山區(qū)陡坡地段橋梁樁基摩阻力分布規(guī)律淺析

■金 晶

（福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局,福州 350001）

1 引言

山區(qū)陡坡橋梁樁基由于其復(fù)雜的受力特性，在豎向荷載作用下承載特性與平坡樁相比有很大差異。當(dāng)前針對(duì)山區(qū)陡坡地段橋梁樁基設(shè)計(jì)是在平坡樁設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)添加安全系數(shù)，這會(huì)使樁基設(shè)計(jì)過于安全而造成材料浪費(fèi)或者安全系數(shù)過小造成樁基安全隱患。為此，本文依托福永高速公路葛嶺大橋?qū)嶓w工程，選取典型陡坡樁基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并主要針對(duì)樁基摩阻力的分布規(guī)律予以淺析。

2 工程概況

葛嶺大橋位于永泰縣葛嶺鎮(zhèn)就老村西北側(cè)，橋梁跨溝谷。大橋左橋中心樁號(hào)為ZK23+251.250，右橋中心樁號(hào)為YK23+251.250，橋跨布置為19×30m PC 連續(xù)剛構(gòu)T 梁，橋長(zhǎng)577.5m。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩、灌注樁基礎(chǔ)，起點(diǎn)臺(tái)為肋臺(tái)、樁基礎(chǔ)，終點(diǎn)臺(tái)為U 臺(tái)和擴(kuò)大基礎(chǔ)。

(1)地形地貌

該橋位于剝蝕丘陵，間夾溝谷地貌，地形起伏較大，天然坡度一般為15～45°，兩側(cè)橋臺(tái)處坡度為35°。橋址區(qū)海拔約9～65m，相對(duì)高差約56m。山區(qū)跨越山間溝谷，溝谷狹長(zhǎng)，縱橫交錯(cuò)。溝谷底起伏較大，寬約130～140m，橋臺(tái)處均位于陡坡上，坡度較陡。

(2)工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪和鉆孔揭示，橋址區(qū)地表主要上覆第四系沖洪積層；堆積層，殘積層；中生界白堊系下統(tǒng)熔結(jié)凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)粉砂巖及其風(fēng)化層，第四紀(jì)斷裂層穿過葛嶺大橋，與線位成70°相交，影響較小，巖體表層風(fēng)化較強(qiáng)烈，上坡殘積土和強(qiáng)風(fēng)化巖厚度局部較大，開挖穩(wěn)定性較差，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

(3)氣象水文條件

葛嶺大橋跨越地區(qū)為溫、熱帶的過度帶，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，立體氣候顯著。年平均降水量在1400～2000mm，無(wú)霜期為296 天，區(qū)內(nèi)3～9 月為多雨季節(jié)，10 月至翌年2月為少雨季節(jié)。7～9 月夏秋之交，常遭臺(tái)風(fēng)暴雨襲擊，在連降暴雨的情況下，易產(chǎn)生滑坡或崩塌。

葛嶺大橋測(cè)區(qū)內(nèi)溝谷水系稍發(fā)育，各分支水系在山地丘陵區(qū)呈樹枝狀，枯季水量小水流較緩，汛期水量快速增大，流量受降雨量影響明顯；測(cè)區(qū)內(nèi)地下水為第四系沖洪積層孔隙水，水位埋藏較淺，水量豐富，接受大氣降水及地表水補(bǔ)給，局部階地部分為承壓水對(duì)橋位樁基施工影響較大。

3 試驗(yàn)樁位的選取

通過對(duì)福永高速全線調(diào)研，綜合考慮沿線地形地貌、工程地質(zhì)和水文情況對(duì)陡坡地段橋梁樁基影響，選取葛嶺大橋右幅17#-1 作為試驗(yàn)樁，該樁采用人工挖孔成孔施工工藝，樁長(zhǎng)15.8m，樁徑2.0m。該樁處于陡坡坡中位置，陡坡坡度為38°，地形復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，具有典型的山區(qū)陡坡特點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 葛嶺大橋右幅17#-1 試驗(yàn)樁位

4 試驗(yàn)過程

4.1 測(cè)試元件的布設(shè)

