铁路桥梁根式挖井基础桥墩的水平承载特性研究

李涛 陈兴冲 王义 鲁锦华 张熙胤 丁明波

摘要：根式基礎作为一种新型变截面结构形式，已被证明对于提高沉井基础与桩基础的竖向及横向承载力有明显影响，但其对挖井基础抗震性能的改善作用尚不明确。为明确根键对挖井基础桥墩承载力特征的影响，对一铁路根式挖井基础桥墩进行拟静力试验，研究其滞回曲线与骨架曲线特性，通过建立符合试验的有限元模型，讨论不同根键参数对挖井基础桥墩耗能能力及承载力的影响。结果表明根键的存在充分带动了周围土体的参与度，可大大提高挖井基础桥墩的承载力，且随着墩顶位移荷载的增加承载力呈非线性增加。试验及数值模拟均表明：根式挖井基础的破坏主要是由基础周围的土体失效引起的，基础自身并未发生损坏;增加根键的长度可以明显提高根式挖井基础桥墩的承载能力与耗能能力;当根键之间的间距大于根键自身宽度时，增宽根键可明显提高根式挖井基础桥墩的承载能力与耗能能力，而当根键的间距小于自身宽度时，加宽根键对承载力的影响不明显;增加根键的数量能明显提高根式挖井基础桥墩的承载力;在基础底部布置根键的效果并不弱于在侧壁布置，且根键布置在侧壁时不宜靠近土体表面。研究成果可为根式挖井基础在我国铁路桥梁中的应用提供科学依据。

关键词：根式挖井基础; 桥墩; 承载力特征; 拟静力试验; 参数分析

中图分类号： U442      文献标志码：A   文章编号： 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

我国铁路桥梁数量多、分布广，多使用混凝土重力式桥墩，且基础多采用桩基或刚性基础［1］。挖井基础作为一种刚性基础形式，凭借黄土壁立性强、无水条件下可简化施工、低成本等先天优势，在我国西北地区铁路桥梁中得到了广泛应用，如宝中铁路就采用了上百个挖井基础［2］;在侯月铁路西段桥梁设计中，有29座桥梁94个墩台采用了挖井基础［3］。挖井基础不仅被大量应用在黄土高原地区，在我国其他地区桥梁中也有较多应用，如青岛至海阳的城际铁路某高架桥就采用挖井基础33个，占全桥基础总数的近1/3。

尽管挖井基础是一种具有良好承载力的刚性基础，但在1999年台湾省集集地震中，许多采用了挖井基础的桥梁还是不可避免地出现了落梁或者桥墩的震害［4］。因此，如何改善挖井基础的抗震性能成为桥梁抗震领域关注的问题。鉴于挖井基础在地震作用下的破坏主要是由周围土体的失效引起的，如何改善基础与土的相互作用关系成为问题的关键。

根式基础作为一种从仿生学演化而来的变截面基础形式，通过在基础周围土体中植入根键来提高周围土体的参与度，从而提高基础整体的承载力［5］。不过，目前关于根式基础的研究成果主要聚焦于根键结构对基础静承载力的影响上，如Dai等［6］开展了根式沉井基础竖向承载力的双向静载试验;Wang等［7］研究表明同直径的根式沉井基础承载力等方面要优于普通沉井基础;贾晓敏［8］研究了不同参数对根式沉井基础抗压承载性的影响;王中明［9］基于试验与数值模拟，得出相同基础长度和直径的根式桩基础竖向极限承载力比普通桩基础提高了23.75%～33.33%。此外，文献［10-11］均针对根式基础竖向承载力展开了研究。Luo等［12］推导了一种用于多层土中根式桩基础的非线性沉降的计算办法。对于受水平活循环荷载的沉井基础，Gerolymos等［13］提出了一種用于计算基础变位的非线性计算方法。文献［14-15］针对水平荷载下的根式基础进行了试验研究。以上研究均表明，根键的植入使得沉井及桩基础的竖向和水平向承载力有明显改善，但根键是否能够改善挖井基础的抗震性能，尚不明确。

