公路橋梁樁基沉降研究

溫啟明

摘要：由于黃土區的非均勻濕陷性，樁側負摩阻力將會對橋梁樁基沉降及不均勻沉降產生嚴重影響，因而估算負摩阻力是濕陷性黃土地區樁基變形分析的關鍵。本文對深厚黃土地區非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開研究，基于現場試驗結果和負摩阻力產生機理的負摩阻力的理論分析，推導負摩阻力的計算公式，為類似工程提供參考。

【關鍵詞】公路橋梁;樁基沉降;濕陷性黃土;負摩阻力

橋梁樁基在上部結構自重及車輛荷載下，其沉降主要分為三部分：①樁體材料受壓產生的彈性變形;②樁身周圍的側摩阻力的出現，在土層中產生附加應力，使得樁端下部土層被壓縮，進而引起樁端沉降;③樁端土層在上部荷載作用下，被進一步壓縮，引起樁端沉降。一般的，負摩阻力的產生原因主要有以下幾種：樁周大面積堆載;大范圍降水;樁周為欠固結土或者未固結的填土;濕陷性黃土的濕陷;砂土液化;凍土融解等。如果在樁側出現負摩阻力，那么樁側土體的沉降變形值一定>橋梁樁基礎的沉降變形量，對于持力層為巖石的端承樁，沿著樁身全長可能均出現負摩阻力，而對于摩擦型樁是否出現負摩阻，則要根據樁-土的位移差值及相對方向判斷。

本文對深厚黃土地區非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開研究，基于現場常規靜載以及浸水靜載試驗和控制變量浸水試驗，研究濕陷性黃土地區橋梁樁基礎的沉降變形特征、樁側的負摩阻力分布變化規律，并對負摩阻力產生機理和變化規律進行理論分析，并推導單樁和群樁兩種情況下的負摩阻力計算公式，最后根據黃體地區的特點，介紹常用的處理措施，為類似工程提供參考。

1.負摩阻力與樁基沉降的試驗研究

現場選取三根樁基進行試驗，分別編號S1、S2、S3，分別進行靜載、浸水靜載、控制變量浸水三種試驗，試驗現場如圖1所示。浸水靜載試驗，即先讓樁周土層浸水，在浸水完成后進行載荷試驗，試驗同常規載荷試驗做法。控制變量的浸水試驗，則是先將S3固定在型鋼承臺之上，并在型鋼上安裝測力計等設備，然后向坑內注水，在黃土濕陷后，土層向下沉陷，土-樁之間出現相對變形，樁周的土體會對樁基礎作用一下拉力，然后將此下拉力換算成單位面積下的負摩阻均值，通過鋼筋計、應變計、土壓力盒等測試樁身各監測斷面的負摩阻力，進而了解樁身范圍內負摩阻力的分布。

根據控制變量的浸水試驗結果，如圖2所示，樁側的負摩阻力的峰值區間為（41.5KPa～76.5KPa），而浸水試驗的結果則為17.5KPa～28.8KPa，相比于傳統的浸水載荷試驗，控制變量的浸水試驗所測的結果更為準確，且試驗用時較短。

根據浸水靜載試驗結果（如圖3所示），在開始浸水階段，樁頂豎向位移的增速快，而隨著浸水時間的推移，在試驗的18天后，樁基沉降的增大速率放緩，向接近平穩發展，在停止浸水后，樁身的沉降又出現新的增長，但是漲幅較小，增速比較平穩，這是由于樁身周圍土層在排水后發生重固結所致，但是用時較短。因此，在濕陷性黃土地區，樁身周圍的土層一旦出現輕微的濕陷，也會出現負摩阻力，導致樁基的沉降，且變化速率較快。

2??濕陷性黃土地區負摩阻力理論分析

在自重型濕陷性黃土地區，土體在浸水后發生濕陷，使得樁身周邊的土體變形超過樁的豎向變形，因而在樁身產生負摩阻力，其值大小與濕陷等級、黃土特征、樁基的材料、截面形狀、浸水時間等有關。目前多采用荷載傳遞法來分析此問題，其雖可反映樁-土間的非線性特征但無法反映負摩阻力的傳遞特性，因此本文采用雙曲線型荷載傳遞法來研究樁側負摩阻力的分布。

根據浸水試驗，樁側的負摩阻力隨時間逐漸增加，待完全浸水后，增大速度加快，而在停水一段時間后，水分繼續滲入到土層，濕陷變形繼續增加，達到峰值，這一過程說明，在浸水終止后，土體產生固結沉降，樁身周圍的土體的抗剪強度有所恢復，進而負摩阻力也會隨之提高，因此，負摩阻力的峰值并非是出現在浸水期間，也可能出現在浸水結束后，土體固結穩定后。如圖4所示，圖（a）為正摩阻力，（c）為負摩阻力，而（b）則為正摩阻力向負摩阻力的轉變階段。正負摩阻力的判斷，要根據相對位移判斷，若為+，即樁基豎向變形大于樁側土體沉陷值，則為正摩阻力，反之，樁側土體沉降大于樁身沉降，在樁側產生向下的摩阻力，則為負摩阻力。從摩阻力分布圖可知，在樁身有一摩阻力為0的點，即中性點，該點無相對位移，但內力最大，此點也是正、負摩阻力的轉變點。

