高烈度震区山岭铁路桥墩沉降理论计算与探讨.doc

高烈度震区山岭铁路桥墩沉降理论计算与探讨宋振芳中铁十四局成兰铁路工程指挥部 四川阿坝州 624000摘要: 本文依托穿越512汶川强震区在建镇江关2号双线大桥工程实例，系统分析了该地区的水文地质特征，详细介绍典型桥墩的设计结构参数；假定承台无限刚度情况下，承台桩均摊上覆墩身和承台自重荷载，建立了桥墩沉降的理论估算公式，为同类地质条件铁路桥梁墩的设计和施工沉降控制具有一定借鉴意义。关键词: 铁路桥梁；桥墩；理论计算；单桩沉降中图分类号: U473 文献标识码: A0 引 言西部大开发是我国现代化建设“两个大局”战略思想、面向新世纪作出的重大战略决策，全面推进社会主义现代化建设的一个重大战略部署。然而西部是个多山多领，地质情况比较复杂的地区，尤其是地震多发地带，强震后对地质水文条件的强烈改变，二次构造应力集中，使得在桥梁的修建过程中经常面临桥墩不均沉降、承台桩沉降过大等问题，给山岭铁路桥梁的修建带了极大的挑战。国内外众多学者对桩沉降进行了大量的理论计算13、数值模拟4,5、模型试验69，极大的丰富了该领域知识空白。本文在详细分析桥址区水文地质特征，桥墩结构设计前提下，针对在建的成都到兰州高速铁路十一标段镇江关2号大桥，在上覆墩身和承台自重作用下引起的桥墩沉降进行理论计算分析，旨在建立一套有效的沉降评估方法，保证工程安全顺利进行。1 工程概况成兰铁路十一标段线路位于青藏高原东部边缘，山脉总体呈南北向展布，属构造剥蚀高中山峡谷地貌。线路沿岷江逆流而上，地形跌荡起伏，切割较大，群山林立，山间冲沟深切，地面高程2460-2900m，相对高差50-400m，山体坡面普遍陡峻，自然坡度一般30-70，部分为绝壁，植被以灌木丛为主，零星有乔木分布。地层岩性为上覆第四系全新统滑坡堆积层（Q4de1）粉质黏土、角砾土、块石土，坡崩积层（Q4d1+co1）粉质黏土、细角砾土、粗角砾土，冲洪积层（Q4a1+p1）粉质黏土、粗圆砾土、卵石土，泥石流堆积层（Q4sef）粉质黏土、细角砾土、粗角砾土、碎石土、块石土，坡残积层（Q4d1+e1）碎石土；下伏基岩为三叠系上统罗空松多组（T3l）砂岩夹板岩，新都桥组（T3X）千枚岩夹砂岩，朱倭组（T3zh）砂岩夹千枚岩，中统杂谷脑组上段（T2Z2）砂岩夹板、千枚岩，杂谷脑下段（T2Z1）砂岩、板岩、灰岩、千枚岩。镇江关站2号双线大桥位于镇江关乡，设计里程D1K205+955.55-D1K206+236.253，该桥全长280.703m，桥跨结构为：332.75+224.75+（32.75+56+32.75），全桥承台共计9个，桥台2个，实心墩7个，最高墩19.5m。钻孔桩70根，共计2125米，直径1m的桩16根，528米；直径1.25m的桩43根，1355米；直径1.5 m的桩11根，242米。本文选取2号双线大桥典型4号桥墩，如图1所示，结合现场实勘地质情况和桥墩设计参数，以桥墩和承台自重为桩顶作用荷载，建立桥墩沉降估算理论公式，为优化桥墩施工参数和控制桥梁高程提供参考依据。图1 镇江关2号大桥桥墩现场照片2 桩顶荷载计算镇江关2号双线大桥，典型的桥墩有墩身、承台和承台桩组成。其中以8根承台桩桥墩最为典型。本文选取4号桥墩作为计算分析对象。4号桥墩的结构设计参数和承台桩分布如图2和图3所示。（a）（b）图2 墩身示意图图3 承台桩分布示意图将连续梁侧和简支梁侧墩身分别视为半变截面圆台和半变截面四棱柱组成，分别根据公式（1）和（2），可计算得墩身自重为：1.154104 KN。 （1）式中：V半变截面圆台体积h圆台高度a圆台底面半径b圆台顶面半径 （2）式中：V半变截面四棱柱体积h四棱柱高度c四棱柱底面长度d四棱柱底面宽度e四棱柱顶面长度f四棱柱顶面宽度3 桩沉降计算模型假定承台刚度无限大，8根桩均匀沉降，单桩以文献3给出的计算模型，侧阻双曲线模型的数学表达形式为(见图4)： （3）其中，a和b为参数；Ss(z)为深度z处桩土界面的桩土相对位移；s(z)为深度z处的桩侧摩阻力。图4 单位侧阻与桩土相对位移间的关系端阻双曲线模型的数学表达形式为(见图5)： （4）其中，f和g为参数；Sb为桩端位移；b为单位端阻。 （5）式中，s为桩侧土的泊松比，相关参数详细的计算参考文献3。