濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)承載力分析

方 銳

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

濕陷性黃土在自重和附加應(yīng)力作用下，遇水后會(huì)使土體結(jié)構(gòu)迅速破壞并產(chǎn)生顯著濕陷變形。由于其工程性質(zhì)的特殊性，對(duì)其工程特點(diǎn)進(jìn)行研究在工程設(shè)計(jì)與施工中具有重要的意義。在橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工中，經(jīng)常會(huì)遇到濕陷性黃土地基，為了保證其承載力符合要求，應(yīng)對(duì)樁基土體構(gòu)成和物理力學(xué)性能進(jìn)行分析，并在施工過程中進(jìn)行樁基承載力和樁側(cè)土壤含水量監(jiān)測(cè)，分析樁基承載力是否符合設(shè)計(jì)要求[1]。

結(jié)合某高速公路橋梁樁基礎(chǔ)施工實(shí)踐，分析樁基承載力與樁側(cè)負(fù)摩阻力值和樁側(cè)阻力極限值之間的關(guān)系，研究單樁豎向極限承載力和樁身強(qiáng)度計(jì)算方法。在橋梁施工過程中，通過布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)樁頂沉降量隨荷載的沉降變化情況，進(jìn)而確定樁身軸力隨深度變化情況，驗(yàn)證變化情況是否符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

1 工程概況

某高速公路在建橋梁穿越耕地，地基土為濕陷性黃土，地下水位深度為24 m。橋梁地基土為第四紀(jì)黃土狀土，土質(zhì)屬于粉質(zhì)黏土，底層以角礫為主。施工現(xiàn)場(chǎng)濕陷性黃土深度約為15 m，地層以下15～24 m 為粉土和粉質(zhì)黏土，均為低液限黏土，24～50 m 為角礫土，濕陷性黃土土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 樁基土層物理力學(xué)參數(shù)

橋梁設(shè)計(jì)采用10×25 m 多跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面全寬24.5 m，橋梁樁基礎(chǔ)為摩擦樁，采用鉆孔灌注樁施工。樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為40 m，樁徑為1.2 m，樁身設(shè)計(jì)采用C30 混凝土。

2 橋梁樁基承載力

2.1 單樁豎向極限承載力

濕陷性黃土地基，在橋梁樁基礎(chǔ)側(cè)向土體負(fù)摩阻力的作用，樁基極限承載力會(huì)不斷減小。隨著濕陷性黃土地基濕陷深度及濕陷程度的增加，樁基極限承載力不斷下降[2]。橋梁樁基礎(chǔ)的極限承載力主要由極限側(cè)阻力和極限端阻力兩部分組成，二者的不同在于浸水樁基受到負(fù)摩阻力的作用，并且浸水樁段不能提供樁側(cè)正摩阻力，還要受到樁基周圍土體變形產(chǎn)生的附加荷載。

濕陷性黃土地區(qū)樁基周邊土體周圍欠固結(jié)，造成樁體下沉量增加，且樁周土體所產(chǎn)生與樁基沉降方向相同的側(cè)摩阻力，即樁側(cè)負(fù)摩阻力NF，會(huì)造成樁基沉降量增加。樁側(cè)阻力極限值PF受到樁周土體物理力學(xué)性質(zhì)、樁長(zhǎng)、樁基等因素的影響，會(huì)造成單樁極限承載力Quf下降。因此，在計(jì)算浸水樁基極限承載力時(shí)，需要用單樁豎向極限承載力Qu減去中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力值NF和樁側(cè)阻力極限值PF。因此，在考慮負(fù)摩阻力影響時(shí)，濕陷性黃土路段單樁極限承載力Quf計(jì)算公式如式（1）：

而單樁豎向承載力容許值Pf計(jì)算式如式（2）（K 為安全系數(shù)）：

2.2 樁身強(qiáng)度驗(yàn)算

在濕陷性黃土地基，由于樁身受到負(fù)摩阻力的作用，樁身中性點(diǎn)處為樁身軸力最大處[3]。因此在進(jìn)行樁身強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，只需驗(yàn)算中性點(diǎn)處樁身強(qiáng)度，驗(yàn)算公式如式（3）：

式中：Q0為樁頂工作荷載，kN；Nf為樁側(cè)負(fù)摩阻力值，kN；AP為樁身橫截面面積，m2；SP為樁身短期容許強(qiáng)度，kPa。

3 濕陷性黃土地區(qū)樁基承載力監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

為了驗(yàn)證濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基承載力是否符合要求，對(duì)樁基沉降情況和地基土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。樁基承載力監(jiān)測(cè)前按照要求進(jìn)行檢測(cè)設(shè)備的選配，合理確定監(jiān)測(cè)設(shè)備的型號(hào)、數(shù)量和技術(shù)參數(shù)。由于濕陷性黃土的濕陷變形是隨土層深度不同含水量變化產(chǎn)生的增濕變形總和。隨著濕陷性黃土土層含水量的增加，土體變形模量降低，重度增加，會(huì)對(duì)單樁極限承載力Quf產(chǎn)生直接影響，含水量增加會(huì)直接增加樁體沉降量，因此在施工中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)地基含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，并按照要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集和整理數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測(cè)曲線，分析后判斷樁基承載力是否符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇

3.2.1 沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備

橋梁樁基建成使用后，樁基主體結(jié)構(gòu)埋于地下，不能使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于樁基與承臺(tái)相連，可以在承臺(tái)上預(yù)埋精密數(shù)字沉降傳感物位計(jì)對(duì)樁基承載力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。物位計(jì)測(cè)量精度高、功耗低、可靠性高，不易受到外界因素影響，可用于對(duì)建筑物垂直位移變化的監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目所選用的物位計(jì)測(cè)量范圍為200～600 mm，測(cè)量精度為1 mm，工作電壓為直流12 V，設(shè)有通信接口，可通過USB 接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 端。本項(xiàng)目沉降觀測(cè)選用物位計(jì)2 個(gè)，無線傳輸模塊1 個(gè)，數(shù)據(jù)采集儀1 臺(tái)，設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)1 個(gè)。

