朱曉偉

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

截止到2019年年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)總里程達(dá)到3.5萬(wàn)km，居世界第一［1］。在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中，對(duì)于樁基礎(chǔ)的研究，以樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)、有限元模擬分析和試樁工程等研究方式為主要研究手段［2－4］。高速鐵路樁基礎(chǔ)在高鐵列車運(yùn)行所造成的動(dòng)荷載和循環(huán)荷載作用下，由于水平位移及樁側(cè)土體變化會(huì)導(dǎo)致水平承載能力發(fā)生變化。

在樁基礎(chǔ)水平承載力機(jī)理的研究方面，王小龍［5］等得出了鋼管樁在水平荷載作用下其最大彎矩點(diǎn)在樁身中部靠上位置，且隨著荷載的增加最大彎矩點(diǎn)向下移動(dòng)的結(jié)論。張蕾［6］等分析了在水平荷載作用下擴(kuò)底樁的受力特性。國(guó)內(nèi)外在樁基礎(chǔ)水平承載力方面的研究能否應(yīng)用在高速鐵路的樁基礎(chǔ)工程中尚有待驗(yàn)證［7］。

本文通過(guò)單樁水平承載力試驗(yàn)，分析了大直徑PHC管樁和鉆孔灌注樁地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（m值）隨樁長(zhǎng)的變化特性，給出了m值取值的推薦值，并借助基錨樁法的單樁水平承載力試驗(yàn)，采用單向多循環(huán)加卸載法的加載方式，得出樁頂位移加載曲線。為了更進(jìn)一步分析樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的受力機(jī)理，通過(guò)有限元軟件對(duì)鉆孔灌注樁進(jìn)行模擬分析，研究樁身彎矩、剪力和樁側(cè)土抗力分布曲線隨樁長(zhǎng)變化特性。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）工程概況

本次主要對(duì)其中兩根PHC管樁（S1＃、S2＃）和兩根鉆孔灌注樁（S3＃、S4＃）試樁采用單樁水平靜荷載試驗(yàn)法利用錨樁群進(jìn)行試驗(yàn)，其最大水平位移不超過(guò)40 mm，參數(shù)見(jiàn)表1。巖性特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 試樁、錨樁設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 土層巖性參數(shù)

（2）試驗(yàn)過(guò)程

單樁水平承載力試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定試樁的特征荷載與極限承載力特征值，可用于檢測(cè)工程樁的水平承載力，推定地基土系數(shù)的比例系數(shù)?？紤]到高速鐵路樁基礎(chǔ)橫向荷載多為動(dòng)荷載和循環(huán)荷載的特性，特選用了單向多循環(huán)加載法。單向多循環(huán)加載法主要是模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力形式，但由于結(jié)構(gòu)物承受的實(shí)際荷載較為復(fù)雜，對(duì)于長(zhǎng)期承受水平力的樁基礎(chǔ)常采用與單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)相同的慢速維持荷載法。為縮短試驗(yàn)時(shí)間，本次試樁采用較為快速的維持荷載法。

單向多循環(huán)加卸載法的加載分級(jí)荷載應(yīng)小于預(yù)估水平極限承載力或最大試驗(yàn)荷載的1/10。每級(jí)荷載施加后，恒載4 min后可測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，停2 min測(cè)讀殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)。如此循環(huán)5次，完成一級(jí)荷載的位移觀測(cè)，當(dāng)水平位移超過(guò)40 mm時(shí)終止加載。

（3）基樁完整性檢測(cè)

采用多種檢測(cè)方法相結(jié)合的方式，分別對(duì)兩根PHC管樁（S1＃、S2＃）在試驗(yàn)前、后采用低應(yīng)變反射波法和高應(yīng)變法檢測(cè)基樁完整性［8－9］；對(duì)兩根大直徑鉆孔灌注樁（S3＃、S4＃）在試驗(yàn)前、后采用低應(yīng)變反射波法和聲波透射法檢測(cè)基樁完整性。其檢測(cè)結(jié)果為基樁完整性類別均為Ⅰ級(jí)，這樣就可以保證文中所使用的數(shù)據(jù)是在基樁完整的前提下所獲取的。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 m值特性分析

