公路橋梁樁基沉降研究

溫啟明

摘要：由于黃土區(qū)的非均勻濕陷性，樁側(cè)負(fù)摩阻力將會(huì)對橋梁樁基沉降及不均勻沉降產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因而估算負(fù)摩阻力是濕陷性黃土地區(qū)樁基變形分析的關(guān)鍵。本文對深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開研究，基于現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果和負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理的負(fù)摩阻力的理論分析，推導(dǎo)負(fù)摩阻力的計(jì)算公式，為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】公路橋梁;樁基沉降;濕陷性黃土;負(fù)摩阻力

橋梁樁基在上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載下，其沉降主要分為三部分：①樁體材料受壓產(chǎn)生的彈性變形;②樁身周圍的側(cè)摩阻力的出現(xiàn)，在土層中產(chǎn)生附加應(yīng)力，使得樁端下部土層被壓縮，進(jìn)而引起樁端沉降;③樁端土層在上部荷載作用下，被進(jìn)一步壓縮，引起樁端沉降。一般的，負(fù)摩阻力的產(chǎn)生原因主要有以下幾種：樁周大面積堆載;大范圍降水;樁周為欠固結(jié)土或者未固結(jié)的填土;濕陷性黃土的濕陷;砂土液化;凍土融解等。如果在樁側(cè)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，那么樁側(cè)土體的沉降變形值一定>橋梁樁基礎(chǔ)的沉降變形量，對于持力層為巖石的端承樁，沿著樁身全長可能均出現(xiàn)負(fù)摩阻力，而對于摩擦型樁是否出現(xiàn)負(fù)摩阻，則要根據(jù)樁-土的位移差值及相對方向判斷。

本文對深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開研究，基于現(xiàn)場常規(guī)靜載以及浸水靜載試驗(yàn)和控制變量浸水試驗(yàn)，研究濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)的沉降變形特征、樁側(cè)的負(fù)摩阻力分布變化規(guī)律，并對負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理和變化規(guī)律進(jìn)行理論分析，并推導(dǎo)單樁和群樁兩種情況下的負(fù)摩阻力計(jì)算公式，最后根據(jù)黃體地區(qū)的特點(diǎn)，介紹常用的處理措施，為類似工程提供參考。

1.負(fù)摩阻力與樁基沉降的試驗(yàn)研究

現(xiàn)場選取三根樁基進(jìn)行試驗(yàn)，分別編號S1、S2、S3，分別進(jìn)行靜載、浸水靜載、控制變量浸水三種試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。浸水靜載試驗(yàn)，即先讓樁周土層浸水，在浸水完成后進(jìn)行載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)同常規(guī)載荷試驗(yàn)做法?？刂谱兞康慕囼?yàn)，則是先將S3固定在型鋼承臺(tái)之上，并在型鋼上安裝測力計(jì)等設(shè)備，然后向坑內(nèi)注水，在黃土濕陷后，土層向下沉陷，土-樁之間出現(xiàn)相對變形，樁周的土體會(huì)對樁基礎(chǔ)作用一下拉力，然后將此下拉力換算成單位面積下的負(fù)摩阻均值，通過鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、土壓力盒等測試樁身各監(jiān)測斷面的負(fù)摩阻力，進(jìn)而了解樁身范圍內(nèi)負(fù)摩阻力的分布。

根據(jù)控制變量的浸水試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示，樁側(cè)的負(fù)摩阻力的峰值區(qū)間為（41.5KPa～76.5KPa），而浸水試驗(yàn)的結(jié)果則為17.5KPa～28.8KPa，相比于傳統(tǒng)的浸水載荷試驗(yàn)，控制變量的浸水試驗(yàn)所測的結(jié)果更為準(zhǔn)確，且試驗(yàn)用時(shí)較短。

根據(jù)浸水靜載試驗(yàn)結(jié)果（如圖3所示），在開始浸水階段，樁頂豎向位移的增速快，而隨著浸水時(shí)間的推移，在試驗(yàn)的18天后，樁基沉降的增大速率放緩，向接近平穩(wěn)發(fā)展，在停止浸水后，樁身的沉降又出現(xiàn)新的增長，但是漲幅較小，增速比較平穩(wěn)，這是由于樁身周圍土層在排水后發(fā)生重固結(jié)所致，但是用時(shí)較短。因此，在濕陷性黃土地區(qū)，樁身周圍的土層一旦出現(xiàn)輕微的濕陷，也會(huì)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，導(dǎo)致樁基的沉降，且變化速率較快。

