地下水降低对高速铁路桥梁群桩基础的影响

董 亮，苏永华，付 蕾，边学成,3

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.浙江大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310058；3.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058)

截止到2018年底，全国铁路营业里程已达13.1万多公里，其中高速铁路2.9万多公里，铁路桥梁运营里程超过2万公里，高铁桥梁已突破1.6万公里。为了满足高速铁路运行安全性和舒适性的要求，TB 10621—2009《高速铁路设计规范》对基础的工后沉降要求十分严格，要求无砟和有砟轨道墩台工后均匀沉降分别不超过20和30 mm[1]。但现行规范尚未系统考虑地下水变化对高铁桥梁桩基的影响。开通运营的大部分高速铁路桥梁桩基沉降控制十分有效，但局部地段整体沉降和差异沉降存在超标现象[2]，造成有的线路甚至限速至60 km·h-1运营。监测表明桩基沉降与地下水位下降有很强的关联性。

国内外关于地下水的研究主要集中在区域性地面沉降的影响方面，也主要侧重于地下水位在桩基长度范围内的变化，模拟试验研究方面仅考虑了单一地层，一般数值计算方法存在一定误差，从而难以全面揭示地下水位变化引起的地面沉降对高速铁路工程稳定性的影响，理论研究滞后于工程实践。

出现区域性地下水位下降时，原水位以下土体的有效应力增大，土体在附加应力作用下产生附加沉降[3]。当桩周土相对桩发生沉降时，桩侧会产生负摩阻力，受到下拉荷载(dragload)[4-6]作用的桩基也会产生相应的附加沉降(downdrag)[7]。实际监测结果表明下拉荷载可能会超过桩的承载力，或引起桩基稳定性问题[7]。

国内外学者针对桩基础下拉荷载和附加沉降已做过不少研究：传统的方法采用经验和近似公式，假定负摩阻力在桩中性点以上的部分完全激发而过高估计下拉荷载，而基于弹性理论的方法没有考虑桩—土间相对滑移，计算得到的下拉荷载偏大[5,7-8]，附加沉降也偏大[8-9]。已有研究表明，采用有限元分析时，考虑桩—土滑移作用，可以较准确地估计下拉荷载和附加沉降[5,8-10]。现有考虑桩—土滑移的桩基础研究主要集中在地表堆载工况下的下拉荷载和附加沉降变化规律。在单桩方面，通过有限元模拟或者实验室测试得出桩—土界面工况、土体压缩性和超载大小是主要影响因素[8-9,11]。在群桩方面，大面积堆载情况的下拉荷载和附加沉降的群桩效应也有充分的讨论研究。

地下水下降引起桩土相对沉降，导致桩基承受下拉荷载和发生附加沉降，然而目前对这方面的研究还比较少[12]，多集中在水位下降对单桩的影响[13-14]，对群桩基础研究相对较少，许多影响因素没有得到充分探讨[14-15]。地下水降低对群桩的影响与地表堆载一样，都是有效应力增加导致桩—土之间发生相对沉降产生下拉荷载和附加沉降，应采取三维非线性分析并考虑桩—土界面间滑移，才能更符合实际。基于国内外研究成果，本文采用Plaxis有限元软件建立模型，研究地下水位下降对高速铁路桥梁桩基群桩的影响。

1 有限元数值模拟方法验证

通过建立地下水—土—桩基础相互作用的三维实体有限元模型，分析地下水位下降对群桩的影响。为了验证建模方法的有效性，首先对文献[16]的离心机模型试验进行数值模拟分析。

1.1 离心机模型试验概况

该离心机模型尺寸比例系数N=50。由2个圆筒组成，1个筒高600 mm，直径400 mm，上层为450 mm粉质黏土，下层为50 mm厚砂土；另1个筒高600 mm，直径150 mm，装有空气和水，可调节空气压力，控制水流进出左侧圆筒。模型桩长为450 mm，直径20 mm。试验装置如图1所示。

图1 离心机试验装置示意图(单位：mm)

试验时首先取水库底部土进行固结试验，最大固结压力为117 kPa，固结完成后测得土的物理性质和桩—土间摩擦角，结果见表1。地基土固结完成后插入模型桩。随后离心机加速达到50g(g为重力加速度)，待达到90%以上的固结度后，水位从地表降低至地下6 m(后文均指原型)，并固结122天后又恢复初始水位。下文只讨论降水固结以前桩体的受力情况。

