PHC管桩和钻孔灌注桩基础进行对比分析，给出了基于经济性、安全性和施工合理性的工程桩基础形式选择建议。

（2）通过使用有限元分析软件，构建了高速铁路大直径钻孔灌注桩在水平力作用下的受力模型，并通过对桩身位移、剪力、弯矩和桩侧土抗力等数据进行分析，结合高速铁路桩基础受荷特征，得出沿桩长范围内水平位移和桩侧土抗力在高速铁路项目中的分布特性，给后续施工提供了有效的工程经验。

（3）高速铁路桩基工程，考虑到桩身材料和性能特点，对水平荷载作用下承载机理进行分析可知，土体变形是关键因素之一，应在位移较大或易发生土体破坏的区域（自桩顶1/8桩长和自桩底1/4桩长范围内）对土体进行补强，以保证工程的安全性及耐久性。