桥梁桩基沉降补偿的思路与实现

摘要：高速铁路快速、高舒适度、高安全性和高密度连续运营等特点要求轨道具有持久稳定的高平顺性。这对高速铁路桥梁基础工后沉降及不均匀沉降提出了非常严格的控制要求。基于上述要求，我们对铁路桥梁桩基工后沉降进行理论研究和探索，提出了一种桩基础沉降补偿的方法。该方法适用于以竖向荷载作用为主的各类桩基础，尤其适用于桩基础沉降很大或者对沉降差异要求很严格的高速铁路。为今后高速铁路或客运专线的建设提供了借鉴意义。

关键词：高速铁路；连续运营；轨道；桩基础沉降补偿

中图分类号：U238文献标识码： A 文章编号：

引言

随着我国国民经济的飞速发展，高速铁路或客运专线的建设日益增多。高速铁路快速、高舒适度、高安全性、高密度连续运营等特点，对线路的平顺性和刚度的要求更加严格。对于普通铁路公路24m，32m简支梁桥的墩台允许均匀沉降量分别为98mm，32mm。但对于高速铁路桥梁的墩台的均匀沉降量要求很严，有砟轨道要求控制在15mm以内。因此，为了满足高速铁路建设和安全运营的要求，就要严格控制高速铁路桥梁桩基础工后沉降及不均匀沉降，使之达到设计标准。

现今桩基设计理论方法主要有两种：传统的桩基设计理论和减少沉降桩基设计理论，后者即在设计时主要由工程实物的沉降量控制要求来确定桩长和桩数。前者则是建立在满足承载力的基础上的，完全由上部结构荷载来确定桩数和桩长，但这种传统的设计方法过于保守，对工后沉降的控制的工程费用较高。上述方法无论是哪一种，在设计时对于沉降的控制，普遍做法是加长桩的长度或增大桩的直径或增加桩的数量，或对地基进行处理等方法，目前其所有方法都是围绕桩或土上进行。虽然能达到目的，但耗费的成本也很高。为此优化工后沉降(或最终沉降量)的控制方法，具有重要现实意义和工程应用价值。

沉降调节的方法

2.1 沉降计算的综述

沉降是一个缓慢的过程，受土层特性、施工工艺、持力层状况、作用类型等因素影响，下面简单介绍了目前计算工后沉降量时常用的方法。

荷载传递法：此法多用来分析桩身的荷载传递规律及沉降计算，由塞德和雷西提出，荷载传递法由于假定桩侧任何点的位移只与该点上的摩阻力有关，而与其他点的应力无关，即忽略了土的连续性，固有一定局限性，但其计算简便，能考虑土的成层性及应力―应变非线性特征等又深受工程界的重视。

剪切变形法：此法由摩擦桩荷载传递的物理模型简化计算而来，Cooke(1974)计算时作了一系列假定并认为:当荷载水平较小时，桩在轴向荷载的作用下沉降较小，桩土之间不产生相对位移，亦即桩沉降时周围土体亦随之产生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。但库克忽略了桩端处的荷载传递作用，对端承桩误差较大。

单向压缩分层总和法：此法根据各土层的参数分别计算在各层中的沉降量后，累加求得总的沉降量。这是浅基础的最终沉降量的常用计算方法在桩基设计中，主要用于大直径的单桩。

桩基沉降计算规范法：此法由黄强在黄绍铭基于Geddes应力解，假设桩不可压缩，且为柔性承台群桩，建立的弹性理论法的基础之上引入桩基等效沉降系数，通过计算复杂但更合理的Mindlin解与计算简便但不太合理的Boussinesq解之间建立关系，得到群桩沉降计算的等效作用法。

并且，上世纪80年代随着灰色系统理论发展起来的灰色预测理论也逐渐被应用于桩基工程的沉降预测研究，随着计算机技术水平的提高，出现了许多桩基沉降计算方法，如边界元法、有限单元法、有限条分法、混合法等。

2.2 沉降控制方法综述

下面简单介绍了目前对工后沉降控制的方法的研究。

屈耀辉等对黄土区高速铁路挤密桩地基沉降控制效果进行了研究；曹建忠对客运专线桥梁沉降变形观测控制技术进行了研究；仝校涛对高速铁路路基沉降控制方法进行了研究；刘金河对建筑工程桩基沉降与施工控制方法进行了阐述。从他们的研究中可以看出，目前对于沉降控制方法主要是从施工测量控制、施工质量控制、施工技术控制等，如地基加固，增补桩基，扩大基础等。

综上所述，国内外学者，提出的各种计算桩基沉降和控制沉降的方法，通过大量试验和实际工程验证了其在各自条件下的合理性。在计算桥梁墩台工后沉降量时，根据桩与土的特点合理选取上述桩的沉降计算方法。目前一般根据所有恒载计算总沉降量，然后根据经验系数折减总沉降量，得出工后沉降。如此计算容易把工后沉降估算过小，不能满足线路的平整度要求。而且铺轨及铺轨后增加的恒载，所产生的沉降应为工后沉降不应折减。因此为了满足设计要求，在计算出工后沉降量后，为严格控制桩基的沉降量，往往采取许多措施对超出规定沉降量的桩基进行补偿。