表1 土的基本物理性质

离心机试验中地基土发生了2次固结：分别是离心机加速到50g和地下水位降低6 m时。由于二次固结过程中桩基的负摩阻力均有发展，模拟时需考虑这2个阶段。本文采用“换土法”[17]模拟离心机加速到50g，首先设置土为换算重度(初始饱和重度)，然后在下一阶段将土容重变为实际容重，土体自重的有效应力增大，以模拟离心机加速过程带来的自重应力增加。

根据文献[16]中沉降公式计算结果和压缩试验，可反推得到地基土初始孔隙比e0=1.36和变形模量E。考虑到变形模量随深度的变化，可将地基土划分为5层，每层取平均变形模量，见表2。由桩—土界面摩擦角得桩—土界面的折减系数为0.77。

表2 模型中地基土与桩的变形模量和重度

1.2 模拟验证

针对该离心机试验，有限元模拟步骤如下。

Step1: 按照比例系数N=50，建立平面尺寸长20 m宽20 m、深度25 m的三维模型，潜水位于地表处。4个侧面限制法向位移，底部边界完全固定，上下表面排水。土体采用摩尔—库伦模型，桩单元采用embedded pile结构模型。地基土采用表2中的初始饱和重度，K0固结。

Step2： 插入桩单元，桩重度为表2中的初始重度。然后在下一阶段将地基土和桩的重度换为实际重度，进行固结分析，固结时间16天。

Step3: 进行固结分析，模拟土体在自重应力增量下的固结过程。根据文献[16]，设置2个阶段，时间分别为19天和34天。

Step4: 地下水位随时间均匀降低6 m，总时间15.5天。

Step5: 进行固结分析，设置时间为122天，模拟土体在降水后的固结过程。

离心机试验中，测量了自重固结和降水固结阶段的轴力，即对应数值模拟中Step3和Step5阶段结束时的轴力，2个阶段轴力差值(为降水固结引起的轴力变化)的模拟和试验结果如图2所示。在17.5 m深度位置，模拟相对于实测结果相差19.6%，桩端轴力相差14.7%。由于数值模拟未考虑成桩过程中桩身法向应力增大，导致侧摩阻力增大。结果表明模拟和实测结果的趋势相对一致。降水固结将产生800 kN左右的下拉荷载，对桩轴力的影响较大。

图2 模拟和试验结果对比

桩顶沉降和远端土的沉降结果见表3，桩顶沉降误差为2.5%，远端土体沉降误差15.5%，相对误差均在可接受范围。

表3 数值模拟和试验实测结果

不同阶段的桩身轴力曲线如图3所示，当离心机加速到50g时最大轴力达到690 kN。离心机加速后，土体在增加的自重应力下固结，负摩阻力继续发展，轴力不断增加，自重固结完成时最大轴力达973 kN。随后地下水位降低6 m，土体在新附加应力作用下发生固结，负摩阻力的发展导致轴力增大，当土体固结基本完成时轴力最大值为1 530 kN。仅由降水引起的轴力最大值增加57.2%，可见水位降低产生的下拉荷载效应显著。

图3 不同阶段桩身轴力曲线

通过以上对比分析可知，本文建立的数值模型分析过程能较好地模拟地下水位下降条件下桩基的受力和变形，可用于进一步分析地下水位降低对桩基受力和沉降变形的影响。

2 地下水—土—桩基础三维实体有限元分析模型

某高铁特大桥全线基础采用钻孔灌注桩。桩基础为群桩基础，承台下有10根桩，C30混凝土，桩径1 m，桩长49 m，桩间距2.8 m，承台尺寸为10.4 m×7.2 m×3 m，C30混凝土，承台与桩基布置如图4所示。

图4 群桩承台与桩基布置平面图(单位：m)

根据实际工况对桥梁群桩基础建立有限元模型。

(1)桩长49 m，为消除模型边界的影响，模型侧向宽度要大于1.2倍桩长，即大于60 m；由对称性取群桩一半，可取侧向宽度为40 m，沿着线路方向取两个桥墩间距32 m，平面尺寸为32 m×40 m；竖直方向深度比桩长度大30R[18](R为桩的半径)，结合土层情况，取12层土，共72 m深，如图5所示。

(2)4个竖直侧面，水平位移设置为0，竖直方向允许自由变形，底面边界固支。

(3)同时建立桩长为35，40和55 m的群桩模型，对比水位下降幅度对不同长度桩基的影响。

根据已有资料，模型单元选取如下。

(1)土体选取摩尔—库伦模型，所需参数较少，可方便测得并可满足工程的精度要求，土体参数取值见表4，桩—土间界面折减系数取0.8；

图5 模型尺寸、网格划分和群桩侧视图(单位：m)

