王 硕

（北华航天工业学院，河北 廊坊 065000）

1 概述

高速铁路线路沉降一直是困扰新建线路投入运营以后的重大问题，对于高速铁路线路来讲，虽然桥梁工程相比于路基工程从控制线路沉降的层面讲有着无可比拟的优越性，但是对于任何土木工程结构物来讲，在使用期间结构物在自重及荷载的作用下会出现沉降问题，特别是对于黄土地区的铁路线路而言，桥梁桩基础在铺轨时刻起的工后沉降也同样会影响到高速铁路线路的平顺性及运营安全，所以对于高速铁路线路整体建设的优劣，桩基础工后沉降控制效果有着直接而显著的影响。

由于现存关于桩基础沉降理论的计算还不十分完备，另外由于计算参数很难进行准确的选取，所以导致桩基础在实际受载环境下的沉降值与理论计算值吻合度不够好，尤其对于湿陷性黄土地区的桥梁桩基础来讲，目前为止在基础工程理论上并没有一套完整实用的计算方法，现行的铁路桥梁设计规范也只是根据桥梁桩基础出现的工后沉降给出一定的控制规定。而桥梁桩基础的沉降实际上是墩台、基础及桩周地基土相互作用所产生的结果，也是土木工程领域中桩土相互作用的研究重点，其理论研究在一定程度上是落后于实际应用的。

文章以徐兰高速铁路宝兰段渭河区沿线的某桥梁施工现场桩基础浸水试验作为研究的基础，对湿陷黄土地区高速铁路桥梁桩基础浸水所产生的附加沉降进行研究，在此基础上分析产生桥梁桩基础沉降的各种因素，得到相应的桥梁桩基工后沉降计算方法，进而提出有效的控制桥梁工后沉降的建议及措施。

2 桩基础附加沉降的试验分析

对位于宝兰段渭河区桥梁桩基础进行浸水试验，并考虑材料蠕变的影响。其试验过程为：①将桥梁桩基础加载至设计载荷；②保持桩身承受设计载荷值不变的情况下，对桩基础周身的黄土进行持续注水，待桩周土体饱和度超过85%以上且通过仪器观测到试验坑内地面标注点连续5d的下沉量不大于1mm/d时停止注水；③保持设计载荷值不变使桩基础周身的土体再次固结沉降直至稳定；④再次浸水，对试验桩基础进行分级加载直至发生破坏。试验过程中随着分级加载值的变化观测：浸水前沉降量；浸水后桩端沉降、桩自身的压缩以及桩身蠕变量值见表1。

表1 桥梁桩基现场试验数据

从表1数据分析可得：

1）实际测得的单根桩基础浸后附加沉降值是浸前桩基础沉降值的3-4倍。说明桥梁桩基础的工后沉降大于基础的工前沉降。

2）桩基础的浸水试验与桩周土体性质具有紧密的关系，对比密实砂土地区的高速铁路桥梁桩基础沉降相关数据，可知湿陷性黄土地区高速铁路桩基础的桩端沉降及浸水后的附加沉降均高于地处密实砂土地区的桩基础沉降量。

3）在三根试验桩基础上，浸水后所产生的桩身压缩及蠕变变形占浸后总沉降的50%～56%，说明桩基础自身所产生的压缩及由于材料性质产生的蠕变是浸水后附加沉降变形的主要形式，是不能忽略的主要影响因素。

3 桩基础工后沉降的组成

依据上述试验分析所得出的分析结果，并且考虑在铁路桥梁施工中，当梁上进行铁路线路铺轨的一刻起，桥梁桩基础底面的下卧层逐渐被压缩，进而由于固结作用使土体产生沉降现象，由于此时轨道结构部分产生的恒载已几乎全部作用到了地基上，且高速列车相比较普通客货列车来说，车体轻量化其轴重较小，行驶速度快，对于桥梁结构来说，由高速动车组所产生的动活载对土体所引起的固结作用较弱，相应的沉降量较小。对宝兰段高速铁路桥梁桩基础进行的动力载荷试验研究也充分证实了这一点，即不会发生桩基础沉降的积累变形。故而，高速铁路桥梁桩基础的工后沉降可以按照铺轨时刻起在恒载作用下对基底产生的土体固结沉降量来进行计算，并考虑桩身压缩以及蠕变影响，即：

