近海松軟沉積物運動對橋梁樁基礎的影響分析

李劍 賈淑婭 申昊

(1.中交鐵道勘察設計院有限公司，北京 100088; 2.北京市市政工程設計研究總院，北京 100082)

近年來隨著我國經濟的飛速發展，我國橋梁建設也取得舉世矚目的成就，特別是跨海大橋的設計施工開創了我國橋梁發展的新局面。針對目前跨海大橋所處地質條件的不同及我國沿海地區海洋地質條件多樣性的特點，需要研究海洋地質條件對跨海大橋的設計施工的影響。目前我國跨海大橋建設主要集中于河流沖積沿海地區，其特殊的地質條件(松軟沉積物)，有可能對橋梁基礎產生危害，更需要深入研究松軟沉積物對橋梁基礎的影響，以確定正確的設計、施工方法，盡量降低風險、提高效率。

1 近海海域松軟沉積物可能的地質災害

在我國南京—上海一線以北的廣大沿海及近岸淺海區，發育有郯城—廬江斷裂、滄東斷裂、唐山—蓬萊斷裂等活動斷裂及相對應的地震帶，潛在的地質災害比較多。主要有地震、活動斷裂、地面沉降、不穩定沉積、海岸侵蝕、沙土液化、現代潮流沙脊、海底滑坡等地質災害。

其中我國近海地區由于沖積平原較多［2］，風險最大的地質災害是不穩定沉積，它是指近地表或海底未固結的各種易變形、不穩定的松軟沉積物，包括港灣淤積、軟泥層、潮流沙脊、活動性沙丘、沙坡和暖流沉積。

不穩定沉積物發生地質災害的主要因素有以下幾點:

1)傾斜底面。

沉積物在堆積的速度很快而造成固結的高孔隙壓力的時候，即使坡度角遠小于1°，也可能發生活動或滑塌。

2)厚積沉積物。

當沉積物快速堆積，這樣就會影響正常的脫水，使沉積物固結不好，因而沉積物堆積不穩定，當正常固結或超固結的沉積物上有一個或多個低固結層呈互層時，便產生這些因素的綜合，這時沒有內部變形也可使塊體移動。

3)沉積物在高地勢上的堆積。

高地勢上堆積的物質很容易滑下來，因為周圍都是斜坡。但是，其不穩定性仍然是堆積速率、固結度和傾斜梯度的函數。即使沉積物附著很好，但如果外層物質比內部物質松散，或者負荷太大，則部分塊體也會向下運動。

4)大暴風浪。

大暴風浪可以引起一個構造內部的劇烈震動。而震動又可以傳播到海下的沉積物;而且大暴風浪也可以直接影響海底的沉積物。

在外力觸發下，不穩定沉積物有可能發生移動并造成危害。在我國近海地區，主要存在著海底滑坡、泥流和海底濁流等地質風險。其多發生于河口三角洲前緣和大陸坡轉折處，由于處于水下，液體的潤滑作用大大減小，此類災害產生的邊坡臨界角，在地震、新構造運動、海嘯、風暴潮等動力觸發下，甚至在坡度為0.5°的地帶，即可發生此類邊坡災害位移。這類地質災害，可能對海洋橋梁基礎造成致命危害，甚至影響其上部結構受力。

2 海底沉積物移動對橋梁基礎的影響

前面闡述了很多松軟沉積物的移動問題，但是沉積物移動的后果和對海上建筑物、橋梁結構的影響有:第一，由于沉積物運動時，其強度下降，因而可能引起支撐力的下降，進而引發橋梁樁基礎的承載力下降。第二，側向的沉積物運動可能對橋梁樁基礎產生橫向拖拽力，并使樁頂產生水平位移，對樁身受力情況不利。

2.1 沉積物運動引起樁基礎承載力下降

通過實驗室周期性加載試驗表明:在重復加荷的情況下，土體強度會發生明顯下降，對松軟物質更是如此，這是由于孔隙水壓力增加的結果。在區域重復加載作用期間，如風暴浪作用，可能產生持續數小時的周期性應力作用，對于滲透性較差的粘結性沉積物，會使得孔隙水壓力增大，因而其土體強度會發生明顯下降。而在地震力作用下，可以認為作用時間較短，以致孔隙水壓力的數值還來不及增大，因而沉積物的強度也不會顯著降低。

通過風暴浪對海底影響的淺層試驗表明，在風暴期間，沉積物的強度顯著降低［3］。起初，風暴產生了多次應力換向，而沒有引起平均孔隙壓力的顯著增加。最后，在風暴浪的作用下，沉積物結構開始破壞，孔隙壓力迅速增加。這一現象類似于砂土中的液化作用，但是由于這些沉積物的滲透性與砂土相比要低得多，所以，沉積物的破壞速度也要慢得多。同時，沉積物中的某些凝聚力也阻止了強度的完全降低。但是，綜合來看，松軟沉積物在風暴作用下，很容易產生土體強度的顯著下降。

但是，對于橋梁基礎結構，上層有松軟沉積物時，樁基通常要深入到海底堅硬持力層上，因此上層松軟沉積物的強度降低，對橋梁結構樁基礎承載力影響不會太大。因此，這里主要討論有沉積物的橫向移動，引起的拖拽力，對橋梁結構基礎受力的影響。