2??濕陷性黃土地區(qū)負(fù)摩阻力理論分析

在自重型濕陷性黃土地區(qū)，土體在浸水后發(fā)生濕陷，使得樁身周邊的土體變形超過樁的豎向變形，因而在樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，其值大小與濕陷等級、黃土特征、樁基的材料、截面形狀、浸水時(shí)間等有關(guān)。目前多采用荷載傳遞法來分析此問題，其雖可反映樁-土間的非線性特征但無法反映負(fù)摩阻力的傳遞特性，因此本文采用雙曲線型荷載傳遞法來研究樁側(cè)負(fù)摩阻力的分布。

根據(jù)浸水試驗(yàn)，樁側(cè)的負(fù)摩阻力隨時(shí)間逐漸增加，待完全浸水后，增大速度加快，而在停水一段時(shí)間后，水分繼續(xù)滲入到土層，濕陷變形繼續(xù)增加，達(dá)到峰值，這一過程說明，在浸水終止后，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，樁身周圍的土體的抗剪強(qiáng)度有所恢復(fù)，進(jìn)而負(fù)摩阻力也會(huì)隨之提高，因此，負(fù)摩阻力的峰值并非是出現(xiàn)在浸水期間，也可能出現(xiàn)在浸水結(jié)束后，土體固結(jié)穩(wěn)定后。如圖4所示，圖（a）為正摩阻力，（c）為負(fù)摩阻力，而（b）則為正摩阻力向負(fù)摩阻力的轉(zhuǎn)變階段。正負(fù)摩阻力的判斷，要根據(jù)相對位移判斷，若為+，即樁基豎向變形大于樁側(cè)土體沉陷值，則為正摩阻力，反之，樁側(cè)土體沉降大于樁身沉降，在樁側(cè)產(chǎn)生向下的摩阻力，則為負(fù)摩阻力。從摩阻力分布圖可知，在樁身有一摩阻力為0的點(diǎn)，即中性點(diǎn)，該點(diǎn)無相對位移，但內(nèi)力最大，此點(diǎn)也是正、負(fù)摩阻力的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

3.負(fù)摩阻力的計(jì)算

3.1單樁負(fù)摩阻力計(jì)算

根據(jù)摩擦力計(jì)算公式，其值與摩擦系數(shù)和正壓力相關(guān)，摩擦系數(shù)取決于土性和樁身材料，而正壓力則為有效應(yīng)力，根據(jù)這一原理計(jì)算的摩擦力應(yīng)隨著深度的增加逐漸增加，但是根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果，摩阻力并非一直增加，它存在一個(gè)類似反彎點(diǎn)的分界點(diǎn)，該點(diǎn)的摩阻力為零，軸力最大，稱之為中性點(diǎn)，顯然傳統(tǒng)的物理學(xué)方法不適合計(jì)算樁身摩阻力。

對自重濕陷性黃土，采用微積分進(jìn)行分析，在樁身選取任一微元體，根據(jù)樁側(cè)負(fù)摩阻力的分布規(guī)律，簡化模型，建立拋物線型模型：

假定負(fù)摩阻力的峰值出現(xiàn)在樁頂和深度之間，假定最大深度為，在位置，，而在，則達(dá)到最大，在，，帶入方程，聯(lián)立求解，可得：

那么，樁身范圍內(nèi)的下拽力為：

對于單樁，僅需要確定與中性點(diǎn)，從而可確定總的下拽力，對于，有效應(yīng)力法的公式為，為靜止土壓力系數(shù)，為土體內(nèi)摩擦角。中性點(diǎn)的確定，可根據(jù)正、負(fù)摩阻力（積分求和）相等進(jìn)行計(jì)算，或者根據(jù)樁-土相對位移理論計(jì)算。

3.2群樁的負(fù)摩阻力計(jì)算

樁基的布置形式、根數(shù)、土質(zhì)等都會(huì)對群樁的負(fù)摩阻力產(chǎn)生影響，目前沒有一個(gè)準(zhǔn)確的理論計(jì)算公式可以定量計(jì)算，僅能通過一些簡化方法得出定性結(jié)論。

