摘要：桩基是目前广泛应用于桥梁工程的一种基础形式，承受竖向荷载作用，其破坏模式主要取决于桩的尺寸和类型、桩侧土的抗剪强度、桩端支承情况等，主要变形特征表现为累积沉降变形，研究桩基承载能力的最实用方法是现场试验，现场试验主要是指各类试桩。通过试桩荷载－沉降的观测数据，科研人员可以较为宏观地了解桩土相互作用特性，并因此推算、分析不同土层在桩基受荷过程中桩土相互作用的规律。由于通过试桩进行桩土相互作用试验存在费用高、不便于精细掌握桩土相互作用特性等问题，为克服这些问题带来的不便，科研人员开展了桩土相互作用的室内试验。位于软土地区的铁路桥梁桩基础在高速列车运营过程中由于动荷载作用引起桩基工作性状变化,该试验现场进行了2种桩径试验桩的单桩竖向动静载试验。结果表明,在桩端持力层较好的情况下,软土地基桥梁桩基础设计时可以忽略由于高速列车运营的反复荷载作用对桩基工后沉降和竖向承载力的影响。
关键词：软土地基；桥梁基础；桩基承载力；动静载试验
现有的循环荷载下的承载性能试验初步揭示了桩基在循环荷载作用下的沉降与静力计算结果有差异，但现有的研究多是针对建筑工程、海洋工程及厂房荷载开展的，对桥梁承受的活载对桩基础的作用特性，活载作用频次、频率等对沉降及桩侧、桩端阻力的影响开展深入研究较少。室内模型试验中不同的桩基模型材料、桩的入土模式、桩土接触的密实程度和数据采集设备及测试手段均会影响桩壁阻力、桩底反力以及桩顶累积沉降达到稳定时的循环次数。从现有服役桥梁技术状况评定和承载力评定的研究来看，这些领域目前的深入研究很少，不能满足对服役桥梁桩基础承载力做出科学的诊断与评价的需求。
在基础设计时,将列车荷载静止摆在桥上,不考虑其冲击振动对基础的影响而对铁路桥梁的调查研究发现,随着列车速度的提高,传递到基础面处的能量增大很快。由于桩基础的承载力在高速列车动力作用下将会有多大的衰减,沉降如何发展,动位移振幅有多大等问题, 是铁路建设者必需面对的。
一、概述
客运专线对线路的行车平顺性具有较高要求,软土地基桥梁桩基础工作性状如何,将直接决定着桥梁设计能否满足安全及列车高速运营要求。在试验室内进行模拟软土桩基动、静载试验。室内动力激振试验研究认为,位于软土地基的桥梁桩基础其动承载力将下降,动静比值为0.8左右。
室内模拟软土桩基动、静载试验存在的主要问题是,“模拟土”是经过人工按含水量、容重等指标控制配置的;试验桩采用直径较小的尼龙棒,且全部位于模拟的软土中,与实际桩的边界条件有差别。为了更充分地了解软土地基桥梁桩基长期在高速列车动荷载作用下的工作性状,该试验段桥涵试验研究组在试验现场进行了软土地基桥梁桩基础单桩竖向动静载试验研究工作。结合现场试验条件,课题组选择2种桩径、桩型试验桩进行了试验加载,试桩的参数见表。
二、试验的实施
1、试验参数的选择。客运专线桥梁在墩高10m左右时桩基础可采用18根0.55m预应力混凝土管桩或8根φ1.0m钻孔灌注桩,根据群桩基础各桩力的分配规律,现场试验时桩顶静载分别采用880kN和2600kN。
为获取客运专线铁路桥梁桩基动载试验加载参数,课题组根据行车速度、地质条件、桥梁跨度等条件选择既有铁路桥墩桩基础基顶动力测试。经过大量的数据分析、比较认为,φ0.55m管桩和φ1.0m钻孔桩动载加载幅值可以分别采用40kN和100kN,行车速度350km/h时频率采用3Hz。现场桥梁桩基动静载试验参数见表。
