鄭麗涵，陳(.福建省莆田市公路局， 福建 莆田 3500； .福州大學 土木工程學院， 福建 福州 3506)

寧海特大橋不等長樁基礎問題探析

根據(jù)寧海特大橋樁基礎的實際情況，闡述不等長樁基礎的存在性。從地殼運動、河床變遷、洪潮影響及橋位土層分布四個角度分析造成樁長差異的原因。基于m法，分析計算多排樁及單排樁情況下不等長樁基礎的內力和變形情況。結果表明：因不等長樁基礎導致樁基礎幾何中心、彈性中心和扭轉中心不重合，不等長度樁基和等長度樁基在受力特點上存在較大差異；討論改善樁長差異的措施，如調整嵌巖深度和其他邊設計邊施工的方法，但措施基本停于理論，應進一步從理論提升簡單必要的構造措施加以改善。

樁基礎；不等長；m法；寧海特大橋

《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[1](JTG D63-2007)中第5.1.5條，在同一樁基礎中，除特殊設計外，不宜同時采用摩擦樁和端承樁；不宜采用直徑不同、材料不同和樁端深度相差過大的樁。但在實際樁基礎施工中，在復雜地質情況下，不等長樁基礎是不可避免的，等長樁基礎只是理想的設計狀態(tài)。不等長樁基礎與等長樁基礎內力和位移上有何不同？不等長樁基礎會產出哪些不良影響？有何改善措施？本文從這些問題展開分析。

對于樁基礎的計算，最成熟的方法就是彈性地基梁法，即m法。文獻[1]附錄P中將地面或局部沖刷線以下hm=2(d+1)深度范圍內的各層土換算成一個m值，近似作為整個樁深度的地基土比例系數(shù)，并以表格的形式，給出了對于αh>2.5的單排樁及多排樁不同情況下的作用效應及水平位移，方便工程人員使用。學者們基于m法，結合有限元計算軟件，建立起樁基承臺有限元模型，進行多排樁樁基-土體相互作用情況模擬，認為不等長度樁基和等長度樁基在受力特點上存在較大差異，并提出改善措施。

以寧海特大橋樁基礎樁長差異展開分析，本文建模計算單排樁不等長樁基礎的作用效應和水平位移，并討論改善措施。

1 工程概況

福建省省道201線寧海特大橋，橫跨木蘭溪，橋梁全長1 044 m，橋面寬度41 m，左右幅分離，雙向8車道。主橋為(45 m+5×70 m+45 m)變截面預應力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，采用花籃造型實體橋墩，雙排樁基礎；引橋采用柱式橋墩，單排樁基礎；橋臺采用肋形臺，雙排樁基礎。全橋共160根鉆孔灌注樁，其中直徑Φ2.2 m(1～7號、9～14號、16～22號)，128根；直徑Φ1.8 m(0號臺)，8根；直徑Φ1.5 m(8號、15號過渡墩)，24根。

全橋基礎實際樁長與設計樁長差異懸殊，如表1所示。呈以下特點：(1) 水中樁基短于陸上樁基，且主橋水中樁基基本短于設計樁長，引橋岸上樁基基本長于設計樁長。如圖1所示，7～18號樁基實際成樁樁長小于設計樁長；0～6號、19～22號樁基實際成樁樁長大于設計樁長。(2) 全橋最長樁基與最短樁基相差60 m。全橋最短樁基，位于12號墩右幅，長度18.162 m；最長樁基位于21號墩左幅，長度78.162 m。(3) 同一承臺樁長差異大。雙排樁基礎，引橋0號臺右幅，最短樁長41.45 m，最長樁長61.75 m，相差20.3 m；主橋11左幅，最短樁長35.359 m，最長樁長49.811 m，相差14.452 m。單排樁基礎，21號墩左幅，一根樁基78.162 m，一根樁基46.483 m，相差31.679 m。(4) 實際成樁樁長與設計樁長差異大。21號墩左幅，最長樁基78.162 m，設計樁長44.7 m，增長33.462 m；12墩右幅，最短樁長18.162 m，設計樁長41 m，縮短22.838 m。全橋實際成樁樁長與設計樁長相差15 m以上的有14根，實際成樁樁長與設計樁長相差10 m以上的有28根。

在寧海特大橋樁基礎施工過程中，設計單位本來根據(jù)規(guī)范提出，對于單樁基礎同一橋墩下兩樁長度差宜<2.0d；對于群樁基礎，同一橋墩承臺下各樁長度差宜<1.5d，但最終無法實施。

