鄭州黃河公鐵兩用大橋大堤淤背區(qū)樁基負摩阻力分析

李光耀

(中鐵大橋勘測設計院有限公司，武漢 430050)

鄭州黃河公鐵兩用大橋大堤淤背區(qū)樁基負摩阻力分析

李光耀

(中鐵大橋勘測設計院有限公司，武漢 430050)

樁基工程常會遇到負摩阻力問題，如果處理不當，將會對工程產(chǎn)生危害。本文結(jié)合鄭州黃河公鐵兩用大橋工程實例，對由地面大面積填筑填土產(chǎn)生的樁基負摩阻力進行了詳細的分析，根據(jù)填筑施工與橋梁施工的時間關(guān)系，劃分為兩種工況。分析表明，基礎竣工前已完成的填土，所引起的地基土下沉在基礎竣工前已經(jīng)完成，可不考慮其對樁基的影響?；A竣工后再填筑的填土，對樁基會產(chǎn)生較大的負摩阻力，應采取相應的防治措施。

大面積填土 負摩阻力 分析計算

樁基負摩阻力使樁基礎的荷載增大，沉降增加，特別是在樁基及上部結(jié)構(gòu)工程竣工后再大面積填筑人工填土引起的負摩阻力，對工程的危害更大，設計時應對此予以高度重視，除了考慮負摩阻力計算樁基礎外，還應采取有效措施，減小負摩阻力的作用［1］。

1 工程概況

鄭州黃河公鐵兩用大橋為武石鐵路客運專線及河南中原黃河公路大橋跨越黃河的特大公鐵兩用橋。鐵路橋長14.89 km，公路主線橋長11.58 km，其中公鐵合建段9.18 km，是我國目前最長的公鐵兩用橋梁。大橋采用97.6 m跨的系桿拱方案跨越黃河北大堤，基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑1.5 m，樁長70～95 m。在大橋建設期及建成后，黃河水利委員會為加固黃河大堤，將在大堤淤背區(qū)將逐年填筑河床淤積物。按大堤加固設計方案，最終填筑高程是96.76 m，從勘察時的地面高程88.07 m算起，大堤淤背區(qū)將填筑8.69 m的填土，填土呈帶狀分布，寬約100 m，詳見圖1。

圖1 黃河北大堤淤背區(qū)填土規(guī)劃示意(單位：m)

由于大面積堆載，淤背區(qū)的上部可壓縮土層將會產(chǎn)生壓縮沉降，樁側(cè)土就會對橋梁樁基產(chǎn)生負摩阻力，設計時如果對樁基負摩阻力考慮不周，將導致樁基承載力不足，樁基下沉量增加，基礎將發(fā)生不均勻沉降，甚至影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的使用?！豆窐蚝鼗c基礎設計規(guī)范》(JTG D63—2007)［2］第 5.3.2 條只提到樁基設計應考慮填土荷載所引起的負摩阻力的影響，對計算方法卻沒有涉及。本文將對鄭州黃河公鐵兩用大橋北大堤淤背區(qū)樁基負摩阻力進行分析和實用計算。

2 場地土層條件

根據(jù)鉆探資料，場地土層主要為粉細砂，夾少量粉土和粉質(zhì)黏土，土層物理力學指標見表1。

表1 土層主要物理力學指標

3 淤背區(qū)負摩阻力成因分析

樁受軸向力后，相對于樁側(cè)土產(chǎn)生位移，土對樁就產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱正摩阻力。但是，當樁穿過軟弱易壓縮土層，且地面有較大面積的堆載作用，或地下水位下降，或土層欠固結(jié)等情況，均會引起樁側(cè)地基土壓縮下沉，如果樁側(cè)土沉降大于樁受荷后的沉降，則樁側(cè)土相對于樁向下位移，土對樁就產(chǎn)生向下作用的摩阻力，稱為負摩阻力。負摩阻力不但不是樁承載力的一部分，反而成為施加在樁上的外荷載，從而降低樁基的承載能力［3］。

