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摘要：铁路线路的平顺性是高速列车安全运行和旅客舒适度的前提。桥梁工程作为铁路线路的重要组成部分，随着设计速度的提高，对桥墩沉降提出了更高的要求。因此，桥梁基础的沉降成为铁路设计与施工的关键因素。
关键词：软土地区；桥梁桩基；超长桩；沉降控制；
通过铁路某特大桥桩基础单桩静载试验，对桩身应变、压缩量及桩顶沉降进行测试，利用试验结果对有限元模型进行修正，研究软土地区铁路桥梁桩基的荷载传递特性及沉降控制效果。结果证明:理论和试验曲线吻合较好，桩周土体的土性变化对桩身轴力传递和沉降的影响很大，在软土地区采用超长钻孔灌注桩能较好地控制桥粱基础沉降。
一、试验
铁路专线某大桥起止里程为DK027＋553.02—DK046 ＋839.10 ，总长19300.63ｍ。多数桩基均穿越深厚软土（流塑状态）地层，土层特点是天然含水量大、孔隙比大、压缩系数高、强度低，并具有蠕变性、触变性等工程地质特性。结合试验目的和现场工程进展情况，选择327＃和328＃墩为试验墩，两试验墩均为薄壁空心墩，上设32ｍ等跨简支箱梁，承台厚205ｍ，钻孔灌注桩基础，桩身采用Ｃ30混凝土，桩径1.0ｍ，按３行３列布置，持力层为强风化凝灰质砂岩，其基本容许承载力为300ｋＰａ。静载试验桩选取两试验墩的中心桩，依次编为Ｋ１＃和Ｋ２＃试验桩，其中内摩擦角和黏聚力均由室内快剪试验得到。现场试验的主要目的是：（1）结合单桩竖向静载试验，实测基桩荷载—沉降（Ｐ—ｓ）曲线，确定或预估单桩承载力、最大沉降量以及回弹量；（2）根据桩身应变（应力）、压缩量的现场测试，计算桩身轴力、端承力和各土层的桩周摩阻力，分析不同荷载条件下桩侧摩阻力和端阻力的分担规律；（3）根据测试结果推算桩身摩阻力的分布规律，探讨桩身竖向荷载的传递规律；（4）实测不同荷载水平下的桩身压缩量，为深厚软土地区单桩沉降分析与计算提供依据。试验桩桩身应变采用JMZX－215AT 型弦式混凝土应变计测试，每个监测截面对称布置２个，绑扎在钢筋笼主筋上，混凝土应变计按以下原则布置：①土层分界面处必须布置；②应变计间距上密下疏。结合现场实际情况，两试验桩各布置了18个应变监测面，共计布设７２个混凝土应变计。每个试验桩沿桩身纵向布置１个单点沉降计，用于量测试验桩桩身轴向压缩量。静载试验依据JGJ106—2003《建筑基桩检测技术规范》和JB50001—2002《建筑地基基础设计规范》附录Ｑ“单桩竖向静载荷试验要点”有关规定进行。基桩静载施加采用锚桩横梁反力装置，４个角桩作为锚桩，用２台型号、规格相同的320ｔ分离式油压千斤顶进行加载，并置后千斤顶的合力中心与桩轴线重合，加载时并联同步工作。采用RS－JYB桩基静荷载测试分析系统进行试验控制与分析，在桩基静荷载测试仪上设定荷载值和沉降控制稳定标准，由电感位移计测量桩顶沉降量，试验系统自动进行加载、恒载和读数。试验采用慢速维持荷载法，荷载稳定标准按JGJ106 —2003执行，试验最大荷载取为单桩最大设计荷载的1.2倍，即4500ｋＮ，分10级加载，级差为450ｋＮ，第１和第２级荷载合并为一级。
二、试验结果和分析
1.承载特性分析。（1）荷载—沉降特性。根据试验数据绘制的Ｋ１＃和Ｋ２＃试验桩的荷载—沉降（Ｐ—ｓ）曲线如图1所示。
