铁路路基桩筏基础承载力与沉降特性研究

陈 斌

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

为确保铁路安全稳定运行，路基沉降控制设计重点已由桩基转变为桩筏结构。桩筏结构因具有适应性强、抗冲击能力强等优点，已被广泛应用到各个类型的基础建设项目中。桩筏基础的受力沉降分析是目前桩筏基础设计中的难点和热点问题。然而，计算桩-土复合地基筏板的受力值缺乏合理的公式，且计算结果与实际结果往往存在较大偏差，不能为路基承载力分析提供准确参考。

针对此问题，陈洪运等[1]提出构建铁路路基桩筏基础沉降计算模型，将铁路路基桩筏基础简化为多跨连续简支弹性地基梁模型，求解桩土荷载分担，基于已有研究成果与弹性叠加原理，获得群桩中的桩、土刚度，进而分析出铁路路基桩筏基础承载力与沉降特性。郑仁川等[2]在计算桩筏基础沉降时考虑到时间因素的影响，基于已有的明德林-盖德斯解，引入Koppejan蠕变模型，分析不同时刻桩筏基础的沉降特性。

本文基于以上研究成果，结合工程实际，推导铁路路基中桩筏结构的承载力和沉降特性，并将求解结果与现场实测资料和其他计算方法得到的结果进行对比，结果表明，此次研究的计算结果准确性高，可满足实际应用的需求。

1 试验对象及试验目的

现场试验可以获得铁路工程研究的第一手资料，其结果说服力强。因此，本文以试验点为例研究桩筏基础的承载力和沉降特性。

本试验点位于大桥的两个主体桥柱之间，该区域地势较平坦、地形开阔，土体预压高3.5 m，属分层填筑型路基。为准确分析铁路路基桩筏基础的承载沉降特性，在铁路试验过程中，需要埋置相关仪器，对现场试验进行长期监测。铁路路基桩筏测试剖面图如图1所示。

2 试验方案

为保证分析的准确性，在试验区域埋设单点沉降仪，利用该仪器了解桩筏的压缩变形情况以及沉降变形的特征。将该仪器安装到桩底，其他仪器安装在桩顶。沉降变形仪器布置示意如图2所示。

为精确获取观测点的沉降值，采用单点沉降仪和液位沉降仪同时联合监测的方法。单点沉降仪如图3所示。

根据图3，单点沉降仪的安装程序如下：

(1) 在测点处钻孔，为保证钻孔垂直，在钻孔结束后用铅锤检查。

(2) 检测实际孔深，将沉降板、测杆、加长杆缓慢插入已钻好的孔中，重复工作过程，直至锚头触及孔底，并记录到达的长度。

(3) 在第一节测杆上安装接头和电测位移传感器，根据总测杆下端长度判断实际孔深，并记录深度。

(4) 注浆。在单点沉降仪安装完毕后，为避免塌孔，在孔底注浆1～2 h后，用砂子回填钻孔，并在注浆前清除钻孔附近的松散土，以防钻孔发生堵塞。灌砂过程应缓慢进行，至距沉降盘10 cm左右停止。

(5) 零位调整。在单点沉降仪完成第一次压实后进行零位调整，以保证初始读数的准确性。在此基础上，在桩顶与桩间的土体表面布置压力箱，以监测桩顶与桩间土体的压力值[3]。

压力箱的量程是2 MPa，实际安装过程如下：

(1) 根据现场试验方案确定测点的位置。

(2) 挖埋坑时，对设有导管的坑，按压力、大小，在定位处用铲挖，将导管放置在其中，并挖去碎石土。

(3) 将压力箱安装到其中。埋设前在埋设地区底部铺设并找平细砂，在找平后放置压力箱，保证压力箱水平。放置完成后，用细砂将压力箱全部覆盖，并用土压实埋坑。

(4) 保护导线及测量点，在全部压力箱安装完毕后，记录压力箱编号。确定观察箱的位置，把截面上的土压试验线依次穿入放置在导线槽内的钢丝软管中，并将测头全部引入观察箱。

(5) 埋设钢丝软管，先用细砂全部埋设，再用土料将钢丝槽均匀填平压实[4]。

3 试验仪器

3.1 液位沉降计

为长期监测不同位置桩顶和桩间土体的沉降，在采用单点沉降仪的前提下，采用连通式液位沉降仪(灵敏度为0.01 mm，测量范围为100 mm)监测基桩和监测点之间的位移情况。液位沉降仪示意如图4所示[5]。

3.2 远距离自动监测系统

为改进现场监测技术、减少后期分析的工作量，采用远程自动监测系统采集沉降仪与压力箱等的实时数据[6]。

4 建立桩筏结构分析模型

4.1 基本假定

在铁路上，桩筏的宽度较大，可达30 m左右，纵向伸长。因此，桩筏结构受外界影响较小，在计算中可忽略不计。以位于中心的桩筏结构为主要受力计算内容，筏板受力变形情况示意如图5所示。

为便于求解问题，对基于实际工程建立的模型做基本假设具体步骤如下。

(1) 选取Reissner-Mindlin厚板理论作为筏板单元模型。

(2) 选择Winkler(文克尔)地基模型作为计算模型。

(3) 设计作用在单元结构中的荷载为均匀分布的荷载。

4.2 荷载作用下的筏板求解

通过上述过程获得初始的测量数据，在此基础上建立分析模型，以进一步得出桩筏的基础承载力与沉降特性。在建立模型的过程中，分析桩筏的上部结构、桩土体系以及筏板结构，并采用子结构分析法分析筏板的上部结构，使其刚度集中于分界点，得到上部结构的控制方程[7]，其表达式见式(1)。