Sg=Sd+Sy+Sr

式中：Sg——工后的沉降量；

Sd——桩端沉降量；

Sy——桩身压缩量；

Sr——桩身蠕变量。

4 桩基础工后沉降相关各因素的计算

4.1 桩基础端部沉降

桩基础端部沉降计算时仅考虑了浸水后桩侧的阻力及端阻增加量所引起的附加应力增大，故而产生的沉降值，在桩端沉降计算中采用Mindlin-Geddes附加应力法，在竖向集中力F作用于半无限体内部距离地面深度处，依据Mindlin-Geddes方法可以得到半无限体内任一点的竖向应力σz为

式中：

μ——土体的泊松比；

z——计算点距离地面的竖向距离；

c——理论计算点处距集中荷载作用点处在水平方向上的距离。

通过上述计算得到地基土的附加应力后，可得桩端沉降

式中：

σzi——第i层地基土的附加应力；

Ei——土的压缩模量。

4.2 桩基础的压缩

假定桥梁桩身各节段的压缩变形量值为，则桩基础的总压缩量为

式中：

n——桩身的节段数；

εi，εi+1——某节段桩身处及相邻节段桩身处测得的应变值。

4.3 桩基础的蠕变变形

对于桥梁桩基的蠕变值，由于影响其形成的因素较多，变化较大，所测得的实验数据较为离散，所以不易对桥梁桩基产生的蠕变进行精确计算。较为可靠的办法是运用同一批次的混凝土制作试件，直接对其进行蠕变试验及测量，或者运用短期的测量数据推算长期的蠕变值。

假定桩基混凝土在应力σ（t0）作用下，至龄期t时的总应变为 εcσ(t,t0)，由起始应变 εci(t0)和蠕变 εcc(t,t0),两部分组成：

式中：

t0—荷载作用时混凝土的龄期；

t0-—计算所需应变的龄期；

Ec（t0)-龄期为t0时混凝土弹性模量值。

单位应力作用下混凝土蠕变值即为蠕变度或单位蠕变：

单位应力作用下的极限蠕变值受到各种因素的影响而在很大的范围内进行变化：

假定试验中测得的桩身上任意深度处相邻两点的轴力值分别为 F1（z）、F2（z），则桩基础的蠕变值为：

式中：

φr—为桩基础蠕变影响因数；

C（8 ，t0）—为单位蠕变值；

A—为桩基础的横截面面积。

5 改善桩基础工后沉降的有效措施

由于西北地区特有的黄土湿陷性质，高速铁路桥梁桩基础的工后沉降量主要由桩端沉降量、桩身压缩量以及桩身蠕变量等三部分量值组成。对于高速铁路线路行车高平顺性要求，工后沉降量应该做到零工后沉降值的标准，但按照以往的工程经验，对于桥梁桩基础而言，设计及施工中往往可以满足结构的承载力要求，但是其桩基础的沉降量却不一定满足要求。因此在高速铁路桥梁的实际建设过程中，通常需要采用预加荷载等措施，并保持一定的时间，通过对整个桥梁主体的动态监测，测量桥梁桩基础的沉降量，当桥梁完成大部分沉降满足相关要求后再进行后续的铁路轨道的铺设工作。再者由于黄土自身的湿陷特性，对于高速铁路桥梁桩基础工后沉降的控制中，首先应当建立起完善且规范的工后沉降科学评价制度，整体性地研究各个因素对工后沉降的影响，由此制定出相应的控制方法，形成系统的管理评价体系。其次采用科学有效的地基处理方法，合理的地基处理方法是解决工后桩端沉降控制的关键方法，通过沿桩侧在一定范围内进行注浆处理可有效的降低桩基础的沉降值，并且由于注浆液在土体中具有一定的劈裂扩大作用，使得桩基础的应力得到一定的放散，可以有效的控制基础的沉降量。最后应当安排高速铁路桥梁合理的施工工序以求在工期允许的范围内保证桥梁必要的预压时间，可有效降低桥梁桩基础的工后沉降。