樁頂自由的單樁水平試驗(yàn)得到的承載力和彎矩僅代表試樁條件下的情況，要得到符合實(shí)際工程樁嵌固條件下的受力特性，需要將試樁結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化［10］?？紤]到水平荷載－位移關(guān)系曲線的非線性且m值隨荷載及位移增加而減小，通過(guò)給出水平力－地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（H－m）的關(guān)系曲線和水平力作用點(diǎn)位移－地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（Y0－m）關(guān)系曲線，并按照設(shè)計(jì)給出的實(shí)際荷載或樁頂位移即可確定m值。樁基礎(chǔ)的（H－m）關(guān)系曲線如圖1～圖2所示，（Y0－m）關(guān)系曲線如圖3～圖4所示。

圖1 管樁H-m曲線

圖2 鉆孔灌注樁H-m曲線

圖3 管樁Y0-m曲線

圖4 鉆孔灌注樁Y0-m曲線

由圖1、圖2可知，相同級(jí)別的水平荷載作用下，鉆孔灌注樁m值會(huì)大很多，是管樁的3倍以上；且兩種樁基礎(chǔ)的m值變化趨勢(shì)均為隨著水平荷載的增加而降低，荷載增加到一定程度后，m值下降的幅度會(huì)越來(lái)越小，逐漸趨于定值。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要有兩個(gè)原因［11］：第一，m值本身是變量，隨荷載的變化而變化，其具體變化趨勢(shì)與水平力H和水平位移Y0相對(duì)比例有關(guān)，鉆孔灌注樁與PHC管樁在抗彎剛度上的差異導(dǎo)致兩種類型樁在同樣水平力作用下產(chǎn)生的水平位移不同；第二，試樁試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加卸載法，樁側(cè)土密度會(huì)隨試驗(yàn)的進(jìn)行而更加密實(shí)，隨著土體彈塑性變形，m值逐漸變小并趨于穩(wěn)定。

試驗(yàn)綜合考慮各種因素后得出m值，其中管樁m＝6 483 kPa/m2，灌注樁m＝12 850 kPa/m2，鉆孔灌注樁m值是同直徑管樁的2倍左右。根據(jù)工程項(xiàng)目具體情況和對(duì)水平位移的要求，可參考本試驗(yàn)m值選用方法，合理選擇樁基類型。

3.2 特征值分析

水平承載力特征值參考《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）取設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處水平位移6 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值，取3根試樁試驗(yàn)結(jié)果的平均值為工程采用的水平承載力特征值。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總

4 有限元模擬分析

4.1 模型建立

為了更加深入地研究高速鐵路樁基礎(chǔ)在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)彎矩、剪力、沿樁長(zhǎng)范圍內(nèi)水平位移變化和樁側(cè)土抗力等方面的分布特性［12］，本文通過(guò)有限元分析軟件來(lái)模擬S3＃鉆孔灌注樁基礎(chǔ)在水平荷載下的受力狀態(tài)?？紤]樁體為圓形截面柔性樁，樁長(zhǎng)L＝48 m，直徑d＝1 m，樁頂受單向多循環(huán)分級(jí)水平荷載200 kN、300 kN、400 kN、500 kN、600 kN 和 700 kN。樁土摩擦因數(shù)取值為：tan（0.75φ）＝tan15°＝0.27。樁體混凝土采用線彈性模型模擬，土體為黏性土，模型總高度為80 m，選擇Mohr-coulomb模型模擬。土體及樁相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 有限元分析模型參數(shù)取值

邊界條件為模型底部三向位移及轉(zhuǎn)角均固定，外側(cè)只約束徑向位移，樁只約束徑向位移。網(wǎng)格劃分時(shí)，樁體和土體均采用C3D8R單元模擬，通過(guò)Visualization（可視化）模塊可觀察水平荷載施加后土體水平位移等值云圖。

通過(guò)有限元軟件模擬，得出S3＃試樁在各級(jí)水平力作用下的水平位移值，與實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，擬合效果良好。