本研究拟通过对铁路根式挖井基础桥墩进行拟静力推覆试验，并建立有限元分析模型，系统研究铁路根式挖井基础桥墩的承载力特征，以及根键系数对挖井基础桥墩抗震性能的影响，以期为根式挖井基础在中国铁路桥梁中的应用提供依据。

1 试验概况

1.1 模型设计

以我国西北地区某铁路桥梁挖井基础桥墩为原型，采用1/8的缩尺模型在室内土工模型箱内进行拟静力试验。模型桥墩尺寸为：墩高174 cm，截面尺寸56 cm（长）×34 cm（宽），挖井基础尺寸为88 cm（长）×66 cm（宽）×44 cm（高）。试验制作了1个根式挖井基础桥墩模型（图1）。为尽可能降低模型箱的边界效应，试验前在模型箱体内壁四周铺设了一圈柔性材料。试验采用先夯实填埋土体，后人工开挖基坑至设计深度，再将钢筋笼放入基坑并浇筑基础和桥墩混凝土的次序进行，尽可能还原真实的施工过程。试验桥墩模型配筋率为0.38%，纵筋与箍筋分别使用HRB335及HPB235钢筋，模型配筋及钢筋直径如图2所示。根键尺寸为65 cm（长）×15 cm（宽）×0.4 cm（厚），为防止试验过程中钢板发生屈曲，在钢板中央沿长度方向焊接一根直径为16 mm的钢筋，以加强钢板的刚度。试验混凝土均采用C30混凝土进行浇筑，混凝土实测抗压强度平均值为30.2 MPa。

1.2 试验装置与加载装置

试验中使用了电液伺服加载控制系统，该系统主要由横向加载系统、竖向加载系统及数据采集和控制系统构成。横向加载装置由最大加载能力±300 kN、最大位移行程±200 mm的水平液压伺服千斤顶和反力墙组成。竖向加载装置由精轧螺纹钢、加力架、压力传感器及紧固螺栓组成，两根精轧螺纹钢上端连接于水平加力架上，下端通过紧固螺栓对称施加竖向力，竖向力通过两个压力传感器实时监测。加载装置如图 3所示。

试验加载采用位移控制，在2～12 mm间以2 mm为加载差级，15 mm后以5 mm为加载差级，至50 mm位移荷载时停止。每级加载荷载往复循环3次。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏现象

试验过程中，当墩顶位移达到6 mm时，加载方向基础侧面与土体之间产生轻微裂缝，说明在位移荷载到达6 mm之前，土体仍处于弹性状态。随着加载位移的逐渐增大，土体裂缝不断向两侧扩展。试验结束后，在垂直于加载方向及加载方向的土体表面均出现了多条明显可见且深度相当的裂缝（图4）。

试验结束后开挖基础并检查其破坏情况，发现基础自身并未破坏，但基础侧壁与土体发生了分离，间隙达到5.5 mm，同时基础底面也发生了抬升现象，基底抬升约2.5 mm。在试验结束后将模型整体挖出检查，发现模型基础及桥墩自身并未发生破坏（图5）。

2.2 滞回曲线与骨架曲线

采用电液伺服式加载系统记录加载过程中模型加载力与加载位移的变化情况，墩顶力-位移滞回曲线如图6（a）所示。可以看出，在加载初始阶段模型桥墩基本处于弹性状态;由于荷载位移的不断增大，模型土体表面产生了裂缝，基础与土体间出现了分离与抬升，基础周围土体的非线性增强，滞回环上出现明显的捏缩现象。

墩顶力-位移骨架曲线如图6（b）所示。通过对骨架曲线进行分析，发现加载初期，模型的墩顶力与位移关系基本表现为线性关系，骨架曲线近似呈直线，可认为此时模型处于弹性阶段（OA段）;由于加载位移的增大，结构进入弹塑性阶段，此时基础周围土体被挤压逐渐破坏，土的支撑性开始降低，即骨架曲线的斜率随之降低（AB 段）;随着加载继续，此时模型结构在较大的墩顶位移变化下产生较小的水平抗力，结构的刚度减小（BC 段）。