(2)承台和桩基础均采用线弹性材料模拟，其材料物理性能参数见表5；

(3)桩采用embedded pile模拟，摩阻力设置为土层相关，与上部承台刚接。Embedded pile是由梁单元构成，在桩身和桩端嵌入了界面单元，可以模拟桩土之间的相互作用，其力学模型如图6所示，embedded pile的梁单元受到空间中两两垂直的3个应力作用，分别为垂直于梁单元轴线的应力σn和σt，平行于轴线的剪应力τs。它们与对应方向的刚度Kn，Kt和轴线刚度Ks，满足以下关系

(1)

式中：U为位移；下标Z代表桩、T代表土；n，t，s表示3个空间方向。

表4 土体基本物理性质参数

表5 承台和桩基础物理性能参数

图6 embedded pile力学模型

垂向应力σn和σt一直保持弹性状态，而剪应力τs小于桩—土间最大剪应力τsmax时为弹性状态，否则到达塑性状态，如图7所示。图中，ΔU和ΔUcrit分别为位移增量和临界位移增量。Embedded pile通过此特殊界面单元以考虑桩—土间滑移作用。

图7 桩—土界面剪应力

(4)上部结构的自重采用恒荷载模拟，以均布荷载形式作用在承台顶面。

初始水位即上部荷载加载完成时地下水水位，为地表下0.8 m。

3 地下水降低对高速铁路桥梁群桩基础的影响

3.1 考虑静力荷载作用下地下水位下降的影响

为探究水位下降幅度对桩基的影响，设置地下水水位下降幅度为2，4，6，8和10 m，共5种工况，下降速率均为2 m·a-1，水位随时间呈线性下降。

3.1.1 桩顶沉降

图8给出了地下水水位下降不同幅值(2，4，6，8和10 m)时不同桩长群桩产生的附加沉降。地下水下降时不断增大的群桩沉降主要由2部分组成：下卧层压缩和下拉荷载产生的附加沉降。桩顶沉降与水位下降幅度近似呈线性变化，结果可用于水位下降引起的高铁群桩沉降预测。对于不同桩长的群桩，地下水下降相同幅度时，桩长越长，桩顶沉降越小，这是由于随着桩长加长，承载力提高，负摩阻力影响减小的缘故。

图8 不同水位下降幅值下不同桩长群桩的附加沉降

《高速铁路设计规范》规定无砟轨道墩台均匀沉降不超过20 mm，计算中该地区铁路沿线发生区域性地下水位下降、当水位下降超过4 m时，桩长为49 m的群桩墩台沉降超出规范限值，给高铁正常运行带来不良影响。

3.1.2 桩身轴力

当地下水下降速率为2 m·a-1时，不同水位下降幅值时中心桩a的轴力变化情况如图9—图12所示。由图9—图12可知：对于特定长度群桩，随着水位降低，中心桩a轴力整体增大，但增长幅度逐渐减小，这与单桩在地下水下降情况下的变化规律一致[14]。但群桩桩顶轴力在水位下降6 m前后变化很大，说明当水位下降过多时，在中桩桩顶附近下拉荷载为附加拉应力，导致桩顶轴力减小，这与堆载下带刚性承台群桩中心桩桩顶轴力变化情况[19]一致。对桩和承台的连接提出了更高的要求。

水位下降时，下拉荷载引起的轴力显著增大，如49 m群桩a桩，当水位下降10 m时，最大轴力增大约236%，附加沉降是最主要的控制因素 。对于不同桩长的群桩，当地下水下降10 m时，中心桩的轴力增大比例的范围为236%～253%。

当地下水下降时，桩周土受到附加应力发生沉降，桩表面产生负摩阻力。由于桩周土受到桩的向上作用，相比于群桩外部的土沉降较小，导致不同位置的桩基的受力情况不同。图13和图14给出了不同长度群桩基础中不同位置桩身轴力。由图13和图14可见：群桩中桩的位置不同，桩的轴力差异较大。在初始水位时，a桩桩顶轴力最小，c桩桩顶轴力最大，且桩长越长差异越大，如49 m群桩c桩和a桩桩顶轴力比值为3.1，35 m群桩相应的比值则为2.1。地下水下降后，群桩中心处桩顶荷载增大幅度较大，最外层角桩桩顶轴力变化不明显，桩顶荷载的变化改变承台的应力状态，在承台设计时应考虑地下水下降产生的影响。