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式中：Ｓ为桩身截面周长；ｌｉ为第ｉ段桩长。对试验数据进行整理，可得到Ｋ１＃和Ｋ２＃试验桩平均侧摩阻力分布，对于深厚软土层（淤泥质黏土），当荷载水平较低时，桩身侧摩阻力表现为上部大、下部小；随着桩顶荷载的增加，桩与土之间的位移进一步加大，桩身应力不断往下发展，桩身中、下部的侧摩阻力逐渐发挥出来，表现为当桩顶荷载继续增加到一定程度时，部分土层内桩侧摩阻力达到最大值，之后随荷载增加而减小，侧摩阻力向下发展。可见，在３６００ｋＮ荷载下，Ｋ１＃试验桩２７．５ｍ以上、Ｋ２＃试验桩１８．５ｍ以上软土层的侧摩阻力达到最大值，之后侧摩阻力降低，土层进入屈服状态，而下部软土层分段仍处于摩阻力继续增加（或接近极限值）的受力阶段。粉质黏土层内侧摩阻力随桩顶荷载增加而明显增长，且侧摩阻力达到整个桩身侧摩阻力最大值。对于全风化和强风化的凝灰质砂岩层，侧摩阻力实测值远小于极限侧摩阻力，处于侧摩阻力增长阶段。
２.压缩量和沉降量分析。基桩在竖向荷载作用下，其沉降量由三部分组成：①桩身压缩量；②侧摩阻力向下传递引起桩端沉降；③桩端荷载引起的桩端沉降。本次试验埋设的混凝土应变计可直接测试竖向荷载下桩身的应变，进而计算得到桩身压缩变形；埋设的单点沉降计直接测试桩身压缩变形；桩顶沉降量则由电感位移计量测。Ｋ１＃和Ｋ２＃试验桩在加载过程中，通过埋设在桩身内的单点沉降计与混凝土应变计得到的桩身压缩量十分接近，最大差值分别仅为0.23和0.29ｍｍ，对应的相对误差分别为7.7％和5.3％，两曲线没有出现明显的分离趋势，不同元件测试结果基本一致，二者相互验证，说明试验结果可信；卸载过程中，Ｋ１＃试验桩单点沉降计与应变计所得回弹曲线基本一致，Ｋ２＃试验桩单点沉降计与应变计所得回弹曲线不一致，考虑到单点沉降计埋设于超长桩中可能出现底部锚固不牢的现象，取应变计实测数据用于计算桩身压缩量。加载过程中，桩身压缩量占桩顶沉降量的大部分，两试验桩分别达到85.4％～97.6％和87.1％～98.2％，其中Ｋ１＃试验桩在900ｋＮ荷载下由于沉降量小，测试误差大，比例达到106.7％，应予以剔除。可见，对于超长桩，沉降计算时除计算桩端荷载和桩侧摩阻力向下传递引起的桩端沉降外，还要充分考虑桩身压缩变形引起的沉降。也给出了一些超长桩在极限荷载下的桩身压缩量占桩顶沉降量的比例数据，一般为66.0％～91.7％，普遍达到80％以上。
3.沉降控制效果。施工过程中，从墩身浇筑完成后分别对327＃和328＃试验墩进行了长期沉降监测，监测期间经历了架梁、运梁车通过等工况，经过４５３ｄ的沉降观测，２试验墩墩身最大实测沉降量分别为2.89和3.16ｍｍ；从无砟轨道铺设到轨道精调，历时300ｄ，两试验墩实测沉降分别为0.11和0.25ｍｍ，远小于无砟轨道墩台工后沉降量20ｍｍ的规范要求。说明在深厚软土地区采用超长钻孔灌注桩控制沉降效果显著。
总之，桩周土体的土性变化对桩身轴力传递和沉降的影响很大。在竖向荷载作用下，超长桩的荷载传递性状为先侧阻再端阻，承载力主要由侧摩阻来承担。
参考文献
［1］张萍，浅谈软土地区铁路桥梁桩基试验及数值分析2017．
［2］蔡照钧，软土地基桥梁桩基础单桩竖向动静载试验研究．2018.
论文作者:王国鑫
论文发表刊物:《基层建设》2019年第33期
论文发表时间:2020/5/7