2 樁長差異形成原因分析

寧海特大橋位于木蘭溪下游感潮河段，究其樁長差異懸殊原因，與橋位處水文地質情況較復雜、基巖巖面起伏大有很大關系。具體分析如下：

2.1 地殼運動造成巖面起伏

根據(jù)文獻[2]，距今1300多年前，木蘭陂所在的南北洋平原大部分地區(qū)，還是一片白浪滔滔的海灣。后來海岸上升，海水后退，逐漸演變成海邊的沼澤地。說明當時地殼運動時，部分巖石隆起部分巖石下沉，高低不平；或者原始巖層形成時，巖漿運動激烈，巖漿冷卻后形成的基巖面起伏大。

表1 樁長情況表 單位：m

2.2 河床位置變遷

根據(jù)文獻[3]提供的估計是元豐六年(1083年)木蘭溪下游河段圖(如圖2所示)及文獻[3]中的闡述“木蘭溪下游河段原先是一條順直的河流，那么為何會形成今天這樣蜿蜒曲折的河段呢？”，木蘭溪下游河床位置變遷的可能性較大，現(xiàn)有河床位置以前可能為陸域，受河流沖刷小，因此基巖面較高，樁基較短。

2.3 橋位位于洪潮交界處

根據(jù)文獻[3-4]，木蘭溪發(fā)源于福建省泉州戴云山脈，流經(jīng)德化、永春、仙游、莆田市區(qū)，迂回于南北洋，至山江口注入興化灣，流域面積1 732 km2，河長105 km。上游地處山區(qū)，下游的木蘭陂至山江口26 km為感潮段，受潮汐影響嚴重。木蘭溪下游從木蘭陂開始分為4段：(1) 木蘭陂到港利約4.2 km，河段彎曲不大；(2) 鄭坂至港利約12 km，該河段彎多、彎密、彎急，有10處大轉彎；(3) 港利至橋兜約5.5 km，該河段河面逐漸開闊，水位受洪潮交替影響；(4) 橋兜至三江口約4.3 km，該河段河面寬敞，水位主要受潮位控制。木蘭溪下游洪潮交界在寧海橋上下的一段河段內，在這一交界段下游，潮水起控制作用，在交界段上游，洪水起控制作用。說明寧海橋位位于洪潮交界處，受洪潮共同影響，水文地質復雜，造就橋梁樁基礎長度差異。

2.4 樁基礎穿越土層厚度差異大

根據(jù)地質鉆探及樁基礎施工過程中，所揭示的橋位處土層分布情況如下：

(1) 素填土：灰色、淺灰色，很濕，松散狀。主要為耕植土，成份以黏性土為主，含有少量植物根系和小粒徑礫石。局部地段含有碎石等硬雜質，含量約10%，厚度一般為0.80 m～2.00 m。

(2) 淤泥：深灰色，流塑，飽和，含少量有機質及腐殖質，局部夾薄層細砂。略有臭味。干強度高，韌性中等，稍有光滑，搖振反應慢。本層局部相變成淤泥質黏土，厚度3.20 m～18.90 m。

(3) 中細砂：深灰色，飽和，松散—稍密狀，成份主要為石英及石英質礫石為主，級配不良，以中砂為主，局部含有少量泥質，厚度一般為2.30 m～6.30 m。

(4) 卵石：雜色，飽和，稍密—中密狀，主要有卵石、圓礫、中粗砂和少量黏性土組成，局部相變?yōu)閳A礫層。骨架顆粒母巖成份主要為中等風化凝灰熔巖或花崗巖，粒徑一般為60 mm～100 mm，局部可達200 mm以上，礫石呈亞圓狀，充填物主要為中粗砂及少量黏性土，顆粒級配較好，厚度2.70 m～11.40 m。

(5) 殘積砂質黏性土：灰白、褐黃色，稍濕—濕，上部以可塑狀為主，下部為硬可塑狀為花崗巖風化殘積而成?？梢娔笌r殘余結構，長石及暗色礦物已完全風化成黏土礦物，黏性較差，厚度6.40 m～9.00 m。

(6) 全風化花崗巖：灰白、灰黃、淺黃色，稍濕，堅硬，有殘余強度，成份主要為石英、長石礦物，巖石已風化成砂土狀，巖體結構呈散體狀，極破碎。遇水后易軟化崩解，浸水后可捏成團，巖體完整程度為極破碎，為極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級，厚度1.20 m～13.90 m。

(7) 強風化花崗巖：褐黃色、淺灰色，堅硬，原巖礦物成分主要為石英和長石，塊狀構造，鉆進有響聲，巖芯呈碎塊狀，局部為散土狀，錘擊聲啞，無回彈，屬軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級，厚度1.40 m～14.40 m。

(8) 中風化花崗巖：淺灰、灰白色，堅硬，花崗結構，塊狀構造，巖石的完整程度為較破碎，裂隙一般發(fā)育，巖芯呈柱狀—長柱狀，錘擊聲脆，為較硬巖，巖石質量基本等級為Ⅳ級。

