深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基工后沉降特性研究.pdf

1、高速鐵路橋梁樁基的工后沉降直接影響到高速鐵路線路的平順性及安全運(yùn)營，其控制效果的優(yōu)劣甚至從某種程度上決定了高速鐵路建設(shè)的成敗。由于樁基沉降計(jì)算理論自身的不足，加之計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確選取，往往導(dǎo)致樁基沉降量的計(jì)算值與實(shí)測值存在較大的差異。尤其是深厚軟土樁基的工后沉降，目前還沒有一套完整而又實(shí)用的計(jì)算方法，現(xiàn)行各種設(shè)計(jì)規(guī)范也只是對工后沉降及不均勻沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)作了規(guī)定。橋梁樁基的工后沉降是樁、承臺、地基土相互作用的長期變形協(xié)調(diào)體系，一直是巖土

2、工程領(lǐng)域最為棘手的問題之一，其理論研究遠(yuǎn)落后于工程應(yīng)用。本文結(jié)合原鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目和上海鐵路局科研計(jì)劃項(xiàng)目，采用現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基的長期（工后）沉降與承載特性開展研究。主要工作有:
　　(1)通過室內(nèi)試驗(yàn)，掌握深厚軟土地區(qū)軟黏土的基本物理力學(xué)特性。通過長期蠕變試驗(yàn)，研究軟黏土的蠕變特性。結(jié)果表明，該軟黏土存在明顯的蠕變效應(yīng)，Koppejan蠕變模型能較

3、好地描述其蠕變特性。
　　(2)基于分層總和法，采用應(yīng)力比法確定壓縮層厚度，使用Koppejan蠕變模型構(gòu)建樁底土層的應(yīng)力～應(yīng)變～時(shí)間關(guān)系，建立考慮蠕變效應(yīng)的橋梁樁基工后沉降計(jì)算方法。以該方法為基礎(chǔ)編制計(jì)算程序CPPS-Ⅰ，計(jì)算了典型橋墩的工后沉降，計(jì)算結(jié)果表明，該計(jì)算方法能較好地計(jì)算深厚軟土橋梁樁基的工后沉降，且假設(shè)合理，方法簡便，參數(shù)物理意義明確，通過簡單的土工試驗(yàn)即可確定。使用CPPS-Ⅰ程序分析了地基土主、次固結(jié)系數(shù)、樁端

4、持力層、架梁后預(yù)壓時(shí)間對深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基工后沉降的影響。
　　(3)以剪切位移法為基礎(chǔ)，使用Burgers模型描述樁周土和樁底土的蠕變特性，考慮群樁樁間“束縛”作用，提出了基于Burgers模型的橋梁樁基長期沉降計(jì)算方法。以該方法為基礎(chǔ)編制計(jì)算程序CPPS-Ⅱ，計(jì)算了典型橋墩的長期沉降、工后沉降。計(jì)算結(jié)果表明，該方法能較好地計(jì)算深厚軟土橋梁樁基的長期沉降和工后沉降。使用CPPS-Ⅱ程序?qū)秱?cè)土和樁底土的Burgers模

5、型進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，結(jié)果表明，樁側(cè)土Maxwell體粘滯系數(shù)對樁基工后沉降的影響最大。使用該方法探討了不同樁端持力層、樁間距、樁數(shù)和架梁后預(yù)壓時(shí)間對深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基長期變形的影響。
　　(4)對Koppejan蠕變模型進(jìn)行改進(jìn)，采用增量形式描述應(yīng)力～應(yīng)變～時(shí)間之間的關(guān)系，構(gòu)建了基于改進(jìn)Koppejan蠕變模型的黏彈塑本構(gòu)模型。以該模型為基礎(chǔ)，使用ABAQUS的UMAT子程序二次開發(fā)了軟土蠕變本構(gòu)模型。分別采用一維蠕

6、變試驗(yàn)、三軸蠕變試驗(yàn)和樁基長期沉降算例對改進(jìn)Koppejan蠕變模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)Koppejan蠕變模型能較好地描述軟土的蠕變特性，基于此模型二次開發(fā)的ABAQUS黏彈塑本構(gòu)模型能夠用于深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基長期沉降的數(shù)值模擬分析。
　　(5)以Goodman接觸單元的非線性彈性本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了接觸面彈-黏塑本構(gòu)模型，使用ABAQUS的FRIC子程序二次開發(fā)了接觸面彈-黏塑摩擦模型。采用接觸面剪切試驗(yàn)對模

7、型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明:接觸面彈-黏塑本構(gòu)模型能夠較好地描述接觸面的流變本構(gòu)關(guān)系，基于此模型二次開發(fā)的ABAQUS接觸面彈-黏塑摩擦模型能夠用于深厚軟土樁基工程的數(shù)值模擬分析。
　　(6)對杭甬鐵路客運(yùn)專線2個(gè)工點(diǎn)4個(gè)典型橋墩在橋梁施工期和運(yùn)營階段的樁身應(yīng)變、樁身壓縮量、樁端下土壓縮量、樁間土壓縮量等進(jìn)行了長期現(xiàn)場監(jiān)測，揭示了深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁的樁身壓縮量、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁端土壓縮量、樁間土壓縮量隨時(shí)間的變化規(guī)

8、律。
　　(7)借助ABAQUS有限元分析軟件，地基軟土和樁土接觸面分別使用二次開發(fā)的改進(jìn)Koppejan蠕變本構(gòu)模型、接觸面彈-黏塑本構(gòu)模型，建立杭甬鐵路客運(yùn)專線柯橋特大橋328＃橋墩和寧波特大橋667＃橋墩樁基的三維有限元分析模型，模擬實(shí)際施工過程，分析了兩個(gè)典型橋墩樁基的工后沉降量、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力隨時(shí)間的變化規(guī)律，揭示了深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基的長期沉降發(fā)展規(guī)律和樁基內(nèi)力隨時(shí)間的發(fā)展情況。使用寧波特大橋667＃橋墩