哈薩克斯坦扎姆希河橋項目群樁基礎特性的應用研究

吳志賢

中鐵十四局集團有限公司, 山東濟南 250010

0 引言

交通運輸對世界經濟的發展和進步起著不可或缺的作用。現代交通追求效率，追求合理的綜合交通運輸成本，通過管理創新、技術創新等手段實現其重要價值，橋梁、道路作為交通命脈推動著交通運輸的發展。在工程實踐中，樁基礎作為最常見的基礎形式，擁有高承載力，強抗震力、高穩定性等優點，在高層建筑和軟土地區得到了廣泛的應用。橋梁工程樁基基礎中預制樁的應用正在逐步推廣，但由于工期、地質、技術經濟條件、施工工藝等諸多方面的具體要求，需綜合考慮其應用范圍[1-3]。

本文結合哈薩克斯坦扎姆希河橋項目，對預制群樁基礎的應用進行論證，對群樁基礎的樁長、樁間距及群樁側阻力進行群樁模擬分析，以驗證沉入樁參數選擇的正確性。

1 項目概況

哈薩克斯坦共和國國級公路“Astana-Karaganda-Balkash-Almaty”改造段是M-36“俄國邊界(葉卡捷琳堡)-阿拉木圖”公路的一部分，起訖樁號為KM1713—KM1740，設計里程為27 km，主要工程包括路基工程、路面工程、橋涵工程、交通安全設施工程等。

該項目為雙向4車道1-6級(哈薩克斯坦規范標準)公路，設計行車速度為120 km/h，路基寬度為25.5 m，包括扎姆希河跨河橋，長99.68 m，樁號為NK258+36.43—NK259+36.11；鋼筋混凝土管道28道，總長為912.86 m。主體路基土石方為170 萬m3，附加層13.03 萬m3，下基層59.6 萬m3，基層57.6 萬m3，瀝青面層51.9 萬m3。該標段工期為34個月，2019年6月開工。

2 施工條件

2.1 氣候條件

該項目區域為極強的大陸性氣候，氣溫波動范圍極大，空氣干燥、降水較少。年平均氣溫為5.4 ℃，1月份最冷，平均溫度為-14.7 ℃；7月份最熱，平均溫度為24.0 ℃，年均降雨量為137 mm，其中冬季平均降雨量為61 mm，春夏季平均降雨量為76 mm，冬季土壤凍結標準深度約為158～234 cm。項目所處地每年11月至次年3月為冬歇期，冬季周期較長，有效施工時間為4～10月，施工時間短。

2.2 地質條件

線路建設區域地質構造包括石炭系沉積層、多克勞花崗巖塊粗粒花崗巖、沖積、坡積-洪積和殘積第四系沉積層。該橋所處沉積層有坡積-洪積亞黏土、亞砂土、碎石土和角礫土、沖積砂礫土。線路旁地帶主要是輕質砂質亞黏土、亞砂土、含亞砂土填料的碎石土。土壤主要是天然土、過濕土，天然土可用作路基建設基礎，過濕土進行特殊處理后方可用于路基施工。該區域還包括鹽堿地、風化、沼澤化、底部侵蝕等不利地段。該橋梁樁基礎為群樁基礎，樁基部分如圖1所示。

a)正視圖 b)俯視圖圖1 扎姆希河跨河橋樁基示意圖

2.3 主要施工工藝及施工重點、難點

受施工工期和當地氣候條件的限制，為進一步優化工期，合理安排施工組織，大部分構件均采用預制構件，其中跨河橋的樁基礎為預制群樁基礎。

預制樁經濟效益好，施工方便，能有效縮短工期。然而，在選擇群樁時需根據地質水文條件，在受力相同時，對樁長、樁徑、樁間距以及樁的側摩阻力等方面進行對比，并結合施工的難易程度選擇最優方案。群樁施工時受群樁自身的幾何特征、受力變化、樁側及樁端的土性等因素綜合影響，群樁承載力與各單樁承載力計算不同，為簡化群樁基礎，方便受力分析和計算，假設群樁承載力等于各單樁承載力之和[4-6]。扎姆希河跨河預制樁基礎的打樁施工工藝流程如圖2所示。

3 群樁影響因素

研究表明，群樁承載力及沉降主要受樁周圍土質、樁中心距、樁體剛度、樁長、樁徑等因素影響[7-8]。

3.1 土質

該橋的群樁主要為端承樁，在樁端具有足夠承載力的前提下，土的摩擦系數較小時，土對樁身的摩擦力不予考慮。當土的摩擦系數較大時，通過樁身與土體間的摩擦力，可以抵抗較大的上部荷載，更好地控制沉降[9-13]。

圖2 預制樁施工工藝流程

通過深度小于14.0 m的地質鉆井勘查跨線橋施工區的土壤。距頂部1.5～2.0 m深度處發現地下水，7.0 m深度處發現亞砂土填料的水飽和砂礫土，7.0～8.5 m深度處發現夾雜碎石的塑性亞砂土，14.0 m深度處發現夾雜碎石的塑性亞砂土層。跨線橋所有支承基層的天然承重基礎采用夾雜碎石的塑性亞砂土層，通過計算確定其具有足夠承載力。