鋼筋計(jì)與壓力盒沿樁長(zhǎng)方向?qū)ΨQ布置，每側(cè)布置12 根鋼筋計(jì)和5 只土壓力盒，樁底布置3 只土壓力盒，一根樁基共布置24 根鋼筋計(jì)、13 只土壓力盒。鋼筋籠底部以上40cm 起，每隔1.1m 設(shè)置一鋼筋計(jì)；設(shè)計(jì)樁頂位置以下2.8m 起，每隔1.1m 設(shè)置一壓力盒，大于5.1m 每隔2.2m 布設(shè)，如圖2 所示。

圖2 測(cè)試元件布設(shè) （單位：cm）

（1）鋼筋應(yīng)力計(jì)埋設(shè)

施工流程：檢查鋼筋應(yīng)力計(jì)→校核編號(hào)→原始頻率測(cè)試→鋼筋應(yīng)力計(jì)焊接→信號(hào)線綁扎→信號(hào)線保護(hù)→澆注混凝土→進(jìn)行測(cè)試。

（2）土壓力盒埋設(shè)

施工流程：檢查土壓力盒是否損壞→校核編號(hào)→原始頻率測(cè)試→護(hù)壁鑿孔→土壓力盒埋設(shè)→信號(hào)線綁扎→信號(hào)線保護(hù)→澆筑混凝土→進(jìn)行測(cè)試。

4.2 試驗(yàn)加載與測(cè)試要求

山區(qū)陡坡地段橋梁樁基礎(chǔ)受地形特點(diǎn)的限制，現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)實(shí)施難度很大，且考慮著重分析山區(qū)陡坡樁基荷載傳遞規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試荷載主要借用橋梁結(jié)構(gòu)的自重，也就是橋梁施工過程中系梁自重+橋墩自重荷載、系梁自重+橋墩自重+蓋梁自重荷載、系梁自重+橋墩自重+蓋梁自重+梁自重荷載、系梁自重+橋墩自重+蓋梁自重+梁自重荷載+橋面鋪裝與防護(hù)欄自重荷載等。葛嶺大橋右幅17#-1 采用單樁單柱形式，各級(jí)荷載見表1。

表1 試樁樁基荷載

受地形條件的限制并考慮研究?jī)?nèi)容，測(cè)試分析橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件自重作用下樁的力學(xué)特性。測(cè)試流程為：

(1)測(cè)試元件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一次；

(2)焊接完成后測(cè)試一次；

(3)樁澆注混凝土前、后各測(cè)試一次，且混凝土澆注完后連續(xù)監(jiān)測(cè)直至穩(wěn)定；

(4)墩柱、蓋梁、梁及橋面鋪裝層施工前、后各測(cè)讀一次。

5 試驗(yàn)成果分析

5.1 樁的受力計(jì)算

(1)計(jì)算參數(shù)選取

樁的豎向受力及樁側(cè)摩阻力的計(jì)算過程中，可變參數(shù)主要有鋼筋及混凝土材料的彈性模量E 和沿樁身不同截面的面積A。

鋼材的彈性模量按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）取值，Ⅱ級(jí)鋼筋彈性模量EG=2.0×105MPa；混凝土材料的彈性模量按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）取值，C25 混凝土彈性模量：EH25=2.85×105MPa，C30 混凝土的彈性模量：EH30=3.0×105MPa。但混凝土材料由于粗骨料及集料級(jí)配的差異，彈性模量并非定值。理論上按樁頂?shù)谝慌艤y(cè)試元件推算樁的豎向受力應(yīng)等于樁頂實(shí)際荷載，因此，計(jì)算中對(duì)參數(shù)EH、AH進(jìn)行了修正，使得材料參數(shù)符合實(shí)際情況。

(2)計(jì)算截面的取舍

出現(xiàn)下列情況時(shí)剔除該截面，其豎向受力計(jì)算取上下兩截面的平均值：

①由于混凝土澆筑的不均勻性，導(dǎo)致其彈性模量值的離散性較大，計(jì)算結(jié)果在個(gè)別斷面產(chǎn)生突變，與實(shí)際受力性狀不符；

