黃瑞堂 李友元 王新浪 李平

（1.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200070；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

位于軟土地基中的高速鐵路橋梁大多采用群樁基礎(chǔ)。鄰近堆載作用下地基土?xí)l(fā)生壓縮和側(cè)向擠出變形，從而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)變形，影響既有高速鐵路軌道的平順性。已有學(xué)者從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、理論解析、數(shù)值計(jì)算等方面對(duì)堆載作用下群樁變形特性做了大量研究。梁育瑋等[1]根據(jù)實(shí)際工程建立堆載-土-結(jié)構(gòu)相互作用有限元模型，分析鄰近堆載作用下樁與土的沉降、變形及樁身彎矩、軸力變化規(guī)律。倪恒等[2]依托鄰近高速鐵路段一河道開挖工程，研究棄土堆載堆土尺寸、堆土距離對(duì)高速鐵路橋梁基礎(chǔ)變形的影響。鄧會(huì)元等[3]通過開展沿海地區(qū)堆載作用下樁基承載特性的原位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不平衡堆載條件下樁基產(chǎn)生了較大的水平位移，土體最大水平位移出現(xiàn)在距離地面4～5 m的位置，而樁身最大水平位移出現(xiàn)在樁頂。潘振華[4]以一城際鐵路連續(xù)梁橋樁基糾偏實(shí)例為背景，研究了糾偏過程中樁周土體變形規(guī)律，并提出了控制周圍建筑變形的工程措施。趙春風(fēng)等[5]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了砂土場(chǎng)地水平荷載和彎矩作用下單樁的豎向承載特性，發(fā)現(xiàn)水平荷載的增大會(huì)導(dǎo)致單樁沉降的增大和豎向承載力的降低。竺明星等[6-7]將Boussinesq改進(jìn)解與局部塑性變形理論結(jié)合，推導(dǎo)了鄰近堆載作用下群樁樁身被動(dòng)荷載和剩余水平附加應(yīng)力分布計(jì)算公式，并基于壓力法采用Laplace正逆變化建立被動(dòng)樁樁身響應(yīng)的傳遞矩陣解。馮昌明等[8]基于半無限彈性體中的Boussinesq解給出矩形荷載作用下土體自由場(chǎng)的應(yīng)力及位移，運(yùn)用有限差分法，通過Mindlin解將自由場(chǎng)與主動(dòng)樁的分析方法結(jié)合，給出被動(dòng)樁求解方法。張浩等[9]基于Boussinesq彈性理論，結(jié)合土體繞樁極限模型推導(dǎo)了樁身被動(dòng)荷載計(jì)算公式，并考慮地基土體塑性屈服和樁頂豎向荷載的影響，基于三參數(shù)Winkler彈性地基梁模型，推導(dǎo)了堆載作用下樁基被動(dòng)受力特性的半解析解。王軍等[10]以一高速鐵路特大橋樁側(cè)堆載為工程背景，建立樁-土相互作用有限元模型，研究不同堆載等級(jí)和堆載距離下樁側(cè)摩阻力和樁身軸力的分布規(guī)律以及樁基變形規(guī)律。楊生等[11]采用有限差分法分析單排、雙排隔離樁用來控制軟土地基中側(cè)向堆載引起鐵路路基發(fā)生側(cè)向位移的特性。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)機(jī)會(huì)難得，工況單一，而室內(nèi)模型試驗(yàn)可研究不同因素作用下群樁變形特性，易于探究規(guī)律。采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)鄰近堆載作用下群樁變形特性的研究相對(duì)較少，本文結(jié)合工程實(shí)際中的高速鐵路橋梁基礎(chǔ)，根據(jù)相似比理論進(jìn)行正常工作狀態(tài)下群樁在鄰近堆載作用下變形特性的室內(nèi)模型試驗(yàn)。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料參數(shù)

試驗(yàn)砂土取自一高速鐵路沿線，將砂土晾曬后過篩，篩網(wǎng)孔徑0.6 mm。通過擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行相對(duì)密實(shí)度標(biāo)定，將試驗(yàn)砂土以每層130 mm厚填入模型槽中，分層進(jìn)行擊實(shí)至預(yù)定的密實(shí)度，并對(duì)土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)。試驗(yàn)砂土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)砂土物理力學(xué)參數(shù)