2、测点的布置。φ0.55m试验管桩,沿桩身分10个截面布置应变计,试验桩采用静压方式施工。φ1.0m钻孔桩,沿桩身分14个截面布置钢筋计,每个截面4个,沿线路纵横向对称布置,其中2个为钢弦式钢筋计,2个为应变式钢筋计,每根桩共48个钢筋计。
3、试验方法的选择。为了进行对比试验,结合试验段桥梁桩基础的布置及地质情况,现场试验采用了静载和动载加载方法。
(1)静载的施加。φ0.55m试验桩所属群桩基础共25根,桩基试验时全部施工完成,无条件在试验桩附近施工锚桩,结合预应力混凝土管桩受力性能,对于试验管桩现场试验采用人工堆载压重平台反力装置。φ1.0m试验桩所属群桩基础共12根, 直接利用试验桩附近钻孔桩作为锚桩,组成锚桩横梁反力装置。现场试验静载的施加均严格按照建筑桩基技术规范,采用慢速维持荷载法逐级加载,直到满足试验设计要求。
(2)动载的施加。φ0.55m试验管桩的动荷载采用PMS500型疲劳试验机进行,通过为本次动载试验特制的作动器来实现静载与动载的组合施加。1.0m试验钻孔桩的动荷载采用SBZ60型变频变矩式振动机施加。
4、试验数据的采集
(1)动载试验中桩身应变和桩顶累积沉降观测为了了解动载对桩身轴力分布、桩身侧摩阻力和基桩沉降的影响以及变化规律,动载试验中动载每循环一定次数,用静态应变仪对桩身应变进行测试,并记录桩顶位移。
(2)试验数据采集系统。①试验前,将941型拾振器布置在桩顶;动载试验中桩顶动位移和加速度由941型拾振器拾取,经941放大器放大后,由INV306大型智能信号采集分析仪自动采集和记录,然后对采集的信号进行处理分析。
②桩身动应变通过动态应变数据采集分析系统DH5935,通过采集软件按照试验要求的采集频率实现所有测点的同步自动采集分析。
③桩身静应变通过静态应变数据采集分析系统DH3818进行数据采集分析。
5、试验的关键技术
(1)边界条件的模拟和动荷载的施加。φ1.0m试验桩竖向动静载试验时,在锚桩横梁反力装置提供竖向静载作用的前提下,动荷载采用变频变矩式振动机直接施加于桩头,实现基桩的静载与动载的共同作用模式。φ0.55m预应力管桩试验时,由压重平台提供试验所需竖向静载,动荷载由疲劳试验机提供。课题组开发了一套利用疲劳试验机和千斤顶组合的静动加载装置。
(2)桩身测点的埋设。对于φ1.0m钻孔灌注桩,按照试验设计绑扎好钢筋计,即能实现桩身测点的布设。而对于φ0.55m预应力混凝土管桩,如何在桩身内埋设测点则是本次试验需要解决的另一课题。通过与管桩生产厂家、应变计制作厂家的通力合作,课题组成功设计了一种预制桩应变计埋设方法,取得了较好的效果。
三、试验结果与分析
1、轴向动力作用下桩的行为概述。一般地,在桩上施加竖向动荷载,桩发生强迫振动,经一定时间后初始加载的影响因阻尼衰减而消失,剩下稳态
振动。桩在轴向动力作用下的行为可分为以下情况:
(1)在较小动荷载作用下,桩上荷载未达到其动极限承载力,桩顶累积位移在开始时以较快速度发展,而后其速度迅速减小,累积位移趋于稳定,桩顶位移振幅趋于稳定或略有减小,即桩土体系获得了强化;
(2)在较大动荷载作用下,桩顶累积位移先以较快速度发展,经一定循环后,其速度略有减小,但仍以某速度继续发展,桩顶位移振幅趋于稳定或稍有增大;
(3)在相当大动荷载作用下,桩顶累积位移先以较快速度发展,经一定循环后依然保持较大速率,桩顶位移振幅随循环次数的增加而增大,此时桩处于破坏阶段。