②由于施工因素的影響，樁身截面并不完全均勻，使得計(jì)算中截面變化處樁的豎向受力產(chǎn)生突變。

③樁的豎向受力計(jì)算

樁的豎向受力通過沿樁身布設(shè)的振弦式鋼筋計(jì)測(cè)讀其頻率，利用標(biāo)定曲線內(nèi)差推算求得，其計(jì)算步驟如下：

利用ZXY-16 型振弦儀測(cè)定初始狀態(tài)及各級(jí)荷載穩(wěn)定時(shí)鋼筋計(jì)的頻率值f（Hz），通過標(biāo)定曲線，采用直線內(nèi)差法將頻率值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的鋼筋軸向壓力F（kN）。

內(nèi)差計(jì)算公式：

式中：f——測(cè)試元件的頻率實(shí)測(cè)值（fi＜f＜fi+1）；

Pi,Pi+1——分別為P-f 曲線上fi，fi+1對(duì)應(yīng)的荷載；

fi，fi+1——分別為Pi,Pi+1荷載下對(duì)應(yīng)的頻率值。

（1）測(cè)試元件測(cè)試結(jié)果的修正。對(duì)各級(jí)荷載下的元件受力進(jìn)行修正，目的是消除初始值的影響。根據(jù)力的疊加原理，修正公式：

式中：y0——加載前，鋼筋計(jì)的受力；

y′i——各級(jí)荷載作用下，樁頂沉降變形穩(wěn)定時(shí)，鋼筋計(jì)的受力；

yi——修正后的各級(jí)荷載作用下，鋼筋計(jì)的受力。

（2）根據(jù)測(cè)試元件受力結(jié)果推算樁的豎向受力。計(jì)算中假定：

①鋼筋與混凝土緊密接觸，即同一截面內(nèi)鋼筋與混凝土的應(yīng)變相等；

②鋼筋與混凝土均為線彈性材料，即材料特性滿足胡克定律。由此可得按鋼筋計(jì)推算樁的豎向受力。

計(jì)算式：

式中：FG——按鋼筋計(jì)測(cè)讀結(jié)果推求的鋼筋軸向壓力；

EH、EG——鋼筋及混凝土材料彈性模量；

AG、AH——單根鋼筋及混凝土截面積；

n——計(jì)算截面內(nèi)主筋根數(shù)。

對(duì)于山區(qū)陡坡橋梁樁基的豎向受力計(jì)算，為了分析比較陡坡樁基兩側(cè)樁的豎向受力差異，假定以樁軸線為中線，兩側(cè)鋼筋計(jì)分別處在兩部分面積內(nèi)。

5.2 樁側(cè)摩阻力及摩阻強(qiáng)度的計(jì)算

樁側(cè)摩阻力由樁的豎向受力變化值推算求得。設(shè)a1、a2斷面樁的豎向受力分別為Q1、Q2，則a1、a2斷面間的樁側(cè)摩阻力：

式中：T1,2——a1、a2截面間每延米長(zhǎng)度內(nèi)的樁側(cè)摩阻力；

l1,2——a1、a2截面間的距離。

試樁的豎向受力測(cè)試結(jié)果見表2；計(jì)算分析所得試樁側(cè)摩阻力成果見表3；樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律如圖3 所示。

表中的X 指樁頂?shù)礁鲾嗝娴木嚯x；A 面是指樁基靠近山坡外側(cè)；B 面是指樁基靠山坡內(nèi)側(cè)。

表2 葛嶺大橋右幅17#-1 試樁不同位置的豎向受力

圖3 葛嶺大橋右幅17#-1 樁側(cè)摩阻強(qiáng)度曲線

5.3 樁身摩阻力分析

如表3、圖3 所示，樁頂至3.5 倍樁徑深度范圍內(nèi)，樁基內(nèi)側(cè)摩阻力發(fā)揮比樁基外側(cè)摩阻力發(fā)揮大，此深度范圍內(nèi)，樁基外側(cè)摩阻力為樁基內(nèi)側(cè)摩阻力的74.2%；3.5 倍樁徑以下至5 倍樁徑深度范圍內(nèi)，樁基內(nèi)側(cè)摩阻力增長(zhǎng)幅度平緩，樁基外側(cè)摩阻力增長(zhǎng)幅度較大，此深度范圍內(nèi)樁基外側(cè)摩阻力為樁基內(nèi)側(cè)摩阻力的1.09 倍；5 倍樁徑深度范圍以下，樁內(nèi)外側(cè)摩阻力基本一致，樁基內(nèi)側(cè)、外側(cè)摩阻力協(xié)調(diào)平衡發(fā)揮。

