李光耀

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430050)

鄭州黃河公鐵兩用大橋大堤淤背區(qū)樁基負(fù)摩阻力分析

李光耀

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430050)

樁基工程常會(huì)遇到負(fù)摩阻力問題，如果處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生危害。本文結(jié)合鄭州黃河公鐵兩用大橋工程實(shí)例，對(duì)由地面大面積填筑填土產(chǎn)生的樁基負(fù)摩阻力進(jìn)行了詳細(xì)的分析，根據(jù)填筑施工與橋梁施工的時(shí)間關(guān)系，劃分為兩種工況。分析表明，基礎(chǔ)竣工前已完成的填土，所引起的地基土下沉在基礎(chǔ)竣工前已經(jīng)完成，可不考慮其對(duì)樁基的影響?；A(chǔ)竣工后再填筑的填土，對(duì)樁基會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力，應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。

大面積填土 負(fù)摩阻力 分析計(jì)算

樁基負(fù)摩阻力使樁基礎(chǔ)的荷載增大，沉降增加，特別是在樁基及上部結(jié)構(gòu)工程竣工后再大面積填筑人工填土引起的負(fù)摩阻力，對(duì)工程的危害更大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)此予以高度重視，除了考慮負(fù)摩阻力計(jì)算樁基礎(chǔ)外，還應(yīng)采取有效措施，減小負(fù)摩阻力的作用［1］。

1 工程概況

鄭州黃河公鐵兩用大橋?yàn)槲涫F路客運(yùn)專線及河南中原黃河公路大橋跨越黃河的特大公鐵兩用橋。鐵路橋長(zhǎng)14.89 km，公路主線橋長(zhǎng)11.58 km，其中公鐵合建段9.18 km，是我國(guó)目前最長(zhǎng)的公鐵兩用橋梁。大橋采用97.6 m跨的系桿拱方案跨越黃河北大堤，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑1.5 m，樁長(zhǎng)70～95 m。在大橋建設(shè)期及建成后，黃河水利委員會(huì)為加固黃河大堤，將在大堤淤背區(qū)將逐年填筑河床淤積物。按大堤加固設(shè)計(jì)方案，最終填筑高程是96.76 m，從勘察時(shí)的地面高程88.07 m算起，大堤淤背區(qū)將填筑8.69 m的填土，填土呈帶狀分布，寬約100 m，詳見圖1。

圖1 黃河北大堤淤背區(qū)填土規(guī)劃示意(單位：m)

由于大面積堆載，淤背區(qū)的上部可壓縮土層將會(huì)產(chǎn)生壓縮沉降，樁側(cè)土就會(huì)對(duì)橋梁樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，設(shè)計(jì)時(shí)如果對(duì)樁基負(fù)摩阻力考慮不周，將導(dǎo)致樁基承載力不足，樁基下沉量增加，基礎(chǔ)將發(fā)生不均勻沉降，甚至影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的使用?！豆窐蚝鼗c基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)［2］第 5.3.2 條只提到樁基設(shè)計(jì)應(yīng)考慮填土荷載所引起的負(fù)摩阻力的影響，對(duì)計(jì)算方法卻沒有涉及。本文將對(duì)鄭州黃河公鐵兩用大橋北大堤淤背區(qū)樁基負(fù)摩阻力進(jìn)行分析和實(shí)用計(jì)算。

2 場(chǎng)地土層條件

根據(jù)鉆探資料，場(chǎng)地土層主要為粉細(xì)砂，夾少量粉土和粉質(zhì)黏土，土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

3 淤背區(qū)負(fù)摩阻力成因分析

樁受軸向力后，相對(duì)于樁側(cè)土產(chǎn)生位移，土對(duì)樁就產(chǎn)生向上作用的摩阻力，稱正摩阻力。但是，當(dāng)樁穿過軟弱易壓縮土層，且地面有較大面積的堆載作用，或地下水位下降，或土層欠固結(jié)等情況，均會(huì)引起樁側(cè)地基土壓縮下沉，如果樁側(cè)土沉降大于樁受荷后的沉降，則樁側(cè)土相對(duì)于樁向下位移，土對(duì)樁就產(chǎn)生向下作用的摩阻力，稱為負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力不但不是樁承載力的一部分，反而成為施加在樁上的外荷載，從而降低樁基的承載能力［3］。

