邻近堆载作用下群桩变形特性的室内模型试验研究

黄瑞堂 李友元 王新浪 李平

（1.中铁二十四局集团有限公司，上海 200070；2.河海大学土木与交通学院，南京 210098）

位于软土地基中的高速铁路桥梁大多采用群桩基础。邻近堆载作用下地基土会发生压缩和侧向挤出变形，从而导致桩基础变形，影响既有高速铁路轨道的平顺性。已有学者从现场试验、模型试验、理论解析、数值计算等方面对堆载作用下群桩变形特性做了大量研究。梁育玮等[1]根据实际工程建立堆载-土-结构相互作用有限元模型，分析邻近堆载作用下桩与土的沉降、变形及桩身弯矩、轴力变化规律。倪恒等[2]依托邻近高速铁路段一河道开挖工程，研究弃土堆载堆土尺寸、堆土距离对高速铁路桥梁基础变形的影响。邓会元等[3]通过开展沿海地区堆载作用下桩基承载特性的原位试验发现，不平衡堆载条件下桩基产生了较大的水平位移，土体最大水平位移出现在距离地面4～5 m的位置，而桩身最大水平位移出现在桩顶。潘振华[4]以一城际铁路连续梁桥桩基纠偏实例为背景，研究了纠偏过程中桩周土体变形规律，并提出了控制周围建筑变形的工程措施。赵春风等[5]通过室内模型试验研究了砂土场地水平荷载和弯矩作用下单桩的竖向承载特性，发现水平荷载的增大会导致单桩沉降的增大和竖向承载力的降低。竺明星等[6-7]将Boussinesq改进解与局部塑性变形理论结合，推导了邻近堆载作用下群桩桩身被动荷载和剩余水平附加应力分布计算公式，并基于压力法采用Laplace正逆变化建立被动桩桩身响应的传递矩阵解。冯昌明等[8]基于半无限弹性体中的Boussinesq解给出矩形荷载作用下土体自由场的应力及位移，运用有限差分法，通过Mindlin解将自由场与主动桩的分析方法结合，给出被动桩求解方法。张浩等[9]基于Boussinesq弹性理论，结合土体绕桩极限模型推导了桩身被动荷载计算公式，并考虑地基土体塑性屈服和桩顶竖向荷载的影响，基于三参数Winkler弹性地基梁模型，推导了堆载作用下桩基被动受力特性的半解析解。王军等[10]以一高速铁路特大桥桩侧堆载为工程背景，建立桩-土相互作用有限元模型，研究不同堆载等级和堆载距离下桩侧摩阻力和桩身轴力的分布规律以及桩基变形规律。杨生等[11]采用有限差分法分析单排、双排隔离桩用来控制软土地基中侧向堆载引起铁路路基发生侧向位移的特性。

现场试验机会难得，工况单一，而室内模型试验可研究不同因素作用下群桩变形特性，易于探究规律。采用室内模型试验对邻近堆载作用下群桩变形特性的研究相对较少，本文结合工程实际中的高速铁路桥梁基础，根据相似比理论进行正常工作状态下群桩在邻近堆载作用下变形特性的室内模型试验。

1 模型试验

1.1 试验材料参数

试验砂土取自一高速铁路沿线，将砂土晾晒后过筛，筛网孔径0.6 mm。通过击实试验进行相对密实度标定，将试验砂土以每层130 mm厚填入模型槽中，分层进行击实至预定的密实度，并对土样进行土工试验。试验砂土物理力学参数见表1。

表1 试验砂土物理力学参数

筛析法测得该砂土土样的不均匀系数Cu=2.16，曲率系数Cc=0.90，级配不良。静置3 d后对填筑的土样进行了小型静力触探试验（图1）。可知，0～1 m深度内，侧壁摩阻力近似呈线性增加，说明砂土填筑效果良好。

图1 砂土填筑静力触探试验结果

采用有机玻璃薄壁管桩模拟刚性群桩，桩长l为500 mm，入土深度490 mm，外径d为20 mm，内径d1为14 mm，壁厚ξ为3 mm，其静弹性模量约为2.7 GPa，模型桩长径比l/d为25。为消除应变片导线的拖拽影响，将管桩沿中心线切开，在管内壁对称粘贴应变片，并用705硅橡胶对应变片进行密封。将贴完应变片的管桩放置通风处风干，在管桩上部开直径5 mm的小孔将连接好的导线引出，用401胶水对管桩进行粘合并将管底封口。将管桩与承台用胶水粘贴成3×3的群桩，桩间距为3d=60 mm。