2、φ0.55m预制管桩动静载试验结果
（1）静力加载。试验桩分别称为A、B、C桩分别为试验桩桩身测试截面号。对试验桩分别进行静力加载至工作荷载,试验加载Q-S曲线,桩在工作荷载作用下,桩顶Q-S曲线呈直线,表明基桩基本处于弹性工作状态。当桩顶荷载Q=880kN时,三桩桩顶沉降均值在3mm左右。
（2）动载作用下桩顶沉降的变化情况。试验桩在动载作用下桩顶沉降与动载循环次数的关系曲线,三桩的试验结果表明,振动次数达到25万次左右时桩顶累积位移不再变化,即动荷载作用下不再产生下沉，动载100万次,三桩桩顶平均沉降0.344mm。因此可认为对于类似预应力混凝土管桩基础,不会在列车运行的反复荷载作用下产生工后沉降。
（3）桩顶动位移幅值随动载次数的稳定情况。试验管桩桩顶动位移幅值Sd与动载次数N的关系曲线,在动荷载作用下,桩顶振幅逐渐减小,当振动次数达到20-30万次时桩顶动位移不再发生变化,即动位移趋于稳定,可认为基桩的动力特性基本呈现弹性性质。
3、φ1.0m钻孔桩动静载试验结果。φ1.0m钻孔桩动静载试验与φ0.55m 管桩呈现类似的特性,由于篇幅所限,仅将结果作简要叙述。在静载和固定频率及振幅的动荷载的共同作用下,在动荷载循环作用100万次后φ1.0m试验钻孔桩由于动载影响而产生的桩顶平均沉降为0.34mm,量值较小。在动载循环作用过程中,桩身轴力发生了局部调整,调整主要集中在桩顶以下三分之一桩长范围内,调整最大幅度约为10%,基本规律是桩身侧摩阻力桩顶以下0-6.2m呈现弱化现象,6.2-23m呈现增强现象,23m以下几乎没变化。动荷载循环作用达70万次后,桩顶动位移、桩身轴力调整等均已经达到稳定。
4、桩顶动位移幅值和动刚度
桩顶动位移幅值ρc是指荷载某一次循环时轴向动位移的最大值与最小值之差。桩在轴向荷载下的动刚度表示桩-土系统产生单位桩顶位移所需施加的外力,其中Qc为循环荷载半幅值。
桩顶动位移幅值与循环次数。根据试验结果绘制出循环次数N与桩顶动位移幅值ρc的关系曲线,在一定的动荷载作用下,桩顶动位移幅值ρc不随循环次数N而改变,始终保持为常数。桩上静力150N、动力70N、土样含水率28%的模型试验中不同频率时的桩顶位移幅值,随动力荷载频率增大桩顶位移幅值减小,即动刚度随荷载频率增大而增大，桩上静力150N、荷载频率为2.0Hz、土样含水率28%的模型试验结果,可以看到,桩顶动位移幅值随着动荷载的加大而增大。
桩端持力层较好的情况下,软土地基桥梁桩基础设计时可以忽略由高密度、高速度列车反复作用下对桩基工后沉降和竖向承载力的影响。在动力荷载作用下,桩动侧摩阻沿深度呈抛物线状减小,其减小的幅度随着深度的增大而减小,动侧摩阻较静侧摩阻更进一步向桩的上部约1/3桩长范围内集中,桩侧摩阻动静比随含水率的增大而增大。试验中桩的动端阻力随桩顶沉降增大而逐渐发挥,完全发挥的位移桩径,端阻与总阻比一般小于5%,最大不超过8%。
参考文献：
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论文作者:张智远
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/1
标签：荷载论文; 位移论文; 桩基论文; 桥梁论文; 承载力论文; 作用下论文; 钻孔论文; 《基层建设》2018年第24期论文;