勘察期間場地地面高程為88.07 m，在基礎施工前已完成厚4.97 m的填土，填筑到地面高程93.04 m，按照設計規(guī)劃，淤背區(qū)將要填筑到96.76 m，即基礎施工完成后還要填筑3.72 m的填土?？紤]填筑時間對負摩阻力的影響，根據(jù)填筑施工與橋梁施工的時間關(guān)系，可按兩種工況分析填土對樁基的負摩阻力。

3.1 基礎施工前已完成的填土

場地土層條件可分為砂土和黏性土、粉土。場地土絕大部分為砂土，對砂土而言，填筑工程完成后，土層的壓縮變形就已基本完成。對于黏性土、粉土，填筑工程完成后，其瞬時沉降和部分固結(jié)沉降已完成，剩余沉降為部分固結(jié)沉降ΔHc和次固結(jié)沉降ΔHs。場地土在樁基作用范圍的黏性土、粉土共有三層，取厚度最大的12層粉質(zhì)黏土與13層粉土計算所需固結(jié)時間 t。根據(jù)單向固結(jié)理論［4］得

式中，t為固結(jié)時間;Tv為時間因子;Cv為土的固結(jié)系數(shù);H為最大排水距離。

根據(jù)土工試驗，平均固結(jié)系數(shù)為 Cv=1.2×10－5m2/s，按雙面排水，H取總厚度的一半，即H=17.7 m。計算表明，固結(jié)度達到95%時(時間因子Tv取1)所需固結(jié)時間約為76 d。因此，可以認為這部分填土所引起的地基土下沉在基礎竣工前已經(jīng)完成，不考慮其對樁基產(chǎn)生負摩阻力的影響。

3.2 基礎施工后再填筑的填土

基礎施工完成后，還將大面積填筑3.72 m的填土，由填土所引起的附加荷載在樁基作用范圍內(nèi)隨著土層深度的增加而減小得極少，當?shù)鼗蓧嚎s土層較厚時，會對樁基產(chǎn)生較大的負摩阻力。另外，新填筑的填土本身還將固結(jié)下沉，填土本身也會對樁基產(chǎn)生負摩阻力。這兩種成因的負摩阻力共同作用于樁基，應予以高度重視。

4 中性點位的確定

要確定負摩阻力的大小，首先需要確定中性點的位置。所謂“中性點”是指樁土位移相等、摩阻力等于零的分界點，該深度以上土的下沉量大于樁的下沉量，樁承受負摩阻力;該深度以下土的下沉量小于樁的下沉量，樁承受正摩阻力。確定中心點位置通常采用估算法和土層沉降計算法。

4.1 估算法

中性點的深度可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)［4］估算，這種方法方便、快捷。但規(guī)范估算僅考慮樁端持力層的性質(zhì)，沒有考慮樁周地面上附加荷載大小等因素的影響。中性點深度按表2取值。

表2 不同土層的中性點深度ln取值

本工程填土是在樁基及上部結(jié)構(gòu)施工完成后填筑，且結(jié)構(gòu)對沉降變形要求高，中性點深度 ln宜取大值，即取樁周沉降變形土層下限深度。從場地土質(zhì)條件分析，8層中砂以上土質(zhì)較軟，壓縮模量較小，以下土質(zhì)較硬，壓縮模量較大，屬低壓縮性土層。中性點位可定為8層中砂層的頂面，深度約為20～23 m。

4.2 土層沉降計算法

計算樁周土在填土附加應力作用下產(chǎn)生的沉降量。本場地填土荷載P=67 kPa，填土寬度取100 m。以DZN140鉆孔地質(zhì)資料為例，依據(jù)分層總和法計算各土層的沉降ΔS為