1.2 试验装置

土工试验模型槽为直径1.2 m，高1.2 m的圆筒。采用西安康拓力仪器设备有限公司生产的高精度标准加载架（KTL‐LDF）作为竖向加载设备，其最大施加压力为10 kN，上下位移量程为100 mm，可实现压、拔和压拔循环位移控制和应力控制加载。采用2根长度为1.35 m的I12工字钢作为加载反力架，通过螺栓将加载架固定在工字钢梁跨中，工字钢两端通过螺栓固定在模型槽边界。

利用实验室现有30 cm（长）×8 cm（宽）的混凝土块作为侧向堆载重物，单块质量约为7 250 g。采用分级堆载，每级荷载相同，共有6级，每级荷载维持5 min。其侧向堆载形式通过定制的堆载板进行控制，以堆载边界距前排桩边界作为堆载距离控制值S，堆载距离利用钢尺进行量测。

模型试验布置见图2。其中，B为堆载宽度。测量桩身两侧拉压应变，通过换算可得桩身附加弯矩、轴力、桩端阻力；沿深度方向在土中布设土压力计，可测量土体水平附加应力。每根模型桩上布置5个断面，两侧对称布置应变片，采用半桥连接方式。土压力计量程为200 kPa，内部采用全桥连接方式。用胶水将土压力计粘贴在靠近堆载一侧的模型桩上，其受压面须保证竖直。使用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3818N‐2静态应变采集仪测量并读取应变。

图2 模型试验布置（单位：mm）

1.3 试验方案

研究对象为正常工作状态下的群桩基础，前期须通过试桩确定竖向抗压极限承载力。采用慢速维持荷载法，加载采用分级方式，每级施加0.4 kN。本次试验采用的竖向加载设备可实时显示加载力及加载位移，每隔1 min导出桩顶位移。当桩基沉降速率小于0.002 mm/min时认为群桩沉降达到相对稳定状态，可施加下一级荷载。当桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍时停止加载。

图3 群桩荷载-沉降曲线

群桩荷载（Q）-沉降（s）曲线见图3。其中，Δs为本级累计沉降量与上一级累计沉降量的差值，ΔQ为单级荷载，即0.4 kN。可知，Q-s曲线趋势平缓，须结合Q-Δs/ΔQ曲线共同确定极限承载力Qu。取Q-Δs/ΔQ曲线陡降处对应的荷载作为极限承载力，其值为5.6 kN，此时s/d=14%。工程设计中常取Qu/2作为桩基承载力设计值。本次试验主要研究邻近堆载作用对既有高速铁路桥梁群桩基础变形的影响，桩基上部承受竖向荷载，因此模型试样制备填筑完成后分级施加荷载至2.8 kN，待沉降达到稳定时记录桩身应变作为初始状态。

为研究堆载等级、堆载距离、堆载方式对桩基变形特性的影响，设计了5组试验工况（表1），并记录堆载量、堆载工况、堆载时间。

表2 试验工况设计

2 试验结果分析

2.1 堆载等级

选择工况1研究不同堆载等级对桩基产生的影响。不同堆载等级下3号桩的附加弯矩、附加轴力、水平附加应力变化曲线见图4。规定桩身附加弯矩以靠近堆载一侧桩基受压为正，附加轴力以堆载作用引起轴力增加为正。

由图4（a）可知：①3号桩桩身最大附加负弯矩发生在中部（1/2桩长处），最大附加正弯矩发生在上部（1/10桩长处）。原因是3号桩距离堆载最近，上部土体所受附加应力最大，桩基上部在受到被动土压力的作用下产生最大附加正弯矩。受桩顶竖向荷载及承台的作用，桩基中部产生附加负弯矩。②桩基附加弯矩随着堆载等级的提高近似呈线性增长，说明此时桩基处于弹性工作状态，未发生塑性变形。

