鐵路橋梁根式挖井基礎橋墩的水平承載特性研究

李濤 陳興沖 王義 魯錦華 張熙胤 丁明波

摘要：根式基礎作為一種新型變截面結構形式，已被證明對于提高沉井基礎與樁基礎的豎向及橫向承載力有明顯影響，但其對挖井基礎抗震性能的改善作用尚不明確。為明確根鍵對挖井基礎橋墩承載力特征的影響，對一鐵路根式挖井基礎橋墩進行擬靜力試驗，研究其滯回曲線與骨架曲線特性，通過建立符合試驗的有限元模型，討論不同根鍵參數對挖井基礎橋墩耗能能力及承載力的影響。結果表明根鍵的存在充分帶動了周圍土體的參與度，可大大提高挖井基礎橋墩的承載力，且隨著墩頂位移荷載的增加承載力呈非線性增加。試驗及數值模擬均表明：根式挖井基礎的破壞主要是由基礎周圍的土體失效引起的，基礎自身并未發生損壞;增加根鍵的長度可以明顯提高根式挖井基礎橋墩的承載能力與耗能能力;當根鍵之間的間距大于根鍵自身寬度時，增寬根鍵可明顯提高根式挖井基礎橋墩的承載能力與耗能能力，而當根鍵的間距小于自身寬度時，加寬根鍵對承載力的影響不明顯;增加根鍵的數量能明顯提高根式挖井基礎橋墩的承載力;在基礎底部布置根鍵的效果并不弱于在側壁布置，且根鍵布置在側壁時不宜靠近土體表面。研究成果可為根式挖井基礎在我國鐵路橋梁中的應用提供科學依據。

關鍵詞：根式挖井基礎; 橋墩; 承載力特征; 擬靜力試驗; 參數分析

中圖分類號： U442????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）01-0174-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220808001

Horizontal bearing characteristics of the railway bridge piers on root-digging well foundations

Abstract：?As a novel variable section foundation， a root foundation can increase the vertical and horizontal bearing capacities of the caisson and pile foundations; however， its effect on the seismic performance of a digging well foundation remains unclear. To clarify the influence of roots on the bearing capacity characteristics of a pier on a digging well foundation， a pseudostatic test was conducted on a railway pier on a root-digging well foundation to examine the characteristics of its hysteretic and skeleton curves. By establishing a finite element model for use in this test， the influence of different root parameters on the energy dissipation capacity and bearing capacity of the pier was discussed. The results show that roots can improve the bearing capacity of the pier on the digging well foundation by fully promoting the participation of the surrounding soil， and the bearing capacity increases nonlinearly with displacement load on the pier top. Test and numerical simulation show that the damage to the root-digging well foundation is mainly caused by the failure of the soil around the foundation; however， the foundation is not damaged. The increase in the length of roots evidently improves the bearing capacity and energy consumption of the pier on the root-digging well foundation. Only when the spacing between the roots is greater than the root width does widening the roots obviously improve the bearing capacity and energy consumption of the pier. Increasing the number of roots obviously improves the bearing capacity of the pier. The effect of arranging roots at the bottom of the foundation is not weaker than that at the side wall， and the roots should not be near the soil surface when they are arranged at the side wall. The research results provide a scientific basis for the applications of root-digging well foundations in railway bridges in China.

Keywords：root-digging well foundation; pier; bearing capacity characteristics; pseudostatic test; parameter analysis

0 引言

我國鐵路橋梁數量多、分布廣，多使用混凝土重力式橋墩，且基礎多采用樁基或剛性基礎［1］。挖井基礎作為一種剛性基礎形式，憑借黃土壁立性強、無水條件下可簡化施工、低成本等先天優勢，在我國西北地區鐵路橋梁中得到了廣泛應用，如寶中鐵路就采用了上百個挖井基礎［2］;在侯月鐵路西段橋梁設計中，有29座橋梁94個墩臺采用了挖井基礎［3］。挖井基礎不僅被大量應用在黃土高原地區，在我國其他地區橋梁中也有較多應用，如青島至海陽的城際鐵路某高架橋就采用挖井基礎33個，占全橋基礎總數的近1/3。

盡管挖井基礎是一種具有良好承載力的剛性基礎，但在1999年臺灣省集集地震中，許多采用了挖井基礎的橋梁還是不可避免地出現了落梁或者橋墩的震害［4］。因此，如何改善挖井基礎的抗震性能成為橋梁抗震領域關注的問題。鑒于挖井基礎在地震作用下的破壞主要是由周圍土體的失效引起的，如何改善基礎與土的相互作用關系成為問題的關鍵。