常用的方法有以下兩種：

⑴泰沙基-佩克法

根據(jù)樁基的靜力平衡，建立樁基的靜力平衡關(guān)系，從而求得負(fù)摩阻：

其中，為上部結(jié)構(gòu)荷載，為附加荷載（均按單樁處理）。

⑵遠(yuǎn)藤法

根據(jù)日本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，樁基數(shù)量越多，沉降越小的特點(diǎn)，遠(yuǎn)藤將群樁效應(yīng)考慮在內(nèi)，假定群樁基礎(chǔ)中，各樁基受到相同的負(fù)摩阻力作用，且其沿著樁長均勻分布，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出群樁的負(fù)摩阻力計(jì)算公式為：，其中為群樁效應(yīng)系數(shù)，為樁數(shù)。

4.治理措施

濕陷性黃土地區(qū)，橋梁樁基一旦發(fā)生不均勻沉降，應(yīng)首先進(jìn)行糾偏處理，可以采用頂升糾偏或者迫降糾偏，消除不均勻沉降帶來的影響。頂升糾偏，是將橋梁上部結(jié)構(gòu)抬升，使上、下部結(jié)構(gòu)分離，進(jìn)而對下部結(jié)構(gòu)實(shí)施加固、將支座加高，既可以消除不均勻沉降帶來的傾斜還可以解決因沉降所致的凈空不足的問題;而迫降糾傾則是采用機(jī)械或人工，在沉降小的一側(cè)改變土體性質(zhì)，使其在短期內(nèi)發(fā)生沉降并穩(wěn)定，以達(dá)到糾傾的目的。

而當(dāng)?shù)鼗休d力不足，沉降過大時(shí)，則需要增補(bǔ)樁基以提高承載力。在舊樁周邊施工鉆孔灌注樁或者打入預(yù)制樁，并將既有承臺(tái)擴(kuò)充，將新樁與舊樁連接成一個(gè)整體，使二者協(xié)同受力，以達(dá)到提高承載力的目的。為使新舊承臺(tái)的剪力可靠傳遞，可以通過植筋或者設(shè)置剪力鍵。對于增補(bǔ)樁基，需要滿足如下要求：①加固計(jì)算應(yīng)考慮新老樁基的支撐、樁徑等;②考慮新樁構(gòu)造與舊樁的間距，可將新增的樁基間距適當(dāng)減小;③增補(bǔ)樁基，應(yīng)對稱增補(bǔ)，避免不均勻沉降。

5.結(jié)束語

本文就深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下公路橋梁樁基沉降展開研究，基于現(xiàn)場試驗(yàn)研究濕陷性黃土地區(qū)樁基沉降特征、樁側(cè)負(fù)摩阻力的分布，并對負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理和分布規(guī)律進(jìn)行理論分析，并推導(dǎo)單樁和群樁負(fù)摩阻力的計(jì)算公式，主要結(jié)論如下：

⑴控制變形浸水試驗(yàn)相比如浸水靜載試驗(yàn)，可以更準(zhǔn)確快速的獲取樁身摩阻力的分布，樁側(cè)的負(fù)摩阻力呈現(xiàn)顯著的時(shí)間效應(yīng)，樁周土體排水重新固結(jié)也會(huì)增大樁側(cè)的負(fù)摩阻力;

⑵單樁的負(fù)摩阻力與靜止土壓力系數(shù)，土體內(nèi)摩擦角及中性點(diǎn)位置相關(guān)，而群樁的負(fù)摩阻力與樁間距、樁的根數(shù)、布置方式相關(guān)，通過計(jì)算群樁效應(yīng)計(jì)算負(fù)摩阻力。

濕陷性黃土地區(qū)，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對橋下排水的設(shè)計(jì)，并嚴(yán)禁在橋下大量堆載，并按照先路后橋的施工順序;本文僅從試驗(yàn)和理論的角度進(jìn)行研究，后期還應(yīng)結(jié)合有限元軟基進(jìn)行分析。

【參考文獻(xiàn)】

[1]董曉明.基于黃土非均勻濕陷變形的橋梁群樁基礎(chǔ)承載特性研究[D].長安大學(xué)，2013.

[2]毛堅(jiān)強(qiáng)，蔣媛.基于單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果的群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2017，39（1）：97-103.