淺述橋梁樁基負(fù)摩阻力的計(jì)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(diǎn),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?chē)鼗林g的相對(duì)位移。在橋梁樁基設(shè)計(jì)中,負(fù)摩阻力的影響是一項(xiàng)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(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理、計(jì)算方法及防治措施等開(kāi)展研究,提出了若干建議,供設(shè)計(jì)參考。

1 負(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理分析

當(dāng)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(shí),樁身就會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。即使是在正常固結(jié)黏土或粉土地基中,若長(zhǎng)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(huì)出現(xiàn)大范圍土體下沉,也會(huì)導(dǎo)致樁身出現(xiàn)負(fù)摩阻力。總的來(lái)說(shuō),判別樁基是否產(chǎn)生負(fù)摩阻力的重要條件是樁周土和樁之間是否發(fā)生相對(duì)變形。

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算思路

橋梁樁基設(shè)計(jì)中,欲確定樁身負(fù)摩阻力的大小,首先要確定產(chǎn)生負(fù)摩阻力的深度及負(fù)摩阻力強(qiáng)度的大小。需要說(shuō)明的是,樁身負(fù)摩阻力并不一定發(fā)生于整個(gè)軟弱土層中。根據(jù)前文所述的負(fù)摩阻力的判定方法,負(fù)摩阻力的范圍就是樁側(cè)土層產(chǎn)生相對(duì)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(fù)摩阻力的強(qiáng)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(shí)等因素有關(guān),且它隨時(shí)間的變化和分布也比較復(fù)雜。為確定負(fù)摩阻力強(qiáng)度大小,應(yīng)研究產(chǎn)生負(fù)摩阻力時(shí)樁—土相互作用的特點(diǎn)、沿樁身土體的抗剪強(qiáng)度特征及樁側(cè)的應(yīng)力狀態(tài)。一般說(shuō)來(lái),樁側(cè)土與樁的粘著力和樁表面負(fù)摩阻力的大小取決于土的抗剪強(qiáng)度。樁的負(fù)摩阻力雖有時(shí)效,但出于安全考慮,設(shè)計(jì)中可取其最大值。

2.2 中性點(diǎn)的位置

正負(fù)摩擦阻力分界的位置稱(chēng)為中性點(diǎn),其確定方法如下:1)對(duì)于摩擦樁和不完全支撐樁,中性點(diǎn)深度按下式估算:

其中,L為樁長(zhǎng),m,對(duì)于支撐樁為至壓密層頂部的深度。

2)對(duì)于樁尖打入砂土和砂礫層中的支撐樁,中性點(diǎn)深度按下式估算:

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

中性點(diǎn)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(diǎn)的位置是不固定的。當(dāng)?shù)孛嬗卸演d時(shí),中性點(diǎn)的深度取決于堆載的大小,堆載越大,中性點(diǎn)位置越深。

2.3 負(fù)摩阻力強(qiáng)度的計(jì)算

工程實(shí)踐中,主要采用如下三種方法來(lái)計(jì)算負(fù)摩擦力:

1)對(duì)于黏性土,根據(jù)室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度估算:

其中,fn為樁側(cè)單位面積的負(fù)摩擦力,kPa;qu為土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,kPa。

2)對(duì)于砂土,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)估算:

3)根據(jù)土體的豎向有效應(yīng)力計(jì)算負(fù)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(yàn)或?qū)崪y(cè)確定;對(duì)于淤流、淤泥質(zhì)土、黏土,可取 K0tanφ′=0.15～0.25,對(duì)于粉質(zhì)黏土、粉土,可取 K0tanφ′=0.25～0.40,對(duì)于砂土,可取 K0tanφ′=0.35～0.50,對(duì)于自重濕陷性黃土,可取K0tanφ′=0.20～0.35。

作用于樁身上的總負(fù)摩阻力按下式計(jì)算:

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

計(jì)算出負(fù)摩阻力后,按下式驗(yàn)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(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載,kN;R為單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值,kN;a為安全系數(shù),一般取 a=1.4。

表1 負(fù)摩擦力值

此外,波蘭的樁基規(guī)范提供的負(fù)摩擦力值如表1所示,計(jì)算時(shí)可供參考。

2.4 負(fù)摩阻力計(jì)算中存在的問(wèn)題

在應(yīng)用有效應(yīng)力法計(jì)算樁基負(fù)摩阻力中,由于工程中不易測(cè)定孔隙水壓力,通常取零值,所以這種方法所計(jì)算出的是極限摩阻力,并且,單位負(fù)摩阻力隨樁深增大而增大,負(fù)摩阻力的最大值出現(xiàn)在中性點(diǎn)處,而依據(jù)中性點(diǎn)的定義此處負(fù)摩阻力應(yīng)為零。而實(shí)際上,由負(fù)摩阻力的最大值減小到中性點(diǎn)處負(fù)摩阻力為零要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的一段樁長(zhǎng)。因此,采用此法計(jì)算負(fù)摩阻力時(shí)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。樁側(cè)負(fù)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(fù)摩阻力并不是都同時(shí)達(dá)到極限,而目前在負(fù)摩阻力計(jì)算中,基本上都是采用理想彈塑性變形模型,即認(rèn)為樁側(cè)負(fù)摩阻力發(fā)揮到極限值后保持恒定,而實(shí)際情況并非如此。尤其是近年來(lái)橋梁工程中出現(xiàn)了各種大直徑超長(zhǎng)樁以及新型樁,對(duì)樁側(cè)負(fù)摩阻力的確定提出了新的挑戰(zhàn)。

3 消減負(fù)摩阻力的措施

1)橋梁建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)若存在較厚的回填土,回填土的固結(jié)將對(duì)樁產(chǎn)生負(fù)摩擦力,應(yīng)對(duì)回填土進(jìn)行壓密,達(dá)到規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)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(shí),采用換土或打砂樁等方法進(jìn)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(fù)摩擦力。

3)對(duì)大面積地面堆載的場(chǎng)地,應(yīng)增設(shè)保護(hù)樁,減少樁周土重固結(jié)產(chǎn)生的負(fù)摩阻力。

4)對(duì)有大量地表水向下滲流和場(chǎng)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(jì)算出樁的中性點(diǎn)后,在中性點(diǎn)上段涂刷強(qiáng)度高、耐久性好的防護(hù)涂料,以減小樁的負(fù)摩阻力。

6)通過(guò)計(jì)算得到樁的負(fù)摩阻力值,利用正、負(fù)摩阻力的極限平衡條件,采取適當(dāng)?shù)拇胧?如加長(zhǎng)樁尖進(jìn)入持力層的厚度或增大正摩擦力等,以抵消樁的負(fù)摩擦力。

[1] 劉金勵(lì).樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1990.

[2] 華南理工大學(xué),東南大學(xué),浙江大學(xué),等.地基基礎(chǔ)[M].第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

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