篩析法測(cè)得該砂土土樣的不均勻系數(shù)Cu=2.16，曲率系數(shù)Cc=0.90，級(jí)配不良。靜置3 d后對(duì)填筑的土樣進(jìn)行了小型靜力觸探試驗(yàn)（圖1）。可知，0～1 m深度內(nèi)，側(cè)壁摩阻力近似呈線性增加，說明砂土填筑效果良好。

圖1 砂土填筑靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果

采用有機(jī)玻璃薄壁管樁模擬剛性群樁，樁長(zhǎng)l為500 mm，入土深度490 mm，外徑d為20 mm，內(nèi)徑d1為14 mm，壁厚ξ為3 mm，其靜彈性模量約為2.7 GPa，模型樁長(zhǎng)徑比l/d為25。為消除應(yīng)變片導(dǎo)線的拖拽影響，將管樁沿中心線切開，在管內(nèi)壁對(duì)稱粘貼應(yīng)變片，并用705硅橡膠對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行密封。將貼完應(yīng)變片的管樁放置通風(fēng)處風(fēng)干，在管樁上部開直徑5 mm的小孔將連接好的導(dǎo)線引出，用401膠水對(duì)管樁進(jìn)行粘合并將管底封口。將管樁與承臺(tái)用膠水粘貼成3×3的群樁，樁間距為3d=60 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

土工試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹫橹睆?.2 m，高1.2 m的圓筒。采用西安康拓力儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高精度標(biāo)準(zhǔn)加載架（KTL‐LDF）作為豎向加載設(shè)備，其最大施加壓力為10 kN，上下位移量程為100 mm，可實(shí)現(xiàn)壓、拔和壓拔循環(huán)位移控制和應(yīng)力控制加載。采用2根長(zhǎng)度為1.35 m的I12工字鋼作為加載反力架，通過螺栓將加載架固定在工字鋼梁跨中，工字鋼兩端通過螺栓固定在模型槽邊界。

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有30 cm（長(zhǎng)）×8 cm（寬）的混凝土塊作為側(cè)向堆載重物，單塊質(zhì)量約為7 250 g。采用分級(jí)堆載，每級(jí)荷載相同，共有6級(jí)，每級(jí)荷載維持5 min。其側(cè)向堆載形式通過定制的堆載板進(jìn)行控制，以堆載邊界距前排樁邊界作為堆載距離控制值S，堆載距離利用鋼尺進(jìn)行量測(cè)。

模型試驗(yàn)布置見圖2。其中，B為堆載寬度。測(cè)量樁身兩側(cè)拉壓應(yīng)變，通過換算可得樁身附加彎矩、軸力、樁端阻力；沿深度方向在土中布設(shè)土壓力計(jì)，可測(cè)量土體水平附加應(yīng)力。每根模型樁上布置5個(gè)斷面，兩側(cè)對(duì)稱布置應(yīng)變片，采用半橋連接方式。土壓力計(jì)量程為200 kPa，內(nèi)部采用全橋連接方式。用膠水將土壓力計(jì)粘貼在靠近堆載一側(cè)的模型樁上，其受壓面須保證豎直。使用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH3818N‐2靜態(tài)應(yīng)變采集儀測(cè)量并讀取應(yīng)變。

圖2 模型試驗(yàn)布置（單位：mm）

1.3 試驗(yàn)方案

研究對(duì)象為正常工作狀態(tài)下的群樁基礎(chǔ)，前期須通過試樁確定豎向抗壓極限承載力。采用慢速維持荷載法，加載采用分級(jí)方式，每級(jí)施加0.4 kN。本次試驗(yàn)采用的豎向加載設(shè)備可實(shí)時(shí)顯示加載力及加載位移，每隔1 min導(dǎo)出樁頂位移。當(dāng)樁基沉降速率小于0.002 mm/min時(shí)認(rèn)為群樁沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，可施加下一級(jí)荷載。當(dāng)樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍時(shí)停止加載。