3.負摩阻力的計算

3.1單樁負摩阻力計算

根據摩擦力計算公式，其值與摩擦系數和正壓力相關，摩擦系數取決于土性和樁身材料，而正壓力則為有效應力，根據這一原理計算的摩擦力應隨著深度的增加逐漸增加，但是根據現場試驗的結果，摩阻力并非一直增加，它存在一個類似反彎點的分界點，該點的摩阻力為零，軸力最大，稱之為中性點，顯然傳統的物理學方法不適合計算樁身摩阻力。

對自重濕陷性黃土，采用微積分進行分析，在樁身選取任一微元體，根據樁側負摩阻力的分布規律，簡化模型，建立拋物線型模型：

假定負摩阻力的峰值出現在樁頂和深度之間，假定最大深度為，在位置，，而在，則達到最大，在，，帶入方程，聯立求解，可得：

那么，樁身范圍內的下拽力為：

對于單樁，僅需要確定與中性點，從而可確定總的下拽力，對于，有效應力法的公式為，為靜止土壓力系數，為土體內摩擦角。中性點的確定，可根據正、負摩阻力（積分求和）相等進行計算，或者根據樁-土相對位移理論計算。

3.2群樁的負摩阻力計算

樁基的布置形式、根數、土質等都會對群樁的負摩阻力產生影響，目前沒有一個準確的理論計算公式可以定量計算，僅能通過一些簡化方法得出定性結論。

常用的方法有以下兩種：

⑴泰沙基-佩克法

根據樁基的靜力平衡，建立樁基的靜力平衡關系，從而求得負摩阻：

其中，為上部結構荷載，為附加荷載（均按單樁處理）。

⑵遠藤法

根據日本地區工程經驗，樁基數量越多，沉降越小的特點，遠藤將群樁效應考慮在內，假定群樁基礎中，各樁基受到相同的負摩阻力作用，且其沿著樁長均勻分布，在此基礎上，推導出群樁的負摩阻力計算公式為：，其中為群樁效應系數，為樁數。

4.治理措施

濕陷性黃土地區，橋梁樁基一旦發生不均勻沉降，應首先進行糾偏處理，可以采用頂升糾偏或者迫降糾偏，消除不均勻沉降帶來的影響。頂升糾偏，是將橋梁上部結構抬升，使上、下部結構分離，進而對下部結構實施加固、將支座加高，既可以消除不均勻沉降帶來的傾斜還可以解決因沉降所致的凈空不足的問題;而迫降糾傾則是采用機械或人工，在沉降小的一側改變土體性質，使其在短期內發生沉降并穩定，以達到糾傾的目的。

而當地基承載力不足，沉降過大時，則需要增補樁基以提高承載力。在舊樁周邊施工鉆孔灌注樁或者打入預制樁，并將既有承臺擴充，將新樁與舊樁連接成一個整體，使二者協同受力，以達到提高承載力的目的。為使新舊承臺的剪力可靠傳遞，可以通過植筋或者設置剪力鍵。對于增補樁基，需要滿足如下要求：①加固計算應考慮新老樁基的支撐、樁徑等;②考慮新樁構造與舊樁的間距，可將新增的樁基間距適當減小;③增補樁基，應對稱增補，避免不均勻沉降。

5.結束語

本文就深厚黃土地區非均勻濕陷下公路橋梁樁基沉降展開研究，基于現場試驗研究濕陷性黃土地區樁基沉降特征、樁側負摩阻力的分布，并對負摩阻力產生機理和分布規律進行理論分析，并推導單樁和群樁負摩阻力的計算公式，主要結論如下：

⑴控制變形浸水試驗相比如浸水靜載試驗，可以更準確快速的獲取樁身摩阻力的分布，樁側的負摩阻力呈現顯著的時間效應，樁周土體排水重新固結也會增大樁側的負摩阻力;

⑵單樁的負摩阻力與靜止土壓力系數，土體內摩擦角及中性點位置相關，而群樁的負摩阻力與樁間距、樁的根數、布置方式相關，通過計算群樁效應計算負摩阻力。

濕陷性黃土地區，在橋梁設計時應加強對橋下排水的設計，并嚴禁在橋下大量堆載，并按照先路后橋的施工順序;本文僅從試驗和理論的角度進行研究，后期還應結合有限元軟基進行分析。

【參考文獻】

[1]董曉明.基于黃土非均勻濕陷變形的橋梁群樁基礎承載特性研究[D].長安大學，2013.

[2]毛堅強，蔣媛.基于單樁靜載試驗結果的群樁基礎沉降計算方法[J].鐵道學報，2017，39（1）：97-103.