2.2 松軟沉積物的物理性質

對于現代沉積物，通常認為這些物質的性質更像粘—彈性物質。在穩定荷載作用下，粘—彈性物質的變形跟時間有關，其剛度隨加荷速率的增加而增加，卸荷的應力—應變曲線不同于加荷的應力—應變曲線［2］。國外通常采用原位切樣葉片作為強度測量裝置，對松軟沉積物進行試驗。裝置一個能測量剪切樣品扭矩T的轉換器，一個能測量葉片轉動角θ的角位換能器和一個能準確控制葉片轉動速度的驅動機構。這樣，把設備放入松軟沉積物中進行試驗，可以測算出扭矩T與轉動數據之間的關系。

每一個轉動速度可以計算一個粘—彈性正割剪切剛度ˉG:

其中，Tn為標準化扭矩，用一個與葉片尺寸有關的參數除以實際扭矩，就能得到。當轉動角很小時，ˉG就等于線性粘—彈性剪切模量。

2.3 松軟沉積物橫向移動引起的拖拽力

動力學對空氣和水的橫向運動，對物體的拖拽作用研究已經很多，本文借用了其中的結論。流體通過圓柱體運動，在圓柱體上產生的單位長度的拖拽力可以用一般形式表示為:

其中，CD為拖拽系數;D為圓柱直徑;f(M)為流體的某些相應的物性;f(V)為流體速度的一個函數。

而缺少實驗數據時，可采用Marti根據理論和試驗資料對松軟沉積物的拖拽因子進行的計算結果。單位長度的拖拽力可以表示為:

其中，Cu為沉積物的不排水剪切強度;D為樁柱的直徑。

但式(2)并沒有反映沉積物運動速度的作用。

2.4 考慮移動速度影響的沉積物運動引起的拖拽力

Marti利用大型樣品剪切設備深入研究，用裝有儀表的樁柱模型在沉積物中來回移動來模擬沉積物運動速度對樁基礎的作用。

假設:考慮速度作用的最簡單方法是利用以速度為自變量的剪切強度。這樣，可以作如下的試驗:在沉積物中以不同的移動速度，移動裝有儀表的樁柱，用V/D來表示。其中，V為移動速度;D為樁柱的直徑。由于沉積物的非排水強度與速度有關，所以剪切強度應以某些標準應變率表示，在這種情況下，葉片轉動速度為0.014 3 rad/s，這個速度就是現場葉片的轉動速度。處于這個速度的剪切強度叫做Cuo。因而，根據試驗結果和理論分析，最終的拖拽力方程應該為:

FD=11.42×D×Cu×(125.9)n×(V/D)n(3)［1］

式(2)說明了沉積物移動對建筑物的真實影響。顯然，樁周圍的沉積物，其非排水剪切強度是非常重要的，它與拖拽力的關系是線性的。降低沉積物剪切強度的任意一個因素(如周期性荷載)也將減少拖拽力。但是，沉積物的移動速度又將隨著剪切強度的減少而增加，這樣帶來的不利作用遠遠大于剪切強度降低帶來的好處，因而，增加沉積物的移動速度，對樁基礎的受力產生不利影響。

3 橫向拖拽力作用下樁體受力分析

海洋橋梁基礎設計計算時，如果沒有確切的試驗數據來確定海底松軟沉積物在風暴浪作用下的移動速度，可以近似采用FD= 11.42×D×Cu來計算樁身所受的橫向拖拽力。橫向拖拽力對樁體的作用主要體現在:水平力作用下樁身產生的水平位移和內力的作用，下面分別從樁身變位(側移和轉角)、樁身內力(彎矩和剪力)和樁側土應力進行分析。

在沉積物移動橫向拖拽力作用下，樁體受力可看作是在沉積物厚度上均勻分布的作用力，如圖1所示，其中y1是沉積物土層厚度，y2是樁進入不擾動土層的深度。

圖1 橫向拖拽力對樁作用圖示

合力作用點可近似的看作位于沉積物厚度中點處。

對于承受側向荷載的樁的分析，大體可以分為地基系數法和彈性理論法，目前大多采用地基系數法。考慮松軟沉積物移動時，其自身抗力主要來源于樁深入下層不擾動的土層中所產生的抗力，因此，可采用地基系數法，對樁體位移及土體受力進行計算。

地基系數法［4］認為樁側土抗力的大小不僅與土的種類有關，而且與側向外力作用或力矩作用下樁身產生的側向位移的大小有關，當樁身側向位移較小時，樁身任意點處的土抗力與樁身側移之間可近似考慮為線性關系，而樁身側移較大時，則土抗力與樁身側移應按非線性關系考慮。

目前，我國和國外對于橋梁等結構的基樁分析，大多認為這類結構位于土體頂部的側移不太大，一般認為僅在1 cm左右，因此樁身任一點處樁側抗力與該點處樁身側移之間的關系可以近似地看作是線性的。

綜上所述，當樁基礎頂層松軟沉積物在大暴風浪的作用下運動時，對樁體產生的橫向拖拽力可由式(2)計算得出，其計算結果可作為短期荷載計入到樁體受力計算中，可以提高計算準確程度，并提高樁的安全性。

4 結語

本文通過對沿海地區災害地質狀況的分析整理，可以判斷松軟沉積物的擾動、滑坡可能對橋梁樁基礎造成影響，分析了松軟沉積物移動對樁基礎產生的橫向拖拽力，并對樁身在橫向力作用下的受力分析，這樣可以盡量避免跨海橋梁在設計施工中可能出現的問題，以達到降低風險、提高效率的目的。

［1］ 阿諾德·博曼.近海地質風險［M］.北京：石油工業出版社，1990.

［2］ 許東禹.中國近海地質［M］.北京：地質出版社，1997.

［3］ 聶 武，孫麗萍，李治彬，等.海洋工程鋼結構設計［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.

［4］ 胡人禮.橋梁樁基礎分析和設計［M］.北京：中國鐵道出版社，1987.