濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)承教力研究

賓聚連

摘要：文章基于高速公路濕陷性黃土地區(qū)橋梁施工實(shí)踐，分析了濕陷性黃土樁基側(cè)向負(fù)摩阻力與樁側(cè)阻力對(duì)樁基承載力的影響，提出了橋梁?jiǎn)螛敦Q向極限承載力和樁身強(qiáng)度的計(jì)算方法，并通過在橋梁承臺(tái)和樁基土壤內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)樁基承載力與土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集和整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測(cè)曲線，分析結(jié)果說明樁基承載力符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：橋梁;濕陷性黃土;樁基承載力;沉降監(jiān)測(cè);土壤含水量

中圖分類號(hào)：U443.15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.043

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0158-04

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。由于濕陷性黃土工程性質(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]。

文章結(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24m。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15m，地層以下15～24m為粉土和粉質(zhì)黏土，均為低液限黏土，24～50m為角礫土。濕陷性黃土土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

橋梁設(shè)計(jì)采用10×25m多跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面全寬24.5m，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40m，樁徑為1.2m，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)摩阻力的作用下，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，而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。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Q_u減去中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力值N_F和樁側(cè)阻力極限值P_F。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Q_uf計(jì)算公式見式（1）：

Q_uf=Q_u-P_F-N_F⑴

而單樁豎向承載力容許值P_f計(jì)算式見式（2）（k為安全系數(shù)）：

P_f=Q_uf/k（2）

2.2樁身強(qiáng)度驗(yàn)算

在濕陷性黃土地基中，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)算公式見式（3）：

（3）

式中：Q₀——樁頂工作荷載，kN;

N_F——樁側(cè)負(fù)摩阻力值，kN;

A_P——樁身橫截面面積，m²;

S^P——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)行監(jiān)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)。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200～600mm，測(cè)量精度為1mm，工作電壓為直流12V，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)量精度士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100mm。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400×400mm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。

樁側(cè)土壤含水量的測(cè)量點(diǎn)根據(jù)地基土層厚度布置。該橋臺(tái)位置土層深度為15m，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，樁身軸力隨深度變化曲線如圖5所示。

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，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3500kN。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3.6758mm，樁頂總沉降量為8.4208mm，符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

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5500kN荷載作用下的軸力隨深度變化曲線，2號(hào)曲線是樁基在3500kN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14m處，深度在14m以上時(shí)，1 號(hào)曲線的正摩阻力約為1300kN，2號(hào)曲線的負(fù)摩阻力約為750kN，符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

4結(jié)語

本文通過對(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)算方法，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：

（1）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)。

（2）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8.4208mm，符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

（3）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14m以上時(shí)1號(hào)曲線的正摩阻力約為1300kN，2號(hào)曲線的負(fù)摩阻力約為750kN，符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

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