(1)

针对Reissner-Mindlin厚板理论中的基本方程，将位移函数引入，见式(2)。

(2)

式中，F、Ψ分别代表求解函数；q为外力作用参数；D代表筏板的弹性模量参数；υ为筏板的泊松比计算参数。

在此基础上，建立平板的控制方程，依据该方程推导单元刚度矩阵与平板刚度矩阵，见式(3)。

[KP]{W}={SB}+{W}-{SPS}

(3)

式中，[KP]代表筏板的刚度矩阵；W代表位移参数；{SB}表征建筑顶部的载荷参数；{SPS}表示支承的反力参数。

同时，利用剪切法推导桩-土体系间的相互作用，得出桩-土体系的刚度矩阵和桩-土体系的控制方程[8]，如式(4)所示。

(4)

分析桩筏基础与地基土的共同作用[9-11]，选择Winkler地基模型作为计算模型。

Winkler地基模型假定地基中的任意一点所受的压力强度P与该点的地基沉降成正比，见式(5)。

P=k·S

(5)

式中，比例常数k为基床系数，表示产生单位变形所需的压力强度；S为桩基最终沉降量。

按分层总和法计算S，如式(6)所示。

(6)

式中，j为节点对应矩阵的荷载分块数；m为基床载荷参数最大值。

为保证计算的准确性，需要保证桩筏的筏板只与地基直接接触。

根据接触点位移条件对方程耦合处理，表达式如式(7)所示。

([KB]+[KP]+[KPS]){W}=
{SB}+{W}-{RPX}

(7)

式中，[KPS]为桩-土体系刚度矩阵的表征；[KB]表示桩筏上部结构的刚度矩阵；[RPX]表示桩-土体系刚度矩阵的反作用力参数。

获得共同作用结果后，必须分析每一层土层的压缩模量，才能确定每一层加载后的压缩变形量，进而得出更准确的分析结果。一般情况下，土体的压缩模量随深度的增加而增大，但计算与实际情况有很大差别，因此需要在计算中引入沉降计算经验系数，以提高结果的可靠性，缩小修正系数的取值范围。修正公式如式(8)所示。

(8)

式中，β代表计算参数；z代表土层的深度；h0代表计算过程中的参考深度；Es,0.1-0.2代表压力在0.1～0.2 MPa下的压缩模量。

利用上述试验方案和试验仪器，监测铁路路基桩筏基础承载力及沉降特性。

5 沉降测试结果分析

5.1 桩筏基础承载力分析

分析在不同荷载下桩筏基础的承载性能，得到不同荷载下桩筏基础承载力分析，如图6所示。

由图6可知，桩筏的受力强度比逐渐增加，在桩间土受到充分压缩的情况下，桩端的承载力得到了充分发挥，同时桩端的坚硬持力层也开始起到支承的作用，荷载开始向桩体转移，从而使桩土应力比增加。

5.2 桩身应力分析

分析桩筏桩身的应力情况，桩身应力分布曲线如图7所示。

分析图7可以发现，当桩筏受不同大小的荷载作用时，桩体受力曲线基本呈直线，说明低荷载下的桩体受力分布比较均匀。在40、60、80、100 kPa的荷载下，应力曲线是逐渐弯曲的，而深度则呈线性增加的趋势。

5.3 桩土应力比分析

桩土应力比荷载水平变化曲线如图8所示。通过分析图8可发现，荷载逐渐增加后，桩体承担了桩筏的大部分荷载，应力比随荷载不断变化，并呈逐渐增加的趋势。

5.4 桩筏沉降特性分析

分析桩筏在不同时间的沉降特性，不同时间下桩筏沉降结果如图9所示。

从图9可知，在铁路建设过程中，桩筏沉降量与时间呈正比，即桩筏沉降随着附加应力的增大而逐渐增大，且在附加应力稳定后，桩筏基础的变形情况逐渐稳定。

6 方法验证

前文完成了承载力与沉降特性的研究，为进一步验证所研究方法的有效性，做进一步对比，对比内容如下。

首先对桩顶轴力进行对比，桩顶轴力对比结果如图10所示。

由图10可知，本次采用的研究方法获得的承载力测量结果与实际测量结果相差较小，相对误差可控制在100 kN以内，而陈洪运等[1]计算方法的测量结果与实际测量值相差较大，最多相差了300 kN，可见在计算桩顶轴力方面，本文提出的方法精度更高。

在此基础上，对比桩筏的沉降情况，桩筏沉降情况对比结果如图11所示：

由图11可知，实际桩筏地基桩顶沉降约为36 mm，通过本文方法计算得到的沉降量与实际沉降量相差约为4 mm，而陈洪运等[1]的方法计算的沉降量与实际沉降量相差约为10 mm。

综上可知，本文提出的研究方法可以较精确地计算出桩筏轴力和沉降特性，满足实际设计需求。

7 结语

本次研究采用现场试验与模拟计算相结合的方法分析承载力与沉降特性。试验对比结果表明此研究方法不仅能够分析出在不同荷载下桩筏的基础承载力情况，还能分析出施加荷载后桩筏的位移情况，具有可行性，可供相关领域的类似工程参考。

然而，由于各个工程的地质情况不同，在实际计算时还需要结合实际情况，更准确地分析桩筏的情况，提高铁路路基的基础承载力。