通過試驗(yàn)樁基內(nèi)、外側(cè)摩阻力變化規(guī)律可知，陡坡地形樁基與平地樁基荷載傳遞有一定的差異，對(duì)于平地樁基，樁基兩側(cè)可以視為半無(wú)限土體，為樁基提供均等的摩阻力；而對(duì)于陡坡上的樁基，因陡坡外側(cè)一定深度內(nèi)土體缺失或因施工等原因造成該部分土體擾動(dòng)，使得強(qiáng)度不足，樁基上部外側(cè)樁身未受到擠壓力，從而不能提供相應(yīng)的摩阻力，導(dǎo)致樁基兩側(cè)的樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律有很大的差異，樁側(cè)摩阻力總體發(fā)揮趨勢(shì)是隨著荷載的增加，引起樁的豎向沉降變形增大，樁巖相對(duì)位移變大，使樁側(cè)摩阻力增大。

5.4 陡坡橋梁樁基摩阻力折減系數(shù)計(jì)算

樁側(cè)摩阻力實(shí)質(zhì)上是樁側(cè)土的剪切問題，樁側(cè)土極限摩阻力值與樁側(cè)土的剪切強(qiáng)度有關(guān)，隨著土的抗剪強(qiáng)度的增大而增加。而土的抗剪強(qiáng)度又取決于其類別、性質(zhì)、狀態(tài)和剪切面上的法向應(yīng)力。不同類別、性質(zhì)、狀態(tài)和深度處的樁側(cè)土將具有不同的樁側(cè)摩阻力。陡坡橋梁樁基樁側(cè)土由于一側(cè)一定深度范圍內(nèi)缺失或樁周土體強(qiáng)度不足，使坡體樁基兩側(cè)所受摩阻力與平地樁基所受摩阻力有一定的差異，對(duì)陡坡橋梁樁基按常規(guī)平地樁設(shè)計(jì)顯然不適合，因此，陡坡橋梁樁基在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)其承載力進(jìn)行折減，以確保樁基承載力滿足使用要求。

樁基側(cè)摩阻力折減系數(shù)計(jì)算：

式中：ζv——某坡率下的折減系數(shù)；

f1——靠近山體一側(cè)樁摩阻力值；

f2——外側(cè)樁基側(cè)摩阻力值。

葛嶺大橋右幅17#-1 摩阻力折減系數(shù)：

葛嶺大橋右幅17#-1 摩阻力影響度：

建議采用陡坡橋梁樁基承載力計(jì)算公式：

（1）摩擦樁

（2）嵌巖樁

式中，ζv為樁基側(cè)摩阻力折減系數(shù)。

其它參數(shù)按照現(xiàn)行《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）確定。

陡坡地形對(duì)橋梁樁基的荷載傳遞規(guī)律有影響，荷載傳遞過程與平地樁基有較大差異，其差異程度與山區(qū)陡坡的坡形、坡度、施工工藝、樁周接觸條件、嵌巖深度、樁長(zhǎng)、樁徑、荷載大小及其作用方式等因素有關(guān)，工程實(shí)踐中對(duì)陡坡區(qū)域樁基承載力計(jì)算應(yīng)予以折減。同一樁長(zhǎng)樁徑情況下，坡度越大影響度越大，說(shuō)明陡坡對(duì)橋梁樁基的承載力影響必須引起足夠的重視。

6 小結(jié)

山區(qū)陡坡橋梁位于坡中的樁基，自樁頂以下2～3 倍樁徑深度范圍內(nèi)，樁基外側(cè)摩阻力受坡形影響較大。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮承載力的折減，且在施工過程中應(yīng)特別注意對(duì)邊坡的防護(hù)以防土體流失而影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮。對(duì)于坡角r≤45°時(shí)，坡面可進(jìn)行一般防護(hù)；坡角r＞45°時(shí)，坡面則必須嚴(yán)格加強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)與施工。希望通過對(duì)福永高速陡坡橋梁樁基摩阻力分布規(guī)律的淺析，能為日后類似情況下的工程建設(shè)提供一定的參考。

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