勘察期間場(chǎng)地地面高程為88.07 m，在基礎(chǔ)施工前已完成厚4.97 m的填土，填筑到地面高程93.04 m，按照設(shè)計(jì)規(guī)劃，淤背區(qū)將要填筑到96.76 m，即基礎(chǔ)施工完成后還要填筑3.72 m的填土。考慮填筑時(shí)間對(duì)負(fù)摩阻力的影響，根據(jù)填筑施工與橋梁施工的時(shí)間關(guān)系，可按兩種工況分析填土對(duì)樁基的負(fù)摩阻力。

3.1 基礎(chǔ)施工前已完成的填土

場(chǎng)地土層條件可分為砂土和黏性土、粉土。場(chǎng)地土絕大部分為砂土，對(duì)砂土而言，填筑工程完成后，土層的壓縮變形就已基本完成。對(duì)于黏性土、粉土，填筑工程完成后，其瞬時(shí)沉降和部分固結(jié)沉降已完成，剩余沉降為部分固結(jié)沉降ΔHc和次固結(jié)沉降ΔHs。場(chǎng)地土在樁基作用范圍的黏性土、粉土共有三層，取厚度最大的12層粉質(zhì)黏土與13層粉土計(jì)算所需固結(jié)時(shí)間 t。根據(jù)單向固結(jié)理論［4］得

式中，t為固結(jié)時(shí)間;Tv為時(shí)間因子;Cv為土的固結(jié)系數(shù);H為最大排水距離。

根據(jù)土工試驗(yàn)，平均固結(jié)系數(shù)為 Cv=1.2×10－5m2/s，按雙面排水，H取總厚度的一半，即H=17.7 m。計(jì)算表明，固結(jié)度達(dá)到95%時(shí)(時(shí)間因子Tv取1)所需固結(jié)時(shí)間約為76 d。因此，可以認(rèn)為這部分填土所引起的地基土下沉在基礎(chǔ)竣工前已經(jīng)完成，不考慮其對(duì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力的影響。

3.2 基礎(chǔ)施工后再填筑的填土

基礎(chǔ)施工完成后，還將大面積填筑3.72 m的填土，由填土所引起的附加荷載在樁基作用范圍內(nèi)隨著土層深度的增加而減小得極少，當(dāng)?shù)鼗蓧嚎s土層較厚時(shí)，會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力。另外，新填筑的填土本身還將固結(jié)下沉，填土本身也會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力。這兩種成因的負(fù)摩阻力共同作用于樁基，應(yīng)予以高度重視。

4 中性點(diǎn)位的確定

要確定負(fù)摩阻力的大小，首先需要確定中性點(diǎn)的位置。所謂“中性點(diǎn)”是指樁土位移相等、摩阻力等于零的分界點(diǎn)，該深度以上土的下沉量大于樁的下沉量，樁承受負(fù)摩阻力;該深度以下土的下沉量小于樁的下沉量，樁承受正摩阻力。確定中心點(diǎn)位置通常采用估算法和土層沉降計(jì)算法。

4.1 估算法

中性點(diǎn)的深度可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)［4］估算，這種方法方便、快捷。但規(guī)范估算僅考慮樁端持力層的性質(zhì)，沒有考慮樁周地面上附加荷載大小等因素的影響。中性點(diǎn)深度按表2取值。

表2 不同土層的中性點(diǎn)深度ln取值

本工程填土是在樁基及上部結(jié)構(gòu)施工完成后填筑，且結(jié)構(gòu)對(duì)沉降變形要求高，中性點(diǎn)深度 ln宜取大值，即取樁周沉降變形土層下限深度。從場(chǎng)地土質(zhì)條件分析，8層中砂以上土質(zhì)較軟，壓縮模量較小，以下土質(zhì)較硬，壓縮模量較大，屬低壓縮性土層。中性點(diǎn)位可定為8層中砂層的頂面，深度約為20～23 m。

4.2 土層沉降計(jì)算法

計(jì)算樁周土在填土附加應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沉降量。本場(chǎng)地填土荷載P=67 kPa，填土寬度取100 m。以DZN140鉆孔地質(zhì)資料為例，依據(jù)分層總和法計(jì)算各土層的沉降ΔS為

式中，Ms為沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù);σi為第i層土附加應(yīng)力的平均值;Esi為第i層土的壓縮模量;hi為第i層土的厚度。

