橋梁施工期樁頂軸力實測分析

梁純皓，陳志堅

（河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京211100）

橋梁施工期樁頂軸力實測分析

梁純皓，陳志堅

（河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京211100）

對于橋梁樁基礎，樁頂?shù)氖芰η闆r會影響樁身的受力，關系到樁基礎的安全性和穩(wěn)定性。本文以蘇通大橋樁基礎為例，基于施工期的實測數(shù)據(jù)，對橋梁樁基礎樁頂軸力進行分析。分析結(jié)果表明，施工過程對樁頂軸力影響非常大，由于受到群樁效應的影響，橋梁樁基礎在施工期受力并不均勻。分析結(jié)果可為今后橋梁施工期的樁基礎設計提供參考。

樁頂軸力；實測數(shù)據(jù)；小波理論；群樁效應

隨著社會的發(fā)展，基礎設施建設需求越來越多，工程規(guī)模也越來越大，與之伴隨的工程問題也愈來愈多。作為荷載的第一承受位置與傳遞點，基樁工程樁頂軸力的變化情況是值得重視的。倘若樁基礎的頂端出現(xiàn)問題，那么建筑物的安全性與穩(wěn)定性將不復存在。而工程規(guī)模的擴大同樣伴隨著樁基礎規(guī)模的不斷擴大，樁的數(shù)量愈來愈多，群樁效應所出現(xiàn)的問題也隨之而來。作為工程設計人員，群樁效應對建筑物的影響不得不加以考慮，但又很難量化。因此，本文以蘇通大橋施工期樁頂軸力實測數(shù)據(jù)為基礎，對施工期樁頂受力以及所受群樁效應情況進行分析。分析結(jié)果和所得結(jié)論，對今后工程起到一定的理論指導意義。

1　工程概況

蘇通大橋位于南通市和蘇州市之間，大橋長8206m，主航道采用主跨1088m的雙塔鋼箱梁斜拉橋方案。

橋位區(qū)位于長江下游潮汐河段，鄰近長江入海口。兩岸陸域河網(wǎng)密布，地勢平坦，高程一般在2～5m。河床覆蓋層深厚，基巖面高程為-287～-276m，為第三系半膠結(jié)、半成巖狀態(tài)的粉質(zhì)黏土、砂土、礫石，以及三疊系下統(tǒng)的棕紅色灰?guī)r。第四系地層為一套淺海、濱海、瀉湖、河、湖相為主的地層，厚度為200～300m，主要由淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、粉細砂、細砂、中粗砂等組成。

大橋的4#主墩采用131根直徑為2.8m（上段）/ 2.5m（下段）的大直徑、超長、變直徑鉆孔灌注樁基礎，呈梅花形布置。樁頂高程-7.0m，樁底高程-124m，樁長117m。群樁基礎上覆鋼筋混凝土承臺，故在承臺混凝土澆筑前，4#主墩的基樁已分別作用有214MN的荷載。4#主墩鋼套箱抽水完成后、承臺混凝土澆筑前的2005年1月至2月，橋位區(qū)的實測最高水位為2.42m，樁基礎承受巨大的浮力。

2　數(shù)據(jù)處理的理論依據(jù)

蘇通大橋4#主墩共埋設30根樁頂軸力監(jiān)測樁。被選擇的監(jiān)測樁均是具有代表性的，能夠反映樁頂軸力變化情況或變化趨勢的樁。通過監(jiān)測儀器所得數(shù)據(jù)，可分析蘇通大橋初期施工時樁基礎樁頂軸力變化情況。通過文獻［1］中所提及方法，利用小波分層消噪技術(shù)［2］，分離環(huán)境噪聲，將檢測出的傳感器中異常值［3-5］剔除后，再利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)［6］，得到完整的、可以利用的有效數(shù)據(jù)。