3 数值模拟

3.1 有限元模型

采用商业有限元软件ABAQUS/CAE对本文提出的根式挖井基础桥墩进行模拟，使用桁架单元（T3D2）对钢筋进行模拟，其余构件均使用C3D8R实体单元。根键在土中的位置通过切削指令挖出孔洞，相互关系使用接触定义。通过定义材料参数，并施加与试验相对应的荷载，可以获得基本符合试验的数值计算结果。根式挖井基础桥墩部件及其在土中的形式如图7所示。

定义一个设置在模型墩顶上的参考点RP-1，并通过ABAQUS中自带的耦合连接与顶面耦合。由此，施加在该参考点上的所有荷载等同于施加在整个模型顶面，可有效避免产生应力集中现象，并使计算结果更好地收敛。设置相互作用时以刚度相对较大的挖井基础以及根键作为主表面，周围的土面作为从表面。部件与土体的接触，在法向采用硬接触，切向则采用“罚”接触。

根据试验现场实际情况设置相应的边界条件，例如，当面的法向为X方向时，设置这一对称面在X方向约束，其他面同理。这样设置使得地基土侧面符合试验现场实际情形的边界条件。于参考点RP-1施加0～50 mm的墩顶循环位移荷载，加载幅值与试验相同。

3.2 数值模拟结果与试验结果对比

桥墩模型的拟静力试验数据与有限元模拟结果对比如图8所示。

从图8可以看出，数值模拟滞回曲线的承载力、滞回环的形状，以及骨架曲线的斜率、峰值基本与试验所得滞回曲线与骨架曲线吻合。这表明该模型可较好地模拟根式挖井基础桥墩在循环往复荷载下的受力情况，有限元模型计算与实际试验基本吻合。

3.3 参数分析

为进一步研究根键参数对铁路根式挖井基础桥墩抗震性能的影响，通过调整钢板根键的长度、钢板厚度与宽度，以及根键的布置形式，共设计9种工况。各工况下根键均布置在桥墩基础顺桥向，设计参数列于表1。

工况8、工况9布置形式见图9。工况1～7下根键布置形式与模型桥墩一致，且根键中心轴位置不变。

不同根键参數对桥墩滞回曲线与骨架曲线的影响分别见图10、11。

从图10、11可以看出：增大钢板根键的长度可以明显提高桥墩的承载能力;根键宽度的改变伴随间距的变化，对桥墩承载能力的影响较为复杂，初步认为在间距大于宽度时增加宽度可有效增加桥墩的承载力，而当间距小于根键宽度时，增大根键宽度对承载力的影响并不明显，但增大宽度后桥墩滞回曲线呈现出捏缩减小的现象，说明增大根键宽度可提高桥墩的耗能能力;增加根键的数量可显著提高桥墩的承载能力;在基础底部布置根键的效果并不弱于在侧壁布置，且根键布置在侧壁时，在位移较大的情况下桥墩的承载力降低，推测是由于根键靠近土体表层，导致上层土失效所致，因此在侧壁布置根键时应注意根键的埋入深度，不宜靠近土体表面。

4 结论

本文采用拟静力试验和数值模拟方法深入研究了铁路根式挖井基础桥墩的抗震性能，得到以下主要结论：

（1） 根键的植入充分提高了基础周围土体的参与度，可明显改善根式挖井基础桥墩的水平承载能力，且随着荷载增加承载力呈非线性增加。

（2） 增加根键的长度明显带动了基础周围更多土体参与工作，使根式挖井基础桥墩的承载力得到明显提高。

（3） 改变根键宽度导致根键间隙的改变，其对于根式挖井基础桥墩承载能力的影响较为复杂，初步认为当根键间隙大于根键宽度时，增加根键宽度可提高根式挖井基础桥墩的承载能力。

（4） 增加根键的数量可显著提高根式挖井基础桥墩的承载能力，在基础底部布置根键的效果并不弱于在侧壁布置，且侧壁布置根键时应注意根键的埋入深度，不宜靠近土体表面。

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