2.3 沉降调节思路

基于此本文阐述一种全新的控制工后沉降的补偿方法。该桩基础沉降补偿方法，适用于上部荷载为主，总荷载是由恒载和使用荷载两部分组成的桩基础沉降补偿和调节。在桩基础施工之前，对先施加的恒载和使用荷载作用下桩基础沉降进行预估，在施工中，将桩基础顶面的标高控制由原来的设计标高加上预测的恒载和使用荷载作用下的桩基沉降。对桥梁整体而言，即对桥梁所有桩基沉降进行预测和计算，根据所计算的值，顺次调节每个桩的设计标高，调节值为沉降计算值的50%～80%,同时各桩体调节值要保证桥梁的平顺性。因而各桩的沉降计算必须保证其有一定准确度。在该法实施之前必须对沉降进行预测，在过去，由于考虑桩基的稳定性好，沉降小而均匀，收敛也较快，因而很少进行沉降计算，近些年来，由于高速铁路对沉降控制严格，桩基的沉降计算日益重要。而且目前对于群桩基础的研究还比较少，在桩基工程中，群桩的沉降计算始终是个难题，尤其是工后沉降方面，目前还没有一套比较完整而又实用的计算方法，现行的各种规范也只是对工后沉降及不均匀沉降的大小做了规定。

沉降调节的实施

3.1 单一桥墩沉降调节

为实现上述桩基础沉降的补偿方法，我们的具体步骤是：

第一步 以桩基载荷试验为基础，结合建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）[9]和其他的理论方法，预估出恒载和使用荷载作用下桩基础沉降量；

第二步 研究载荷作用下桩基沉降随时间变化发展的规律；

第三步 沉降补偿方式实施的具体技术措施和方法。若为预制桩，即在预制作桩时，在设计桩长的基础上加长，且其加长部分恰为在的恒载和使用荷载作用下桩基的沉降量，也即预测总沉降值。若为灌注桩，则直接将原设计的桩的标高加高。加高部分也恰为在的恒载和使用荷载作用下桩基的预测总沉降值。单一桥墩补偿沉降的桩如图1所示。

如图1 单一桥墩补偿沉降的桩

规范容许值

式中：为桩顶的设计标高；

为恒载作用和使用荷载作用下桩的沉降量；

为恒载作用和使用荷载作用下桩基的预测总沉降量。

3.2 整体桥梁基础沉降的系统调节

对于整个桥梁而言，各桩都是按上述单一桥墩补偿的方法对沉降进行补偿，桥梁基桩补偿值为。通过测量监控，在保证桥梁整体的平整度前提下，对各桥梁基桩补偿值再做细微调节。

图2 整体桥梁基础沉降的系统调节

结论

(1)本文简单阐述了一种有效解决高速铁路桩基础工后沉降的设计方法，对建筑工程解决桩基础工后沉降的设计方法同样具有指导意义。

(2)在相同的恒载作用和使用荷载作用下，由于成桥前预先考虑了工后沉降的对线路平整度的影响，施工时，预先将这部分沉降量加在预制桩的桩长或者浇筑混凝土墩台的标高上，使沉降差减少或者完全抵消沉降。

(3)传统控制工后沉降一般都是采取恢复轨道面高程的措施，其后期维护成本较高，且不操控。该法增加的材料消耗主要是混凝土，相比较几乎是无成本的减少桩基础工后沉降，体现了巨大的经济效益。

参考文献

1杨嵘昌，宰金珉. 广义剪切位移法分析桩－土－承台非线性共同作用原理[J]岩土工程学报 ,

2 阳吉宝. 单桩沉降计算的荷载传递法讨论[J]岩土工程技术 , 1998,(04)

3韩梅. 竖向荷载作用下桥梁桩基础沉降分析[D]西南交通大学 , 2007

4张松岩. 秦沈客运专线桥梁桩基工后沉降计算方法探讨[D]. 西南交通大学 , 2005

5 Mindlin R.D. Force at a point in the interior of a semi-infinite solid.physics,1936,(7):195-202

6 Geeddes J D.tresses in foundation soils due to vertical subsurface load.Geotechnique,1966,16(2):231-255

7 Poulos H G.Analysis of the settlement of pile 18 groups.Geotechnique,1968,18(4):449-471

8 Mattes N S,poulos H G.settlement of single compressible pile,journal of thesoil mechanics and foundations division,ACSE,1969,95(5M2):189-207

9 Butterifield R,[12]Banerjee P K.The Elastic analysis of compressible piles and pile groups.Geotechnique,1971,21(1):43-60

10 Poulos H G.Settlement of single Pile in Nonhomogeneous soil.journal of the Geotechnical Engineering Division,ASCE,1979,105(GT5):627-641

11高速铁路桥梁群桩基础工后沉降的计算与预测―蔡君君 王星华

12高速铁路桥梁桩基组合预测沉降 冷伍明 杨奇 聂如松

13时速两百公里铁路桥梁桩基在高烈度地震软土地区设计及沉降控制的基本特点 李聪林

14铁路桥梁桩基工后沉降分析与计算 马莲丛

15竖向荷载作用下群桩沉降的一种计算办法 好、胡德贵 罗书学

16沉降计算理论及工程实例 北京：科学出版社。2005

17软土中沉降估算 黄绍铭 裴捷 贾宗元

18京沪高速铁路设计暂行规定 2004

19群桩基础沉降计算中的若干问题秋任东 高文生