3　實測數(shù)據(jù)整理及分析

蘇通大橋4#主墩樁基礎由131根超長、變直徑鉆孔灌注樁組成，上覆鋼筋混凝土承臺呈啞鈴形布置。在整個安全監(jiān)測體系中，共設置了監(jiān)測樁頂軸力的樁30根（其中基樁樁頂軸力10根，樁基礎其他樁20根），具體分布如圖1所示（圖中有+號的圓圈）。

從圖1所示被監(jiān)測的樁的分布情況來看，被監(jiān)測的樁分布于樁基礎的各邊與中心。因樁基礎為對稱布置，故已經(jīng)被監(jiān)測的樁可以代表整個樁基礎的受力情況，對于那些沒有布置監(jiān)測儀器的樁，可由對稱位置的樁代替，已有的監(jiān)測樁組成的斷面可以代表整個4#主墩樁頂斷面。

由于在蘇通大橋建設初期，樁基礎所承受的荷載在不斷變化，尤其在鋼套箱抽水后，樁頂軸力變化非常明顯，故僅選取監(jiān)測初期部分數(shù)據(jù)。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、整理與計算，得到各監(jiān)測樁的樁頂軸力，3根典型樁的軸力變化曲線見圖2。圖2中29#，30#，36#為樁號。

圖1　4#主墩樁頂軸力監(jiān)測樁平面布置

圖2　樁頂軸力變化曲線

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，工程初期（即2005年2月），除30#和124#樁樁頂軸力呈負值（即受拉）外，其他樁的樁頂軸力仍然為正值（即受壓）。對于這2個樁，盡管數(shù)值為負值，但其值非常接近于0，即受到的拉力非常小。隨著工程的進展，2005年2月樁頂軸力普遍呈減小趨勢，這與當時工況——鋼套箱抽水后產(chǎn)生巨大浮力是吻合的。而隨后鋼套箱開始澆注混凝土，隨著混凝土量的不斷增加，各個樁的樁頂軸力也普遍增大。直至4#主墩澆注完成后，絕大部分樁呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。

圖2中數(shù)據(jù)變化的原因主要有以下幾點：

1）鋼套箱通過拉壓桿、鋼護筒等，與各樁連接在一起，確保鋼套箱的力可以傳遞到各個樁上，從而確保鋼套箱及上部結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。這也使得鋼套箱的受力情況與樁的受力情況，尤其是樁頂?shù)氖芰η闆r基本相同。

2）鋼套箱沉放后，相當于在每個樁頂施加一定數(shù)量荷載，樁頂軸力理應增大。但由于鋼套箱抽水后，箱內(nèi)變成無水環(huán)境，而其自身體積很大，鋼套箱受到非常大的浮力，與之相連的樁，尤其是樁頂部分，則受到巨大向上的拉應力，便呈現(xiàn)出如圖2所示的部分樁頂軸力變?yōu)樨撝担词芾┑那闆r。

3）大橋4#主墩采用保留鋼護筒的方案。由鋼護筒實測數(shù)據(jù)可知，在鋼套箱抽水后，鋼護筒呈現(xiàn)部分受拉狀態(tài)，即鋼護筒提供了一部分力，確保樁身不致于受到過大拉應力，從而提高了樁的安全性。

4）由于拉壓桿與基樁鋼護筒以及鋼套箱底板采用銷接，而且每根鋼護筒的拉壓桿數(shù)量存在一定差異，故各樁分攤的荷載存在一定（甚至較大）的差異。

5）樁基承臺為啞鈴形結(jié)構(gòu)，實際上相當于由3部分構(gòu)成，即兩邊群樁基礎加中間連接部分，中間部分主要起到傳力的作用，而承載方面不是主要功能。故而對于36#樁而言，仍然屬于邊樁，在鋼套箱抽水過程中，樁頂軸力呈負值，即受拉狀態(tài)。

6）4#主墩樁基礎由131根樁組成，從規(guī)模上講屬于超大型群樁，會受到群樁效應的影響。因此在施工期鋼套箱抽水時，僅有邊樁呈受拉狀態(tài)，而中心樁仍然呈受壓狀態(tài)。