根式基礎作為一種從仿生學演化而來的變截面基礎形式，通過在基礎周圍土體中植入根鍵來提高周圍土體的參與度，從而提高基礎整體的承載力［5］。不過，目前關于根式基礎的研究成果主要聚焦于根鍵結構對基礎靜承載力的影響上，如Dai等［6］開展了根式沉井基礎豎向承載力的雙向靜載試驗;Wang等［7］研究表明同直徑的根式沉井基礎承載力等方面要優于普通沉井基礎;賈曉敏［8］研究了不同參數對根式沉井基礎抗壓承載性的影響;王中明［9］基于試驗與數值模擬，得出相同基礎長度和直徑的根式樁基礎豎向極限承載力比普通樁基礎提高了23.75%～33.33%。此外，文獻［10-11］均針對根式基礎豎向承載力展開了研究。Luo等［12］推導了一種用于多層土中根式樁基礎的非線性沉降的計算辦法。對于受水平活循環荷載的沉井基礎，Gerolymos等［13］提出了一種用于計算基礎變位的非線性計算方法。文獻［14-15］針對水平荷載下的根式基礎進行了試驗研究。以上研究均表明，根鍵的植入使得沉井及樁基礎的豎向和水平向承載力有明顯改善，但根鍵是否能夠改善挖井基礎的抗震性能，尚不明確。

本研究擬通過對鐵路根式挖井基礎橋墩進行擬靜力推覆試驗，并建立有限元分析模型，系統研究鐵路根式挖井基礎橋墩的承載力特征，以及根鍵系數對挖井基礎橋墩抗震性能的影響，以期為根式挖井基礎在中國鐵路橋梁中的應用提供依據。

1 試驗概況

1.1 模型設計

以我國西北地區某鐵路橋梁挖井基礎橋墩為原型，采用1/8的縮尺模型在室內土工模型箱內進行擬靜力試驗。模型橋墩尺寸為：墩高174 cm，截面尺寸56 cm（長）×34 cm（寬），挖井基礎尺寸為88 cm（長）×66 cm（寬）×44 cm（高）。試驗制作了1個根式挖井基礎橋墩模型（圖1）。為盡可能降低模型箱的邊界效應，試驗前在模型箱體內壁四周鋪設了一圈柔性材料。試驗采用先夯實填埋土體，后人工開挖基坑至設計深度，再將鋼筋籠放入基坑并澆筑基礎和橋墩混凝土的次序進行，盡可能還原真實的施工過程。試驗橋墩模型配筋率為0.38%，縱筋與箍筋分別使用HRB335及HPB235鋼筋，模型配筋及鋼筋直徑如圖2所示。根鍵尺寸為65 cm（長）×15 cm（寬）×0.4 cm（厚），為防止試驗過程中鋼板發生屈曲，在鋼板中央沿長度方向焊接一根直徑為16 mm的鋼筋，以加強鋼板的剛度。試驗混凝土均采用C30混凝土進行澆筑，混凝土實測抗壓強度平均值為30.2 MPa。

1.2 試驗裝置與加載裝置

試驗中使用了電液伺服加載控制系統，該系統主要由橫向加載系統、豎向加載系統及數據采集和控制系統構成。橫向加載裝置由最大加載能力±300 kN、最大位移行程±200 mm的水平液壓伺服千斤頂和反力墻組成。豎向加載裝置由精軋螺紋鋼、加力架、壓力傳感器及緊固螺栓組成，兩根精軋螺紋鋼上端連接于水平加力架上，下端通過緊固螺栓對稱施加豎向力，豎向力通過兩個壓力傳感器實時監測。加載裝置如圖 3所示。

試驗加載采用位移控制，在2～12 mm間以2 mm為加載差級，15 mm后以5 mm為加載差級，至50 mm位移荷載時停止。每級加載荷載往復循環3次。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞現象

試驗過程中，當墩頂位移達到6 mm時，加載方向基礎側面與土體之間產生輕微裂縫，說明在位移荷載到達6 mm之前，土體仍處于彈性狀態。隨著加載位移的逐漸增大，土體裂縫不斷向兩側擴展。試驗結束后，在垂直于加載方向及加載方向的土體表面均出現了多條明顯可見且深度相當的裂縫（圖4）。

試驗結束后開挖基礎并檢查其破壞情況，發現基礎自身并未破壞，但基礎側壁與土體發生了分離，間隙達到5.5 mm，同時基礎底面也發生了抬升現象，基底抬升約2.5 mm。在試驗結束后將模型整體挖出檢查，發現模型基礎及橋墩自身并未發生破壞（圖5）。

2.2 滯回曲線與骨架曲線

采用電液伺服式加載系統記錄加載過程中模型加載力與加載位移的變化情況，墩頂力-位移滯回曲線如圖6（a）所示?？梢钥闯?，在加載初始階段模型橋墩基本處于彈性狀態;由于荷載位移的不斷增大，模型土體表面產生了裂縫，基礎與土體間出現了分離與抬升，基礎周圍土體的非線性增強，滯回環上出現明顯的捏縮現象。