表3為沉降計(jì)算結(jié)果。由表3可見：8層中砂層頂面的沉降為5.03 mm，根據(jù)《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，無砟橋面礅臺(tái)基礎(chǔ)工后的均勻沉降量不應(yīng)超過20 mm，相鄰礅臺(tái)沉降量之差不大于5 mm。因此，可將8層中砂層頂面作為中性點(diǎn)深度ln。估算法和土層沉降計(jì)算法結(jié)果表明，這兩種方法確定中心點(diǎn)深度是基本一致的。

5 負(fù)摩阻力的計(jì)算

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)第5.4.3條規(guī)定，對(duì)于摩擦型基樁可取樁身計(jì)算中性點(diǎn)以上側(cè)阻力為零計(jì)算其承載力。此計(jì)算方法的前提是樁基有較大的沉降，這在高速鐵路橋梁工程中是不允許的。在高速鐵路橋梁工程中，不論是摩擦樁還是端承樁，均應(yīng)考慮負(fù)摩阻力引起樁基的下拉荷載，應(yīng)將下拉荷載計(jì)入附加荷載驗(yàn)算樁基的沉降。

表3 分層總和法計(jì)算由填土荷載引起的土層沉降量

5.1 負(fù)摩阻力取值

確定樁基負(fù)摩阻力大小的方法較多，較準(zhǔn)確的方法是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但該方法費(fèi)用大、難度高、時(shí)間長(zhǎng)。另外，還有室內(nèi)模擬方法、理論公式計(jì)算方法、經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值方法。本文按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)的公式進(jìn)行負(fù)摩阻力計(jì)算。N140墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為3×5=15根，長(zhǎng)1.5 m鉆孔灌注樁，樁間距4.0 m，地下水位83.29 m。

土層負(fù)摩阻力計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 負(fù)摩阻力系數(shù) ξni取值

表5 土層負(fù)摩阻力計(jì)算取值

計(jì)算結(jié)果表明，由于中性點(diǎn)深度較大，填土厚度大，表中計(jì)算負(fù)摩阻力 q′si都大于樁側(cè)摩阻力 τi，負(fù)摩阻力取值qnsi為計(jì)算負(fù)摩阻力 q′si與樁側(cè)摩阻力 τi的較小值。

5.2 基樁下拉荷載Qng計(jì)算

式中，n為中心點(diǎn)以上土層數(shù);u為樁身周長(zhǎng);li為中心點(diǎn)以上土層厚度;ηn為負(fù)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)，取ηn=1.0為第i層土樁側(cè)負(fù)摩阻力，按表5取值。

6 結(jié)語

1)研究大面積填土產(chǎn)生附加荷載引起的樁基負(fù)摩阻力，關(guān)鍵是正確確定中性點(diǎn)深度。中心點(diǎn)深度主要與附加荷載大小、土層的可壓縮性質(zhì)及上部結(jié)構(gòu)所允許的沉降變形量有關(guān)。

2)采用計(jì)算土層沉降變形量方法來確定中性點(diǎn)深度時(shí)，要特別重視土層壓縮模量和沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)確定中心點(diǎn)深度影響極大。壓縮模量應(yīng)取土的“自重壓應(yīng)力”至“自重壓應(yīng)力與附加壓應(yīng)力之和”的壓應(yīng)力段所對(duì)應(yīng)的變形值，同時(shí)要注意修正室內(nèi)試驗(yàn)可能產(chǎn)生的誤差。

3)橋梁基礎(chǔ)對(duì)沉降變形有嚴(yán)格的控制，因此，對(duì)橋梁工程而言，摩擦樁、端承樁都應(yīng)計(jì)算負(fù)摩阻力。

4)在有負(fù)摩阻力的場(chǎng)地建設(shè)橋梁，橋梁上部結(jié)構(gòu)宜盡可能采用允許相對(duì)較大沉降的橋式結(jié)構(gòu)，這樣可較大地提高中心點(diǎn)深度，減小負(fù)摩阻力，降低基礎(chǔ)工程的費(fèi)用。

［1］傅朝方.側(cè)摩阻力對(duì)樁穩(wěn)定性的影響［J］.華東公路，2002(4)：71-74.

［2］中華人民共和國(guó)交通部.JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］周國(guó)林.單樁負(fù)摩阻力傳遞機(jī)理分析［J］.巖土力學(xué)，1991，12(3)：35-42.

［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：26-35.

U445.55+1

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1003-1995(2011)03-0020-03

2010-08-30;

2010-12-15

李光耀(1960— )，男，湖北漢陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 白敏華)