從以上土層分布情況，可知各土層厚度差異大，導致樁長差異懸殊。

圖1 全橋樁長情況對比圖

圖2 元豐六年(1083年)木蘭溪下游河段圖

3 不等長樁基礎計算

3.1 基于m法的計算原理

不同承臺下樁長差異大，對結構受力影響不大；但同一個承臺下樁長差異大，對樁基礎整體受力影響則不可忽視。文獻[1]等對于不等長樁基礎的內力及位移計算均采用m法計算原理，即樁側土對樁基的水平作用采用節(jié)點線彈性支撐模擬，水平彈簧的支承剛度為：

Ki=b1×m×hi×Si

(1)

式中：b1為樁基的計算寬度；m為地基土的比例系數(shù)；hi為地面(或最大沖刷線)到i點的深度；Si為i節(jié)點所在土層的土層厚度。

3.2 雙排樁基礎

文獻[5-7]對群樁基礎的不等長樁基情況進行了有限元模擬計算。文獻[5]提出規(guī)范將地面或局部沖刷線以下hm=2(d+1)深度范圍內的各層土換算成一個m值，近似作為整個樁深度的地基土比例系數(shù)，有所不妥；并通過計算結果表明，對于群樁基礎，不等長度樁基和等長度樁基在受力特點上存在較大差異：(1) 長度小的樁基承受的彎矩大，長度大的樁基承受的彎矩?。?2) 各樁身會產生較大的扭矩。文獻[6]提出m法計算樁基礎時未考慮樁側土摩阻力的影響，通過采用節(jié)點多折線彈性支承模擬樁側摩阻力對樁基的豎向作用，研究樁側土摩阻力對長短組合樁基軸力分布的影響。文獻[7]中提出當群樁基礎的樁長不等時，會導致樁基礎幾何中心、彈性中心和扭轉中心不重合，因此基礎會產生一定的附加內力、不均勻沉降等一系列對上部結構不利的影響。

3.3 單排樁基礎

文獻對群樁基礎不等長樁基的計算比較多，對單排樁情況的不等長樁基礎的內力及位移情況的研究比較少，本文重點計算對單排樁情況下不等長樁基礎的內力及位移情況。

用MIDAS軟件建模，承臺和樁基礎均采用梁單元進行模擬。樁基初始長度為50 m，每米為一個單元，嵌巖樁采用固結(約束X、Y、Z三個方向的平動及Z方向的轉動)進行模擬邊界條件。樁基穿越土層及所采用的數(shù)據(jù)，如表2所示。根據(jù)文獻[4]附錄P，經(jīng)計算b1取2.88；承臺頂受到的外荷載為N0=22 906.5 kN，Q0=1 300 kN，M0=6 872 kN·m。進行以下五個工況計算：工況1，水平彈簧的支承剛度，所有節(jié)點采用同一值3×106kN/m；工況2，水平彈簧的支承剛度，每個節(jié)點不一致，彈性支承只到卵石層；工況3，水平彈簧的支承剛度，每個節(jié)點不一致，彈性支承樁基礎全長設置；工況4，水平彈簧的支承剛度，每個節(jié)點不一致，彈性支承樁基礎全長設置，樁基長度一根40 m，另外一根50 m；工況5，水平彈簧的支承剛度，每個節(jié)點不一致，彈性支承樁基礎全長設置，樁基長度一根30 m，另外一根50 m。五種工況下，樁頂截面的位移、軸力和彎矩情況如表3所示。給出有限元模型，并給出節(jié)點號16、66的位置，其中工況1和工況4的差別是樁長不同，是一個樁長度相同，另外一個樁相差10 m，是短了？還是長了10 m？豎向支承情況怎么樣？如果分析后面的改進措施，嵌巖樁樁端是否應該固定支撐？

從表3可知，對于單排嵌巖樁基礎：(1) 樁周土對抵抗水平力所起的作用與其本身的變形有關，土體壓縮的越厲害，其抗力發(fā)揮的程度越大，而自樁頂以下，樁的水平方向變形越來越小，土體埋深越大，土體對抵抗水平荷載的應該是越低，其m值的大小也越不重要。(從工況2和工況3可知)該條驗證了文獻[1]按m法計算彈性樁基水平位移及作用效應第176頁的條文說明。(2) 整個樁基礎的m值可采用hm深度范圍的換算的m值來計算。(3) 樁基礎不等長，樁頂截面水平位移是等長樁基情況的10倍以上。(4) 不等長樁基礎中的兩根樁基礎長樁樁頂截面的軸力、彎矩及水平位移大于短樁的。