由图4（b）可知：①随堆载等级的提高，桩身附加轴力呈增大趋势，曲线分布形式基本类似。②桩身5 cm处，即1/10桩长处附加轴力基本为0，说明桩基上部在堆载作用下轴力基本不发生变化；③沿桩身向下附加轴力先增大，在桩基25 cm处（1/2桩长）达到最大值，然后随着深度增加，附加轴力变化逐渐减小。

图4 不同堆载等级下3号桩附加弯矩、附加轴力、水平附加应力变化曲线

由图4（c）可知：①水平附加应力与堆载荷载线性相关，其随堆载等级增加而增大。②随着深度的增加，水平附加应力呈减小趋势。③最大水平附加应力发生在5 cm深度处，25 cm深度以下变化较小，可认为堆载产生的水平附加应力主要作用在1/2桩长范围内。

2.2 不同位置处桩基变化特性

工况1条件下前、中、后排桩的附加弯矩与附加轴力变化曲线见图5。

图5 工况1下前、中、后排桩的附加弯矩与附加轴力变化曲线

由图5可知：

1）在堆载作用下不同位置处的桩基附加弯矩、附加轴力变化差别显著。中间桩（1，2，3号桩）的附加弯矩变化量大于对应边桩（4，5，6号桩）。

2）前排桩（3，6号桩）附加弯矩最大，中排桩（2，5号桩）产生的附加弯矩小于前排桩且减小趋势明显，后排桩（1，4号桩）变化量较小。主要原因是地基土产生侧向水平变形，前排桩受到挤压后产生挠曲变形，由于“遮拦”效应的影响，中排桩桩周土变形量减小；由于桩间距为3d，中排桩距离堆载较远，所受水平附加应力小于前排桩。

3）堆载作用下各位置的桩基轴力均增加，变化量为前排桩>中排桩>后排桩，边桩大于中间桩，与弯矩变化趋势相反。前排桩桩身5 cm处轴力基本无变化，而中、后排桩呈增大趋势，其轴力变化最大值点位置随着距堆载板距离的增加而下移。

2.3 堆载距离

以前排桩为对象，选取堆载板尺寸相同而堆载距离不同的工况1—工况3，对桩身附加弯矩变化进行对比分析，见图6。可知：①当堆载距离为20，16和12 cm时，3号桩桩身最大附加正弯矩分别为7.2，8.0和10.2 N·mm，桩身最大附加负弯矩分别为-2.3，-3.3和-5.3 N·mm。②堆载距离从20 cm减小至16 cm时最大正弯矩增大了11.1%，堆载距离从16 cm减小至12 cm时最大正弯矩增大了27.5%。说明堆载距离越小，桩身附加弯矩增长幅度越大。6号桩附加弯矩变化趋势与3号桩相似，但变化量小于3号桩。

图6 不同堆载距离下前排桩附加弯矩变化曲线

2.4 堆载形式

堆载距离为12 cm时，6级加载完成后不同堆载形式下前排桩附加弯矩变化曲线见图7。

图7 不同堆载形式下前排桩附加弯矩变化曲线

由图7可知：①不同堆载形式下，桩身附加弯矩变化趋势相似；②同等级别荷载作用下，堆载宽度不变，随着堆载长度增加，桩身附加弯矩减小；③堆载长度不变，随着堆载宽度增加，桩基上半部分附加弯矩减小，而下半部分附加弯矩增大。

3 结论

1）邻近堆载作用下群桩基础会产生附加弯矩，桩身发生挠曲变形，则轴力增加，承载性能发生改变。桩身附加弯矩、附加轴力均随堆载等级的提高而增大。

2）前排桩附加弯矩变化量最大，中排桩次之，后排桩最小，边桩变化量大于中间桩；前排桩桩身最大附加正弯矩发生在1/10桩长处，最大附加负弯矩发生在1/2桩长处；前排桩桩身1/10桩长处轴力基本不发生变化，1/2桩长处轴力变化最大，而中、后排桩轴力桩长范围内均呈现增大趋势，其轴力变化最大值点位置随着距堆载板距离的增加而下移；堆载产生的水平附加应力主要作用于浅层土体。

3）桩身附加弯矩随堆载距离的减小而增大，堆载距离越小，桩身附加弯矩增长幅度越大。同等级别荷载作用下，增大堆载长度与宽度可减小桩身附加弯矩。

本文室内模型试验地基土为砂土，对于黏性土等其他土类有必要研究土质条件对群桩变形的影响。