式中，Ms為沉降經(jīng)驗系數(shù);σi為第i層土附加應力的平均值;Esi為第i層土的壓縮模量;hi為第i層土的厚度。

表3為沉降計算結(jié)果。由表3可見：8層中砂層頂面的沉降為5.03 mm，根據(jù)《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定》，無砟橋面礅臺基礎工后的均勻沉降量不應超過20 mm，相鄰礅臺沉降量之差不大于5 mm。因此，可將8層中砂層頂面作為中性點深度ln。估算法和土層沉降計算法結(jié)果表明，這兩種方法確定中心點深度是基本一致的。

5 負摩阻力的計算

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)第5.4.3條規(guī)定，對于摩擦型基樁可取樁身計算中性點以上側(cè)阻力為零計算其承載力。此計算方法的前提是樁基有較大的沉降，這在高速鐵路橋梁工程中是不允許的。在高速鐵路橋梁工程中，不論是摩擦樁還是端承樁，均應考慮負摩阻力引起樁基的下拉荷載，應將下拉荷載計入附加荷載驗算樁基的沉降。

表3 分層總和法計算由填土荷載引起的土層沉降量

5.1 負摩阻力取值

確定樁基負摩阻力大小的方法較多，較準確的方法是現(xiàn)場試驗，但該方法費用大、難度高、時間長。另外，還有室內(nèi)模擬方法、理論公式計算方法、經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)值方法。本文按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)的公式進行負摩阻力計算。N140墩基礎設計為3×5=15根，長1.5 m鉆孔灌注樁，樁間距4.0 m，地下水位83.29 m。

土層負摩阻力計算結(jié)果見表5。

表4 負摩阻力系數(shù) ξni取值

表5 土層負摩阻力計算取值

計算結(jié)果表明，由于中性點深度較大，填土厚度大，表中計算負摩阻力 q′si都大于樁側(cè)摩阻力 τi，負摩阻力取值qnsi為計算負摩阻力 q′si與樁側(cè)摩阻力 τi的較小值。

5.2 基樁下拉荷載Qng計算

式中，n為中心點以上土層數(shù);u為樁身周長;li為中心點以上土層厚度;ηn為負摩阻力群樁效應系數(shù)，取ηn=1.0為第i層土樁側(cè)負摩阻力，按表5取值。

6 結(jié)語

1)研究大面積填土產(chǎn)生附加荷載引起的樁基負摩阻力，關(guān)鍵是正確確定中性點深度。中心點深度主要與附加荷載大小、土層的可壓縮性質(zhì)及上部結(jié)構(gòu)所允許的沉降變形量有關(guān)。

2)采用計算土層沉降變形量方法來確定中性點深度時，要特別重視土層壓縮模量和沉降經(jīng)驗系數(shù)的取值，這兩個參數(shù)對確定中心點深度影響極大。壓縮模量應取土的“自重壓應力”至“自重壓應力與附加壓應力之和”的壓應力段所對應的變形值，同時要注意修正室內(nèi)試驗可能產(chǎn)生的誤差。

3)橋梁基礎對沉降變形有嚴格的控制，因此，對橋梁工程而言，摩擦樁、端承樁都應計算負摩阻力。

4)在有負摩阻力的場地建設橋梁，橋梁上部結(jié)構(gòu)宜盡可能采用允許相對較大沉降的橋式結(jié)構(gòu)，這樣可較大地提高中心點深度，減小負摩阻力，降低基礎工程的費用。

［1］傅朝方.側(cè)摩阻力對樁穩(wěn)定性的影響［J］.華東公路，2002(4)：71-74.

［2］中華人民共和國交通部.JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］周國林.單樁負摩阻力傳遞機理分析［J］.巖土力學，1991，12(3)：35-42.

［4］中華人民共和國建設部.GJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：26-35.

U445.55+1

B

1003-1995(2011)03-0020-03

2010-08-30;

2010-12-15

李光耀(1960— )，男，湖北漢陽人，教授級高級工程師。

(責任審編 白敏華)