表2 土層情況表

4 不等長樁基礎的改善措施

為了改善不等長樁基礎的產生的不良影響，提高結構的可靠度，消除附加內力變形，對樁基礎采取了相應的改善措施。

4.1 調整嵌巖深度

寧海特大橋由于基巖面起伏大，尤其是水中主橋持力基巖面高，持力基巖上覆蓋土層厚度薄，為減少樁長差距，設計單位提出加大嵌巖深度措施，如表4、表5所示。根據(jù)地質評價論證會專家意見，設計樁端持力層為中風化花崗巖，上部覆蓋有厚度大于5.5 m的卵石、全風化花崗巖、強風化花崗巖，樁基入巖深度要求可根據(jù)卵石、全風化花崗巖、強風化花崗巖的總厚度進行調整，上述巖土層總厚度較大時，樁基入巖深度可以小一些。若強風化花崗巖巖層單軸飽和抗壓強度達20 MPa～30 MPa，可考慮作為樁端持力層，但入巖深度應適當加大。

表3 樁頂截面內力情況

表4 嵌巖深度表(H>20 m)

表5 嵌巖深度表(H≤20 m)

注：表中d為樁基直徑。

該方法中，對于短樁，加大了嵌巖深度，部分嵌巖深度達到了5d，對于樁徑2.2 m的樁基，嵌巖深度達到11 m，雖然結構安全性有保障，但作業(yè)班組情緒大，勞動積極性不高；對于長樁，雖然專家提出，覆蓋土層厚，可以考慮部分摩阻力，減少嵌巖深度，但沒有人愿意去冒這個風險，實施過程中不具備可操作性。

4.2 其他改善方法

文獻[7]中，基于為了讓三心統(tǒng)一(幾何中心、彈性中心和扭轉中心)，根據(jù)扭轉中心和彈性中心的計算公式，提出4種改善措施，一是調整混凝土強度等級，通過改變彈性模量(E)來調整；二是調整樁徑(改變A、I)；三是相對承臺幾何中心非對稱布樁；四是同時調整混凝土強度等級(E)和樁徑(R)。文獻中亦對4種改善措施進行評價，方法一改善效果不明顯；方法二同一承臺不同樁徑，操作性不強，且樁徑不可能無休止增大；方法三對樁基外排造成墩臺“短懸臂”現(xiàn)象，可操作性依然不強；方法四相對比較合理。但以上方法，均只停留在理論上。

文獻[6]中提出可以用有限元法定量分析樁長不同時群樁內力，指導樁基設計及現(xiàn)場樁基終孔，合理控制工程造價，具有重要意義。但這亦意味邊施工邊設計，邊設計邊施工，操作上亦存在難度。是否有簡單的構造上的措施，方便工程應用，值得進一步研究探索。

5 結 論

(1) 單排嵌巖樁基礎，在不考慮樁側土的豎向摩阻力情況下，兩根樁基不等長會導致樁頂水平位移產生突變。

(2) 從樁基一定深度起可不考慮樁周土體對樁基的水平支承作用。對于單排嵌巖樁基礎，計算時在該深度范圍內可以采用統(tǒng)一支承剛度。

(3) 不等長樁基礎會引起樁基礎內力變化及變形加大，應研究采取必要的構造措施。

[1] 中華人民共和國交通部.公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范：JTG D63-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 李文輝.木蘭陂小史[J].中國水利，1984(1)：39-40.

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[5] 施權君,韋達潔.用有限元法計算不等長樁基的內力[J].山西建筑，2007，33(6)：130-131.

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Analysis of the Problems of the Unequal Length Pile Foundation of the Specially Long Span Bridge in Ninghai

ZHENG Lihan1, CHEN Shen2

(1.PutianBureauofPublicRoadsofFujianProvence,Putian,Fujian351100,China; 2.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

According to the real situation of the pile foundation of the specially long span bridge in Ninghai, the existence of pile foundation with different length is discussed. The reasons are analyzed from four aspects: crustal movement, river-bed evolution, the influence of flood and tide, soil layer distribution. Based on M method, the internal force and deformation of unequal pile foundation under the condition of multi-row piles and single-row piles are studied and calculated. Results showed that there are differences on mechanical characteristics between the unequal length and the equal length pile foundation, because the geometric center, the elastic center and the torsion center of the unequal length pile foundation are not coincident. Moreover, the measures to improve the difference of pile length have been proposed, such as adjusting the depth of embedded rock and other methods designed during construction, but the measures basically stopped at the theory stage, more research should focus on the necessary structural measures upgrading from theory.

pile foundation; unequal length; m method; Ninghai specially long span bridge

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.041

2016-07-03

鄭麗涵(1984—)，女，福建莆田人，工學碩士，主要從事路橋管理工作。 E-mail:214638787@qq.com

TU473

A

1672—1144(2016)06—0213—05