2005年2月，施工工程中樁頂軸力減小的樁，樁號分別為1#，6#，29#，30#，35#，59#，61#，64#，68#，77#，100#，124#，126#，129#，其分布情況如圖3所示（圖中有+號的圓圈）。

圖3　4#主墩樁頂軸力減小樁位置分布

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，對于受到監(jiān)測的30根樁而言，樁頂軸力減小的樁分布于整個群樁基礎的周圍，而相對靠中間的樁，如中間的32#，34#，95#等樁始終是受壓的，樁頂軸力沒有減小趨勢。

4　安全性評價

結(jié)合實際工程施工情況與所得數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，在鋼套箱抽水后，各監(jiān)測樁樁頂所受壓應力普遍減小，除某2個樁外，其他樁所承受的荷載仍以壓應力（值為正）為主。而對于2個樁頂受力為拉應力（值為負）的樁，其荷載不足以使得樁身破壞，樁仍有足夠的安全儲備。

鋼護筒的存在不僅為上部結(jié)構(gòu)提供了一定的支撐，同時很好地幫助了樁對于上部荷載的傳遞，而且對樁本身的安全性能也有增強。故而，鋼護筒的保留增加了蘇通大橋樁基礎的安全儲備。

綜合評價蘇通大橋4#主墩群樁基礎是安全的，擁有足夠的安全儲備。盡管負摩阻力是存在的，其對群樁基礎的影響，尚不足以令其安全儲備不足。故可認為在負摩阻力的影響下，施工期的群樁基礎是安全的。

5　結(jié)語

鋼護筒的存在在某方面保護了樁基礎，但也會影響樁荷載的傳遞，其本身也可以參與一部分荷載的傳遞。對于本工程而言，鋼護筒的保留在一定程度上增加了樁基礎的安全儲備。

對于群樁基礎，尤其是超大型群樁基礎，群樁效應問題會相對突出。因而，在設計時可適當?shù)靥岣呷簶吨羞厴兜男阅?，并適當減少中心樁的各項指標。

鋼護筒與樁的連接方式，會影響到樁頂軸力的變化，進而影響到樁身軸力的變化。對這一部分的設計還有待研究。

［1］陳志堅，薛濤，馮凌云，等.數(shù)據(jù)融合算法在蘇通大橋群樁基礎安全性評價中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（1）：3270-3276.

［2］DONOHODL，JOHNSTONEJM.IdealSpatialAdaptationby WaveletShrinkage［J］.Biometrika，1994，81（3）：425-455.

［3］陳志堅，陳松，董學武，等.巖土工程安全監(jiān)測異常值屬性的識別方法［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2004，28（1）：40-44.

［4］陳志堅，張雄文，李筱艷，等.江陰大橋南岸邊坡安全性綜合評判模型的建立［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（12）：1971-1975.

［5］陳志堅，李筱艷，孫英學，等.基于剪切位移的層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性預測預報模型［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（8）：1315-1319.

［6］KLEIN L A.Sensor and Data Fusion Concepts and Applications［C］.Bellingham，WA：Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers，1993.

AbstractForce at the top of pile affects safety and stability of pile foundation of bridge.In this article，pile foundation of Sutong Bridge was studied.Based on measured data during construction，axial force at the top of pile foundation was analyzed.T he results show that construction affects axial force at the top.Due to pile group effect，stress in pile foundation during construction is not uniform.T he analysis may be used for pile foundation design at construction stage.

Measurement and Analysis of Pile Top Axial Force During Bridge Construction

LIANG Chunhao，CHEN Zhijian
（School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing Jiangsu 211100，China）

Pile top axial force；M easured data；W avelet theory；Pile group effect

U443.15+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.10

1003-1995（2016）04-0038-03

（責任審編趙其文）

2015-11-18；

2015-12-03

梁純皓（1989—），男，碩士研究生。