淺述橋梁樁基負摩阻力的計算

汪曉霞

眾所周知,橋梁通常興建在地形復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣的地區(qū),這就要求橋梁基礎(chǔ)必須穩(wěn)固可靠,樁基礎(chǔ)具備承載力高、性能安全可靠等優(yōu)點,在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用。一般樁側(cè)表面與土體之間存在著摩擦阻力,摩擦阻力的方向則取決于樁與周圍地基土之間的相對位移。在橋梁樁基設(shè)計中,負摩阻力的影響是一項極其重要的因素,尤其是在軟土地區(qū)。本文圍繞橋梁樁基負摩阻力的產(chǎn)生機理、計算方法及防治措施等開展研究,提出了若干建議,供設(shè)計參考。

1 負摩阻力的產(chǎn)生機理分析

當樁基穿越欠固結(jié)的軟弱土層而支撐于比較硬的土層中,樁側(cè)土因固結(jié)產(chǎn)生的沉降量大于樁的沉降量時,樁身就會產(chǎn)生負摩阻力。即使是在正常固結(jié)黏土或粉土地基中,若長期抽取地下水,致使大面積地下水位下降,則上覆土自重增大,土中的有效應(yīng)力增加,將會出現(xiàn)大范圍土體下沉,也會導(dǎo)致樁身出現(xiàn)負摩阻力。總的來說,判別樁基是否產(chǎn)生負摩阻力的重要條件是樁周土和樁之間是否發(fā)生相對變形。

2 計算方法

2.1 計算思路

橋梁樁基設(shè)計中,欲確定樁身負摩阻力的大小,首先要確定產(chǎn)生負摩阻力的深度及負摩阻力強度的大小。需要說明的是,樁身負摩阻力并不一定發(fā)生于整個軟弱土層中。根據(jù)前文所述的負摩阻力的判定方法,負摩阻力的范圍就是樁側(cè)土層產(chǎn)生相對下沉的范圍,受樁側(cè)土層的壓縮性、樁身彈性壓縮變形和樁趾下沉量的影響。負摩阻力的強度則與基樁沉降及樁側(cè)土壓縮沉降、沉降速率、穩(wěn)定歷時等因素有關(guān),且它隨時間的變化和分布也比較復(fù)雜。為確定負摩阻力強度大小,應(yīng)研究產(chǎn)生負摩阻力時樁—土相互作用的特點、沿樁身土體的抗剪強度特征及樁側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)。一般說來,樁側(cè)土與樁的粘著力和樁表面負摩阻力的大小取決于土的抗剪強度。樁的負摩阻力雖有時效,但出于安全考慮,設(shè)計中可取其最大值。

2.2 中性點的位置

正負摩擦阻力分界的位置稱為中性點,其確定方法如下:1)對于摩擦樁和不完全支撐樁,中性點深度按下式估算:

其中,L為樁長,m,對于支撐樁為至壓密層頂部的深度。

2)對于樁尖打入砂土和砂礫層中的支撐樁,中性點深度按下式估算:

3)對于樁尖打入基巖或硬質(zhì)卵石層中的支撐樁,中性點深度按下式估算:

中性點的深度與樁周土體的壓縮性、變形條件、樁與持力層的剛度等因素有關(guān)。在樁、土沉降穩(wěn)定之前,中性點的位置是不固定的。當?shù)孛嬗卸演d時,中性點的深度取決于堆載的大小,堆載越大,中性點位置越深。

2.3 負摩阻力強度的計算

工程實踐中,主要采用如下三種方法來計算負摩擦力:

1)對于黏性土,根據(jù)室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度估算:

其中,fn為樁側(cè)單位面積的負摩擦力,kPa;qu為土體無側(cè)限抗壓強度,kPa。

2)對于砂土,根據(jù)標準貫入試驗估算:

3)根據(jù)土體的豎向有效應(yīng)力計算負摩阻力:

其中,σv′為豎向有效應(yīng)力,kPa;K0為靜止土壓力系數(shù);β為有效內(nèi)摩擦角,(°)。K0tanφ′為與土質(zhì)、樁型、成樁工藝有關(guān)的系數(shù),由試驗或?qū)崪y確定;對于淤流、淤泥質(zhì)土、黏土,可取 K0tanφ′=0.15～0.25,對于粉質(zhì)黏土、粉土,可取 K0tanφ′=0.25～0.40,對于砂土,可取 K0tanφ′=0.35～0.50,對于自重濕陷性黃土,可取K0tanφ′=0.20～0.35。

作用于樁身上的總負摩阻力按下式計算:

其中,fni為第i層土體的負摩擦力,kPa;hi為第i層土體的厚度,m;Up為樁長,m。

計算出負摩阻力后,按下式驗算單樁承載力:

其中,Q為作用于樁頂面的外荷載,kN;Qns為總負摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載,kN;R為單樁軸向承載力設(shè)計值,kN;a為安全系數(shù),一般取 a=1.4。

表1 負摩擦力值

此外,波蘭的樁基規(guī)范提供的負摩擦力值如表1所示,計算時可供參考。

2.4 負摩阻力計算中存在的問題

在應(yīng)用有效應(yīng)力法計算樁基負摩阻力中,由于工程中不易測定孔隙水壓力,通常取零值,所以這種方法所計算出的是極限摩阻力,并且,單位負摩阻力隨樁深增大而增大,負摩阻力的最大值出現(xiàn)在中性點處,而依據(jù)中性點的定義此處負摩阻力應(yīng)為零。而實際上,由負摩阻力的最大值減小到中性點處負摩阻力為零要經(jīng)過相當長的一段樁長。因此,采用此法計算負摩阻力時結(jié)果不夠準確。樁側(cè)負摩阻力的發(fā)揮及大小與樁土的剪切位移是密切相關(guān)的,因此樁側(cè)負摩阻力并不是都同時達到極限,而目前在負摩阻力計算中,基本上都是采用理想彈塑性變形模型,即認為樁側(cè)負摩阻力發(fā)揮到極限值后保持恒定,而實際情況并非如此。尤其是近年來橋梁工程中出現(xiàn)了各種大直徑超長樁以及新型樁,對樁側(cè)負摩阻力的確定提出了新的挑戰(zhàn)。

3 消減負摩阻力的措施

1)橋梁建設(shè)場地內(nèi)若存在較厚的回填土,回填土的固結(jié)將對樁產(chǎn)生負摩擦力,應(yīng)對回填土進行壓密,達到規(guī)范規(guī)定的壓實度。

2)橋梁樁基影響范圍內(nèi)若存在欠固結(jié)的軟弱壓縮土層時,采用換土或打砂樁等方法進行地基處理,避免地面堆載引起壓縮土層下沉量大于樁身的下沉量而產(chǎn)生負摩擦力。

3)對大面積地面堆載的場地,應(yīng)增設(shè)保護樁,減少樁周土重固結(jié)產(chǎn)生的負摩阻力。

4)對有大量地表水向下滲流和場地地下水大量抽降,應(yīng)設(shè)置良好的排水設(shè)施以及采取有效措施處理抽水后形成的土層下沉。

5)計算出樁的中性點后,在中性點上段涂刷強度高、耐久性好的防護涂料,以減小樁的負摩阻力。

6)通過計算得到樁的負摩阻力值,利用正、負摩阻力的極限平衡條件,采取適當?shù)拇胧?如加長樁尖進入持力層的厚度或增大正摩擦力等,以抵消樁的負摩擦力。

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