物位計(jì)沉降觀測(cè)機(jī)理：橋梁樁基產(chǎn)生垂直位移變化時(shí)，會(huì)造成物位計(jì)中液體壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力信號(hào)，壓力信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。采集器定時(shí)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 端，并做好數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和解析，分析整理后得出沉降- 時(shí)間曲線。通過查看沉降- 時(shí)間曲線圖，可對(duì)樁基沉降的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行查看。

3.2.2 土壤含水量測(cè)量設(shè)備

含水量直接影響土壤的介電常數(shù)，可通過測(cè)量土壤的介電常數(shù)確定含水量[4]。樁基濕陷性黃土樁側(cè)含水量監(jiān)測(cè)選用土壤水分傳感器，通過測(cè)量土壤的介電常數(shù)，進(jìn)一步換算確定地基含水量。本項(xiàng)目所選用的土壤水分傳感器量程為0～100%，測(cè)量精度±2%，可直接測(cè)量土壤水分的體積百分比。土壤含水量測(cè)量配備水分計(jì)探頭4 個(gè)，土壤墑情監(jiān)測(cè)終端1 個(gè)。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

本項(xiàng)目橋梁橋臺(tái)設(shè)計(jì)為肋板式橋臺(tái)，承臺(tái)下設(shè)置4 根樁，沉降監(jiān)測(cè)選擇其中兩根樁作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在承臺(tái)上。各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量布置在同一水平面上，且保持高差不得超過100 mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)采用水準(zhǔn)儀對(duì)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，確定標(biāo)高后修整出一塊尺寸為400 mm×400 mm 的平面，并在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝物位計(jì)，樁基沉降觀測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 樁基沉降觀測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 水分傳感器布置

樁側(cè)土壤含水量的測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)地基土層厚度布置，該橋臺(tái)位置土層深度為15 m，由于每層濕陷性黃土物理力學(xué)特性差異較大，故分4 層對(duì)土壤含水量進(jìn)行檢測(cè)。水分傳感器布置在各濕陷性黃土層的上部，將探針插入土中，水分傳感器布置如圖2 所示。

3.4 橋梁樁基模型分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析施工現(xiàn)場(chǎng)樁頂沉降隨上部荷載增加所產(chǎn)生的變化，監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)土壤含水量變化穩(wěn)定，通過對(duì)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用FLAC3D 進(jìn)行建模[5-6]，建立模型如圖3 所示。樁側(cè)土體實(shí)測(cè)參數(shù)如表2 所示，橋梁樁頂隨荷載變化如圖4 所示。

表2 樁側(cè)土體實(shí)測(cè)參數(shù)

圖3 橋梁樁基1/4 模型

圖4 樁頂位移隨荷載變化曲線

通過對(duì)圖4 所示樁頂位移隨荷載變化情況監(jiān)測(cè)曲線分析可知，其中1 號(hào)曲線為樁基隨荷載沉降變化曲線，2 號(hào)曲線為樁頂隨荷載變化產(chǎn)生的附加沉降曲線，其中初始荷載為3 500 kN。結(jié)合圖4 曲線和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以看出，附加沉降值為3.675 8 mm，樁頂總沉降量為8.420 8 mm，其等效荷載為5 500 kN，由樁側(cè)土含水量變化引起的等效荷載增量為2 000 kN，根據(jù)以上結(jié)果繪制橋梁樁身軸力變化曲線圖如圖5 所示。

圖5 橋梁樁身軸力變化曲線圖

通過對(duì)圖5 所示樁身軸力隨深度變化曲線分析可知，1 號(hào)曲線是樁頂在承受5 500 kN 荷載作用下軸力隨深度變化曲線，2 號(hào)曲線是樁基在3 500 kN樁頂荷載下的樁身軸力隨深度變化曲線。1 號(hào)和2 號(hào)曲線相交位置為深度14 m 處，深度在14 m 以上1 號(hào)曲線的正摩阻力約為1 300 kN，2 號(hào)曲線的負(fù)摩阻力約為750 kN，與樁基負(fù)摩阻力計(jì)算結(jié)果基本一致，說明該項(xiàng)目所處濕陷性黃土地區(qū)樁基設(shè)計(jì)和施工符合施工規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)某在建橋梁樁基礎(chǔ)承載力進(jìn)行研究，分析單樁豎向承載力和樁身強(qiáng)度計(jì)算，并對(duì)樁基沉降和土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論：

a）分析樁基承載力與樁側(cè)負(fù)摩阻力值和樁側(cè)阻力極限值之間的關(guān)系，得出單樁豎向極限承載力和樁身強(qiáng)度計(jì)算公式，可為樁身承載力研究提供理論基礎(chǔ)。

b）在橋梁承臺(tái)和樁側(cè)土層中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)樁身隨荷載所產(chǎn)生的沉降和樁側(cè)土壤含水量，繪制樁頂位移隨荷載變化情況監(jiān)測(cè)曲線和樁基隨荷載沉降變化曲線，得出樁頂總沉降量為8.420 8 mm，符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

c）通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制樁身軸力隨深度變化曲線，得出深度在14 m 以上1 號(hào)曲線的正摩阻力約為1 300 kN，2 號(hào)曲線的負(fù)摩阻力約為750 kN，符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。