墩頂力-位移骨架曲線如圖6（b）所示。通過對骨架曲線進行分析，發現加載初期，模型的墩頂力與位移關系基本表現為線性關系，骨架曲線近似呈直線，可認為此時模型處于彈性階段（OA段）;由于加載位移的增大，結構進入彈塑性階段，此時基礎周圍土體被擠壓逐漸破壞，土的支撐性開始降低，即骨架曲線的斜率隨之降低（AB 段）;隨著加載繼續，此時模型結構在較大的墩頂位移變化下產生較小的水平抗力，結構的剛度減?。˙C 段）。

3 數值模擬

3.1 有限元模型

采用商業有限元軟件ABAQUS/CAE對本文提出的根式挖井基礎橋墩進行模擬，使用桁架單元（T3D2）對鋼筋進行模擬，其余構件均使用C3D8R實體單元。根鍵在土中的位置通過切削指令挖出孔洞，相互關系使用接觸定義。通過定義材料參數，并施加與試驗相對應的荷載，可以獲得基本符合試驗的數值計算結果。根式挖井基礎橋墩部件及其在土中的形式如圖7所示。

定義一個設置在模型墩頂上的參考點RP-1，并通過ABAQUS中自帶的耦合連接與頂面耦合。由此，施加在該參考點上的所有荷載等同于施加在整個模型頂面，可有效避免產生應力集中現象，并使計算結果更好地收斂。設置相互作用時以剛度相對較大的挖井基礎以及根鍵作為主表面，周圍的土面作為從表面。部件與土體的接觸，在法向采用硬接觸，切向則采用“罰”接觸。

根據試驗現場實際情況設置相應的邊界條件，例如，當面的法向為X方向時，設置這一對稱面在X方向約束，其他面同理。這樣設置使得地基土側面符合試驗現場實際情形的邊界條件。于參考點RP-1施加0～50 mm的墩頂循環位移荷載，加載幅值與試驗相同。

3.2 數值模擬結果與試驗結果對比

橋墩模型的擬靜力試驗數據與有限元模擬結果對比如圖8所示。

從圖8可以看出，數值模擬滯回曲線的承載力、滯回環的形狀，以及骨架曲線的斜率、峰值基本與試驗所得滯回曲線與骨架曲線吻合。這表明該模型可較好地模擬根式挖井基礎橋墩在循環往復荷載下的受力情況，有限元模型計算與實際試驗基本吻合。

3.3 參數分析

為進一步研究根鍵參數對鐵路根式挖井基礎橋墩抗震性能的影響，通過調整鋼板根鍵的長度、鋼板厚度與寬度，以及根鍵的布置形式，共設計9種工況。各工況下根鍵均布置在橋墩基礎順橋向，設計參數列于表1。

工況8、工況9布置形式見圖9。工況1～7下根鍵布置形式與模型橋墩一致，且根鍵中心軸位置不變。

不同根鍵參數對橋墩滯回曲線與骨架曲線的影響分別見圖10、11。

從圖10、11可以看出：增大鋼板根鍵的長度可以明顯提高橋墩的承載能力;根鍵寬度的改變伴隨間距的變化，對橋墩承載能力的影響較為復雜，初步認為在間距大于寬度時增加寬度可有效增加橋墩的承載力，而當間距小于根鍵寬度時，增大根鍵寬度對承載力的影響并不明顯，但增大寬度后橋墩滯回曲線呈現出捏縮減小的現象，說明增大根鍵寬度可提高橋墩的耗能能力;增加根鍵的數量可顯著提高橋墩的承載能力;在基礎底部布置根鍵的效果并不弱于在側壁布置，且根鍵布置在側壁時，在位移較大的情況下橋墩的承載力降低，推測是由于根鍵靠近土體表層，導致上層土失效所致，因此在側壁布置根鍵時應注意根鍵的埋入深度，不宜靠近土體表面。

4 結論

本文采用擬靜力試驗和數值模擬方法深入研究了鐵路根式挖井基礎橋墩的抗震性能，得到以下主要結論：

（1） 根鍵的植入充分提高了基礎周圍土體的參與度，可明顯改善根式挖井基礎橋墩的水平承載能力，且隨著荷載增加承載力呈非線性增加。

（2） 增加根鍵的長度明顯帶動了基礎周圍更多土體參與工作，使根式挖井基礎橋墩的承載力得到明顯提高。

（3） 改變根鍵寬度導致根鍵間隙的改變，其對于根式挖井基礎橋墩承載能力的影響較為復雜，初步認為當根鍵間隙大于根鍵寬度時，增加根鍵寬度可提高根式挖井基礎橋墩的承載能力。

（4） 增加根鍵的數量可顯著提高根式挖井基礎橋墩的承載能力，在基礎底部布置根鍵的效果并不弱于在側壁布置，且側壁布置根鍵時應注意根鍵的埋入深度，不宜靠近土體表面。

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