圖3 群樁荷載-沉降曲線

群樁荷載（Q）-沉降（s）曲線見圖3。其中，Δs為本級(jí)累計(jì)沉降量與上一級(jí)累計(jì)沉降量的差值，ΔQ為單級(jí)荷載，即0.4 kN?？芍?，Q-s曲線趨勢(shì)平緩，須結(jié)合Q-Δs/ΔQ曲線共同確定極限承載力Qu。取Q-Δs/ΔQ曲線陡降處對(duì)應(yīng)的荷載作為極限承載力，其值為5.6 kN，此時(shí)s/d=14%。工程設(shè)計(jì)中常取Qu/2作為樁基承載力設(shè)計(jì)值。本次試驗(yàn)主要研究鄰近堆載作用對(duì)既有高速鐵路橋梁群樁基礎(chǔ)變形的影響，樁基上部承受豎向荷載，因此模型試樣制備填筑完成后分級(jí)施加荷載至2.8 kN，待沉降達(dá)到穩(wěn)定時(shí)記錄樁身應(yīng)變作為初始狀態(tài)。

為研究堆載等級(jí)、堆載距離、堆載方式對(duì)樁基變形特性的影響，設(shè)計(jì)了5組試驗(yàn)工況（表1），并記錄堆載量、堆載工況、堆載時(shí)間。

表2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 堆載等級(jí)

選擇工況1研究不同堆載等級(jí)對(duì)樁基產(chǎn)生的影響。不同堆載等級(jí)下3號(hào)樁的附加彎矩、附加軸力、水平附加應(yīng)力變化曲線見圖4。規(guī)定樁身附加彎矩以靠近堆載一側(cè)樁基受壓為正，附加軸力以堆載作用引起軸力增加為正。

由圖4（a）可知：①3號(hào)樁樁身最大附加負(fù)彎矩發(fā)生在中部（1/2樁長(zhǎng)處），最大附加正彎矩發(fā)生在上部（1/10樁長(zhǎng)處）。原因是3號(hào)樁距離堆載最近，上部土體所受附加應(yīng)力最大，樁基上部在受到被動(dòng)土壓力的作用下產(chǎn)生最大附加正彎矩。受樁頂豎向荷載及承臺(tái)的作用，樁基中部產(chǎn)生附加負(fù)彎矩。②樁基附加彎矩隨著堆載等級(jí)的提高近似呈線性增長(zhǎng)，說明此時(shí)樁基處于彈性工作狀態(tài)，未發(fā)生塑性變形。

由圖4（b）可知：①隨堆載等級(jí)的提高，樁身附加軸力呈增大趨勢(shì)，曲線分布形式基本類似。②樁身5 cm處，即1/10樁長(zhǎng)處附加軸力基本為0，說明樁基上部在堆載作用下軸力基本不發(fā)生變化；③沿樁身向下附加軸力先增大，在樁基25 cm處（1/2樁長(zhǎng)）達(dá)到最大值，然后隨著深度增加，附加軸力變化逐漸減小。

圖4 不同堆載等級(jí)下3號(hào)樁附加彎矩、附加軸力、水平附加應(yīng)力變化曲線

由圖4（c）可知：①水平附加應(yīng)力與堆載荷載線性相關(guān)，其隨堆載等級(jí)增加而增大。②隨著深度的增加，水平附加應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。③最大水平附加應(yīng)力發(fā)生在5 cm深度處，25 cm深度以下變化較小，可認(rèn)為堆載產(chǎn)生的水平附加應(yīng)力主要作用在1/2樁長(zhǎng)范圍內(nèi)。

2.2 不同位置處樁基變化特性

工況1條件下前、中、后排樁的附加彎矩與附加軸力變化曲線見圖5。

圖5 工況1下前、中、后排樁的附加彎矩與附加軸力變化曲線

由圖5可知：

1）在堆載作用下不同位置處的樁基附加彎矩、附加軸力變化差別顯著。中間樁（1，2，3號(hào)樁）的附加彎矩變化量大于對(duì)應(yīng)邊樁（4，5，6號(hào)樁）。

