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的成敗。由于樁基沉降計算理論自身的不足，加之計算參數(shù)難以準確選取，往往導致樁基沉降量的計算值與實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用的計算方法，現(xiàn)行各種設計規(guī)范也只是對工后沉降及不均勻沉降的控制標準作了規(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)調體系，一直是巖土

2、工程領域最為棘手的問題之一，其理論研究遠落后于工程應用。本文結合原鐵道部科技研究開發(fā)計劃重點項目和上海鐵路局科研計劃項目，采用現(xiàn)場監(jiān)測、室內試驗、理論分析與數(shù)值模擬相結合的方法，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)通過室內試驗，掌握深厚軟土地區(qū)軟黏土的基本物理力學特性。通過長期蠕變試驗，研究軟黏土的蠕變特性。結果表明，該軟黏土存在明顯的蠕變效應，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，采用應力比法確定壓縮層厚度，使用Koppejan蠕變模型構建樁底土層的應力～應變～時間關系，建立考慮蠕變效應的橋梁樁基工后沉降計算方法。以該方法為基礎編制計算程序CPPS-Ⅰ，計算了典型橋墩的工后沉降，計算結果表明，該計算方法能較好地計算深厚軟土橋梁樁基的工后沉降，且假設合理，方法簡便，參數(shù)物理意義明確，通過簡單的土工試驗即可確定。使用CPPS-Ⅰ程序分析了地基土主、次固結系數(shù)、樁端

4、持力層、架梁后預壓時間對深厚軟土地區(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，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算方法。以該方法為基礎編制計算程序CPPS-Ⅱ，計算了典型橋墩的長期沉降、工后沉降。計算結果表明，該方法能較好地計算深厚軟土橋梁樁基的長期沉降和工后沉降。使用CPPS-Ⅱ程序對樁側土和樁底土的Burgers模

5、型進行了參數(shù)敏感性分析，結果表明，樁側土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)和架梁后預壓時間對深厚軟土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基長期變形的影響。
　　(4)對Koppejan蠕變模型進行改進，采用增量形式描述應力～應變～時間之間的關系，構建了基于改進Koppejan蠕變模型的黏彈塑本構模型。以該模型為基礎，使用ABAQUS的UMAT子程序二次開發(fā)了軟土蠕變本構模型。分別采用一維蠕

6、變試驗、三軸蠕變試驗和樁基長期沉降算例對改進Koppejan蠕變模型進行了驗證。結果表明，改進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關系為基礎，推導了接觸面彈-黏塑本構模型，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對模

7、型的合理性進行驗證，結果表明:接觸面彈-黏塑本構模型能夠較好地描述接觸面的流變本構關系，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)對杭甬鐵路客運專線2個工點4個典型橋墩在橋梁施工期和運營階段的樁身應變、樁身壓縮量、樁端下土壓縮量、樁間土壓縮量等進行了長期現(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、樁側摩阻力、樁端土壓縮量、樁間土壓縮量隨時間的變化規(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Koppejan蠕變本構模型、接觸面彈-黏塑本構模型，建立杭甬鐵路客運專線柯橋特大橋328＃橋墩和寧波特大橋667＃橋墩樁基的三維有限元分析模型，模擬實際施工過程，分析了兩個典型橋墩樁基的工后沉降量、樁身軸力、樁側摩阻力隨時間的變化規(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)律和樁基內力隨時間的發(fā)展情況。使用寧波特大橋667＃橋墩