桥墩-承台-桩基体系动静刚度原型试验研究

2018-10-20刘建磊程永黎李林杰

铁道标准设计 2018年11期

刘建磊,程永黎,李林杰

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所,北京 100081； 2.朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁 062350)

1 概述

对于既有线提速或开行重载列车的线路而言，开展桥墩基础实际工作状态检测，并对其长期运营后的承载情况进行评估具有重要的社会和经济效益，一方面可为既有线路的安全运营提供技术保障，另一方面又可合理安排有限的维修加固费用[1-2]。目前，我国对既有铁路桥墩状态评估主要采用《铁路桥梁检定规范》(铁运函[2004]120号)[3]建议的方法和限值，且评价方向限于横向[4-7]，对于既有桥梁桥墩基础竖向状态的检测评估，尚无成熟有效的办法。

既有桥墩基础的竖向承载能力可以通过静刚度与容许沉降进行计算[8-10]，而服役桥梁却难以直接测试静刚度。在服役桩基础承载能力分析中，可以采用机械阻抗法通过测试动刚度并利用动静对比系数来推算静刚度[11-16]。如果将该方法的思路引入到桥墩-基础体系中进行竖向状态评估，则需要进一步分析两个问题：其一，是桥墩-基础整体动静对比系数的取值；其二，是桥墩-承台-桩基体系的整体动刚度与单根桩的动刚度间是什么关系。为了研究上述问题，利用某废弃桥墩进行原型试验，分别进行了动刚度和静刚度测试研究。

2 试验概况

利用北京某轨道交通线路废弃的桥墩开展模型试验研究(图1)。该桥墩为群桩-承台基础形式，承台下共4根摩擦桩基础，设计桩长23 m，直径1 200 mm。桥墩地面以上高度5.5 m，桥墩顶部为2.4 m×4.8 m平面。桩周地层分布黏粉土、卵石、粉沙、细中砂、粉质黏土，桩底为卵石层。单桩轴向受压容许承载力6 200 kN。

图1 试验桥墩

试验包括动刚度测试和静载试验两部分内容。动刚度测试采用瞬态机械阻抗法，动刚度定义为

(1)

式中，GV(f)为速度导纳，即速度谱v(f)与力谱F(f)之比；f为频率。

动刚度测试分3个阶段进行(图2)：①桥墩拆除前，对墩-承台-桩基体系进行动刚度测试；②桥墩拆除后，对承台-桩基体系进行动刚度测试；③拆除桥墩及承台后，对单桩进行动刚度测试。静载试验在拆除桥墩后的第②阶段进行。

图2 桥墩动刚度测试3个阶段示意(单位：cm)

3 瞬态激励下的动刚度测试

3.1 桥墩-承台-桩基体系整体动刚度

测试桥墩-承台-桩基体系的整体动刚度，激振点位于墩顶中心，拾振点分别位于墩顶和承台顶。测试时，采用2 kN激振力锤从1.5 m高度自由下落，所产生的激振力脉冲宽度为17.5 ms，脉冲峰值为2.13×105N(图3)。由于冲击力的作用时间很短，采用变时基采样方法，采样频率为2 000 Hz，变时基倍数为4倍，以确保不同测试参数的精度要求。为减小测试时的偶然误差和噪声影响，测试重复进行5～10次，对比各次测试结果发现，在没有较大外界干扰噪声影响的情况下，各次测试结果稳定，各次激振力信号、速度响应及加速度响应数据横向相比较，差别十分微小。同一次激励下，各传感器所采集的响应信号差别很小。图4为墩顶和承台顶各测点动刚度平均值，可以看出两条平均曲线均在10～20 Hz频段内动刚度最为稳定；且锤击墩顶时，承台顶动刚度大于墩顶动刚度。根据公式(1)可知，这与振动沿桥墩衰减有关。

图6 承台-桩基静载试验示意及试验现场

图3 激振力信号示意

图4 墩顶和承台顶测点动刚度平均值

3.2 承台-桩基体系和单桩动刚度

在完成体系整体动刚度测试后，切割掉桥墩墩柱后，对包含承台和桩基的体系进行了动刚度测试。然后进行静载试验，在静载试验之后，将桥墩基础承台破除，再在桩顶进行动刚度测试。现将3种结构体系：桥墩-承台-桩基体系、承台-桩基体系、单桩体系均对结构的动刚度进行对比。为便于比较，所采用数据均为激励点位于结构体系在平面几何中心的情况，且在基桩中心对应位置布置传感器的测试结果，以避免结构因偏心受力引起转动所带来的对动刚度测试结果的影响，对比分析结果如图5所示。

图5 三种体系动刚度测试结果对比

可以看出，在激振率20～80 Hz间，曲线均比较平缓；从数值来看，低频段，在相同频率承台-桩基体系所对应的动刚度最大，包含桥墩在内的整体体系对应的动刚度次之，单桩对应的动刚度值最小。频率越低，整体动刚度越接近于单桩动刚度的4倍，这与理论分析一致，表明低频段动刚度能反映基础的整体承载力。

4 承台-桩基静载试验

在切割掉桥墩基础墩柱之后，对桩及承台所组成的基础整体进行竖向抗压静载试验，实际最大加载26 000 kN，采用慢速维持荷载法，分13级进行加载。在承台周边打设锚杆的方法提供加载反力，采用“锚杆+反力钢梁”直拉反力装置。通过锚杆提供加载反力，大型反力钢梁传递试验荷载，通过高压油泵、千斤顶油压系统对试验桩施加竖向荷载。加载试验锚杆及横梁设置如图6所示，静载试验结果的Q-S和T-S曲线如图7所示。

图7 静载试验Q-S和T-S曲线

整个静载试验持续28 h，包括13级加载和1级卸载。可以看出，测试中最大沉降量为2.27 mm，卸载后残余0.19 mm，相对残余8.3%，残余变形较小。加载后，随竖向荷载的增大，承台-桩基体系沉降量逐渐增大，加载至最大级，竖向荷载26 000 kN时，Q-S曲线未出现明显的拐点和突变，按照加载计划在26 000 kN停止继续增加竖向荷载，进行了卸载。卸载后，体系在很短时间内迅速恢复，最终仅有0.19 mm的残余量。从加载Q-S及T-S曲线来判断加载过程中承台-桩-土体系处于弹性状态。

静载试验中得到的Q-S曲线随加载荷载的增加，竖向位移基本保持线性的增加，对该曲线进行直线拟合，通过计算可以得到结构的静刚度，如图8所示。拟合计算得到承台-桩基体系静刚度为1.11×1010N/m，与其动刚度对比见表1所示。通过承台-桩体系动静刚度的对比发现，激振频率在10～40 Hz之间，其动静对比系数在1.65～1.91，平均为1.78。