4.2 剪力和彎矩分析

對(duì)剪力和彎矩進(jìn)行分析有助于了解樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下內(nèi)部應(yīng)力分布情況，尤其是最大應(yīng)力分布位置。各級(jí)荷載下的剪力和彎矩分別如圖5～圖6所示。

圖5 各級(jí)荷載下沿樁長(zhǎng)范圍剪力

圖6 各級(jí)荷載下沿樁長(zhǎng)范圍彎矩

通過(guò)沿樁長(zhǎng)范圍的彎矩和剪力曲線特性可知，剪力最小值點(diǎn)分布在樁頂向下6 m范圍內(nèi)，即l/8或6 d范圍內(nèi)；較大彎矩值的大部分?jǐn)?shù)據(jù)在12 m范圍內(nèi)，即l/4或12 d范圍內(nèi)。彎矩分布特性表現(xiàn)出最大值隨荷載增大而上移的趨勢(shì)。因此對(duì)于彎矩部分的驗(yàn)算，應(yīng)當(dāng)對(duì)中上部分?jǐn)?shù)據(jù)多重視些。

對(duì)高速鐵路樁基礎(chǔ)在水平荷載下位移零點(diǎn)分布規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，沿樁長(zhǎng)范圍單樁水平位移如圖7所示。通過(guò)對(duì)各級(jí)水平荷載沿樁長(zhǎng)范圍位移分布曲線圖分析可知：因擬合樁樁長(zhǎng)比較長(zhǎng)，故水平位移主要分布在剪力數(shù)值較大的l/8或6 d范圍內(nèi)，在樁最底部位置發(fā)生了翹曲；位移零點(diǎn)在樁中部范圍內(nèi)。因此在研究樁身位移時(shí)，對(duì)于樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的樁必須分析樁身下部位移。下部位移主要由三部分組成，即樁彈塑性變形、土體彈塑性變形和土體變形。

圖7 各級(jí)水平荷載下沿樁長(zhǎng)范圍位移

4.3 樁側(cè)土抗力

對(duì)土橫向抗力分析時(shí)，在文克爾假定前提下，結(jié)合樁在各單元處水平位移，即可得出土體橫向抗力具體數(shù)值。在各級(jí)荷載下土體橫向抗力分布如圖8所示。

圖8 各級(jí)水平荷載下沿樁長(zhǎng)范圍土體橫向抗力分布

樁側(cè)土抗力的分布與沿樁身樁體水平位移的分布相似，其最值主要分布在兩端，樁身中部有一定范圍與樁頂和樁底部方向相反的土抗力，這些數(shù)據(jù)的分布與小樁長(zhǎng)樁側(cè)土抗力的分布不同，這也是高速鐵路樁基礎(chǔ)同其他工程樁基礎(chǔ)差異之處。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)采用單向多循環(huán)法的水平承載力試驗(yàn)，從m值取值、回彈位移分布、樁長(zhǎng)范圍內(nèi)彎矩分布、水平位移分布等角度，對(duì)高速鐵路大直徑PHC管樁和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比分析，給出了基于經(jīng)濟(jì)性、安全性和施工合理性的工程樁基礎(chǔ)形式選擇建議。

（2）通過(guò)使用有限元分析軟件，構(gòu)建了高速鐵路大直徑鉆孔灌注樁在水平力作用下的受力模型，并通過(guò)對(duì)樁身位移、剪力、彎矩和樁側(cè)土抗力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合高速鐵路樁基礎(chǔ)受荷特征，得出沿樁長(zhǎng)范圍內(nèi)水平位移和樁側(cè)土抗力在高速鐵路項(xiàng)目中的分布特性，給后續(xù)施工提供了有效的工程經(jīng)驗(yàn)。

（3）高速鐵路樁基工程，考慮到樁身材料和性能特點(diǎn)，對(duì)水平荷載作用下承載機(jī)理進(jìn)行分析可知，土體變形是關(guān)鍵因素之一，應(yīng)在位移較大或易發(fā)生土體破壞的區(qū)域（自樁頂1/8樁長(zhǎng)和自樁底1/4樁長(zhǎng)范圍內(nèi)）對(duì)土體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以保證工程的安全性及耐久性。