2）前排樁（3，6號(hào)樁）附加彎矩最大，中排樁（2，5號(hào)樁）產(chǎn)生的附加彎矩小于前排樁且減小趨勢(shì)明顯，后排樁（1，4號(hào)樁）變化量較小。主要原因是地基土產(chǎn)生側(cè)向水平變形，前排樁受到擠壓后產(chǎn)生撓曲變形，由于“遮攔”效應(yīng)的影響，中排樁樁周土變形量減小；由于樁間距為3d，中排樁距離堆載較遠(yuǎn)，所受水平附加應(yīng)力小于前排樁。

3）堆載作用下各位置的樁基軸力均增加，變化量為前排樁>中排樁>后排樁，邊樁大于中間樁，與彎矩變化趨勢(shì)相反。前排樁樁身5 cm處軸力基本無變化，而中、后排樁呈增大趨勢(shì)，其軸力變化最大值點(diǎn)位置隨著距堆載板距離的增加而下移。

2.3 堆載距離

以前排樁為對(duì)象，選取堆載板尺寸相同而堆載距離不同的工況1—工況3，對(duì)樁身附加彎矩變化進(jìn)行對(duì)比分析，見圖6。可知：①當(dāng)堆載距離為20，16和12 cm時(shí)，3號(hào)樁樁身最大附加正彎矩分別為7.2，8.0和10.2 N·mm，樁身最大附加負(fù)彎矩分別為-2.3，-3.3和-5.3 N·mm。②堆載距離從20 cm減小至16 cm時(shí)最大正彎矩增大了11.1%，堆載距離從16 cm減小至12 cm時(shí)最大正彎矩增大了27.5%。說明堆載距離越小，樁身附加彎矩增長(zhǎng)幅度越大。6號(hào)樁附加彎矩變化趨勢(shì)與3號(hào)樁相似，但變化量小于3號(hào)樁。

圖6 不同堆載距離下前排樁附加彎矩變化曲線

2.4 堆載形式

堆載距離為12 cm時(shí)，6級(jí)加載完成后不同堆載形式下前排樁附加彎矩變化曲線見圖7。

圖7 不同堆載形式下前排樁附加彎矩變化曲線

由圖7可知：①不同堆載形式下，樁身附加彎矩變化趨勢(shì)相似；②同等級(jí)別荷載作用下，堆載寬度不變，隨著堆載長(zhǎng)度增加，樁身附加彎矩減小；③堆載長(zhǎng)度不變，隨著堆載寬度增加，樁基上半部分附加彎矩減小，而下半部分附加彎矩增大。

3 結(jié)論

1）鄰近堆載作用下群樁基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，樁身發(fā)生撓曲變形，則軸力增加，承載性能發(fā)生改變。樁身附加彎矩、附加軸力均隨堆載等級(jí)的提高而增大。

2）前排樁附加彎矩變化量最大，中排樁次之，后排樁最小，邊樁變化量大于中間樁；前排樁樁身最大附加正彎矩發(fā)生在1/10樁長(zhǎng)處，最大附加負(fù)彎矩發(fā)生在1/2樁長(zhǎng)處；前排樁樁身1/10樁長(zhǎng)處軸力基本不發(fā)生變化，1/2樁長(zhǎng)處軸力變化最大，而中、后排樁軸力樁長(zhǎng)范圍內(nèi)均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其軸力變化最大值點(diǎn)位置隨著距堆載板距離的增加而下移；堆載產(chǎn)生的水平附加應(yīng)力主要作用于淺層土體。

3）樁身附加彎矩隨堆載距離的減小而增大，堆載距離越小，樁身附加彎矩增長(zhǎng)幅度越大。同等級(jí)別荷載作用下，增大堆載長(zhǎng)度與寬度可減小樁身附加彎矩。

本文室內(nèi)模型試驗(yàn)地基土為砂土，對(duì)于黏性土等其他土類有必要研究土質(zhì)條件對(duì)群樁變形的影響。