图5 单位端阻与桩端位移间的关系4 桩顶沉降计算参考文献3提出的侧阻模型和端阻模型，并结合下述迭代算法可分析单桩受力性状。具体计算步骤如下：(1) 将单桩分为n段。(2) 假定一个较小的桩端位移Sbn。(3) 根据桩端位移Sbn和式(5)计算桩端力Pbn。(4) 假定桩段m中点位移为Scn，(初始值假定Scn=Sbn)。将Scn代入式(3)，计算桩段n的侧阻tsn。(5) 用式(6)计算桩段n的桩顶荷载Ptn： (6)式中：Ln为桩段n的桩长，d为桩直径。(6) 假定桩段n内的桩身轴力线性变化，则桩段n中点处的弹性压缩量可表示为 (7)(7) 桩段n中点的修正位移可表示为 (8)(8) 比较桩段n内的桩身修正位移与初始桩身位移Scn的差，有如下2种情况： 如果Scn1105 m，则取桩段n的桩身压缩为。 如果Scn1105 m，则令Scn=，重复计算步骤(4)(7)，直至Scn1106 m为止。(9) 桩段n的桩顶位移Stn和桩顶荷载Ptn可分别表示为 (9) (10)式中：为根据桩段n内桩身修正位移计算得到的桩段n的侧阻。(10) 重复计算步骤(4)(9)，计算其余桩段的桩顶位移和桩顶荷载，直至得到桩段1的桩顶位移St1和桩顶荷载Pt1。(11) 假定一系列桩端位移Sbn，重复步骤(3)(10)，直至得到一系列桩段1的桩顶位移St1和桩顶荷载Pt1。由上文可知假定承台刚度无限大，8根桩均匀沉降，长35m，直径1.25m桩承受上覆荷载为1.443104 KN时，其沉降为12.36mm，即在墩身和承台自重作用下，不考虑混凝土收缩徐变效应，桥墩沉降为12.36mm。5 结论本文依托穿越512汶川强震区在建镇江关2号双线大桥工程实例，系统分析了该地区的水文地质特征，详细介绍典型桥墩的设计结构参数；假定承台无限刚度情况下，承台桩均摊上覆墩身和承台自重荷载，建立并推导了桥墩沉降的理论估算公式，运用经典迭代程序，得出2号桥典型代表4号桥墩在墩身和承台自重作用下，最大沉降量为12.36mm。本文给出的计算方法为同类地质条件铁路桥梁墩的设计和沉降控制具有一定借鉴意义。参考文献1 辛公锋, 张忠苗, 夏唐代, 等. 高荷载水平下超长桩承载性状试验研究J. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(13): 2397-2402.2 ZHANG Q Q, ZHANG Z M, HE J Y. A simplified approach for settlement analysis of single pile and pile groups considering interaction between identical piles in multilayered soilsJ. Computers and Geotechnics, 2010, 37(7-8): 969-976.3 Zhang, Q.Q., Li, S.C., Liang, F.Y., Yang, M., Zhang, Q., 2014. Simplified method for settlement prediction of single pile and pile group using a hyperbolic model. International Journal of Civil Engineering. 12(2), 179-192.4 张慧乐, 马凛, 张智浩, 等. 岩溶区嵌岩桩承载特性影响因素的试验研究与分析J. 岩土力学, 2013, 34(1): 92-101.5 AI Z Y, HAN J. Boundary element analysis of axially loaded piles embedded in a multi-layered soilJ. Computers and Geotechnics, 2009, 36(3): 427-434.6 彭雄志, 赵善锐, 罗书学, 等. 高速铁路桥梁基础单桩动力模型试验研究J. 岩土工程学报, 2002, 24(2): 218-221.7 韩晓猛, 张慧乐, 张智浩. 岩溶区嵌岩桩室内模型试验系统的开发J. 岩土工程技术,