图9 不同水位下降幅值下桩长为55 m群桩中心桩a轴力

图10 不同水位下降幅值下桩长为49 m群桩中心桩a轴力

图11 不同水位下降幅值下桩长为40 m群桩中心桩a轴力

图12 不同水位下降幅值下桩长为35 m群桩中心桩a轴力

图13 49 m群桩不同位置桩身轴力变化图

图14 35 m群桩不同位置桩身轴力变化图

地下水位下降导致不同位置桩的最大轴力差别增大：地下水位下降前后，49 m群桩的角桩和中桩最大轴力差值分别为710和1 460 kN。可见，在水位不变情况下，群桩桩基可统一设计桩长，但在地下水引起的区域性沉降区，桥梁群桩设计时应考虑桩长的影响。

3.1.3 地表沉降

图15和图16给出了地下水下降速率为2 m·a-1、不同地下水下降幅度时的地表沉降。图中当距离小于5.2 m时，取承台下的土体沉降，大于5.2 m时，取地表土沉降。由图15和图16可见：对于同一群桩，地下水位下降前，地表沉降随地表与群桩中心的间距增大而减小；水位下降，地表沉降增加，但远离群桩中心的地面沉降增加更大。在初始水位时，地基土发生附加沉降，距离群桩中心越远，应力扩散衰减，地表沉降逐渐减小，接近模型边界时几乎不发生沉降，也说明模型尺寸符合要求。当地下水位下降时，地表均发生附加沉降，由于桩基础向上的反作用，靠近群桩的地基发生附加沉降比距离较远的地基沉降小，且桩长越长差异越显著。结果表明对于49和35 m群桩，在距离群桩中心30 m以外，沉降变化率小于最大沉降的2%，几乎不受群桩影响。

图15 49 m桩地表沉降随地下水变化

图16 35 m桩地表沉降随地下水变化

3.2 考虑列车荷载作用下地下水位下降的影响

上述计算均只考虑桩基础上部的结构静载，未考虑高速列车的动荷载效应，实际上列车动荷载将导致桩的沉降和轴力增大。根据高铁规范[1]规定，在桥涵结构设计时，将列车的竖向静活载作用等效采用ZK活载计算，并采用动力系数考虑动力作用。ZK活载如图17所示，在设计加载时可任意截取，求取结构最大内力。本文的桥梁跨度为高铁桥梁标准跨度32 m，可计算得到单个基础受到最大荷载为2 411 kN，由于基础计算不考虑动力作用，即由列车产生的荷载为2 411 kN。

图17 ZK荷载图式(单位：m)

图18给出了在结构自重和在附加了ZK荷载时，49 m群桩的a桩轴力。由图18可见：施加ZK活载后的最大轴力比结构自重荷载作用下增大8%～14.5%，而轴力增大比例随着水位降低幅度增大而减小，水位降低2 m时，轴力最大值增加约9.3%，水位降低8 m后，轴力最大值仅增加4.8%，结果表明列车荷载作用使桩的轴力增大，群桩处于更不安全状态。

图18 ZK荷载作用下轴力变化

3.3 初始水位的影响

前文模型中初始水位取实际工程的潜水位，地下0.8 m。地下水下降时，附加应力在初始水位线以下产生，下降相同的幅度，初始水位越低，附加应力作用范围越小，相应对地基土和桩基础影响越小。水位下降导致基础产生过大附加沉降，超过规范要求的沉降限值。仍以前述特大桥群桩基础模型(桩长49 m)，考虑列车荷载作用，探究不同初始水位下满足不同沉降要求的水位下降幅度限值，结果如图19所示。随着初始水位深度加大，对水位下降幅度的要求减弱，初始水位深度和允许下降幅度近似呈线性关系。结果表明，为满足高速列车工后沉降要求，必须控制地下水下降幅度在一定范围之内，否则将影响高铁正常通行。

图19 水位下降幅度限值

4 结 论

(1)地下水位降低将导致桩基沉降。随着地下水位下幅值增大，桩基沉降呈减小趋势，当水位变化幅度在较小范围内，水位下降幅度和桩基附加沉降呈线性关系。

(2)随着地下水位下降，桩身轴力显著增大。对于49 m群桩，地下水下降10 m后，中心桩最大轴力增大约236%，此时桩虽未破坏，但安全系数急剧下降。

(3)地下水位下降导致地表产生沉降，随着与群桩中心距离的增加，地表沉降增量变大。

(4)群桩中不同位置处桩基的受力特性和对地下水位下降的敏感性相差较大，且影响承台的受力，建议区域性沉降区桩基设计时应考虑地下水位下降的影响。

(5)初始水位深度不同，下降同样幅值对群桩的影响不同，初始水位越深，影响越小。满足某一沉降限值的水位下降最大幅度与初始水位有关。

(6)列车荷载作用使桩的轴力增大，考虑列车荷载作用下地下水位下降引起轴力增大比例随着水位降低幅度增大而减小。