3.2 端承樁的工作機理

樁端土的壓塑性較小，端承樁承受豎向荷載時，樁身相對于土體的位移有限，側阻力占總受力的比例較小，大部分外加載荷傳遞到樁端，相鄰樁的樁側和樁端應力之間彼此影響小。樁端變形較小，樁頂下沉也較小，承臺對底部土體的影響忽略不計。每根端承樁的工作機理和單樁相似，群樁的承載力相當于單樁承載力的疊加，其它影響忽略不計。即端承樁的樁端承載力可以近似為各單樁的承載力之和[14-17]。計算時，群樁效應系數[18]

式中：pu為群樁的極限承載力，Qu為單樁極限承載力，n為樁的根數。

3.3 沉樁及控制

扎姆希河跨河橋采用預制樁基，可通過提高混凝土等級來提高樁身剛度，施工采用柴油錘樁機，需對樁頭做好防護措施。 在對預制樁進行施打時，一般情況下應按照從中間向四周、間隔跳打的方式，樁長不同時先深后淺，樁徑不同時先大后小，以避免應力過于集中。樁間距小時群樁雖會產生擠土效應，但在不飽和土中，土體受力收縮，可以抵消產生的擠壓應力，同時增強土體強度，并可以充分利用樁間的擠土加強樁身與土之間的摩擦力，以提高樁的承載力。扎姆希河跨河橋的樁基主要為端承樁，以貫入度控制為主，標高控制為輔[19-24]。由于樁間距較小，所以也需要同時考慮側向摩擦力的影響。

4 群樁模擬分析

群樁的控制重點是對沉降的控制。在設計階段需根據地質狀況，綜合考慮樁長L、樁間距和樁端阻力等對沉降的影響。本文通過不同的試驗，繪制相關曲線，對扎姆希河跨河橋的群樁預制基礎設計方案進行分析。

4.1 樁長不同時豎向荷載作用下的受力-沉降曲線

不同樁長L時，樁基承載力p對沉降s的影響如圖3所示。

圖3 不同樁長下群樁p-s曲線

理論分析及現場試驗都表明：p不會隨著L的增加而持續增加。在一定長度內，p隨L的增加而提高，但L達到一定值時，樁頂的荷載可以全部由樁側摩阻力[19]平衡。如果繼續增加樁頂荷載，樁會因為超過單樁豎向抗壓極限承載力而受到破壞[13]，此時的樁頂荷載稱為臨界荷載，L稱為臨界長度或者臨界深度。樁的長徑比R主要影響p的傳遞，R>100 時，樁頂的荷載幾乎全部由側阻力來承擔，端阻力可忽略不計，此時的樁一般為摩擦樁。此橋的樁基為端承樁，所以R不宜太大。即在樁徑不變的條件下，樁長越小越有利于端承樁作用的發揮。

由圖3可看出：L分別取7.5、10.0、12.5、15.0、17.5 m，p隨L的增大而增大。當p一定且受力小于600 kPa時，s隨L增大而減少的變化趨勢并不明顯。此橋的樁為方形，等效為相等周長的圓柱，則長徑比

R=L/D=πL/4a≈20，

式中：D為樁直徑，a為方形樁的邊長。

綜合考慮各方面因素，確保樁端阻力得到最大發揮，扎姆希河跨河橋的長徑比R≈20，在一定程度上為最優方案。

4.2 樁距不同時豎向荷載作用下的p-s曲線

樁距S不同時，群樁的p-s曲線如圖4所示。

圖4 不同樁距下群樁p-s曲線

由圖4可知：同等豎向荷載作用下，s隨樁間距S的增大而增大。樁間距分別為5D(D為樁徑)、6D，承載力p>400 kPa時，s隨著p的增大而增大，且此時p的增大對沉降影響更大，此種情況不利于控制沉降。樁間距為3D、4D時，s隨著p的增大而增大，但趨勢變緩。因此，當3D

扎姆希河跨河橋群樁基礎8樁的樁間距S=L/(7a)=3.4(由圖1b)得出)，即該橋的樁間距S=3.4D，考慮到不同樁距對沉降的影響，則S=3.4D為優選方案。

4.3 群樁側阻力分析

圖5 不同樁長下樁端阻力與p關系曲線

樁長為10、15、20 m時，樁端阻力[17]變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，樁端阻力隨著p的增加而增大，當p增加到一定值時，樁端阻力曲線出現拐點，樁端阻力隨著p的增加而減小。由于樁端阻力與樁側摩阻力存在互補關系，說明此時已不能忽略側摩阻力對樁的影響。在圖5中，L為15、20m時，必須考慮側摩阻力的影響，由此可以得出，隨著樁長的增長，側摩阻力的影響將增加，端阻力的發揮將受到影響。因此，在該土質條件下，L=10 m時端阻力隨著p的增大一直增加，說明樁側摩阻力最小。扎姆希河跨河橋的樁長為9 m，此時樁端阻力接近于最大狀態，有利于發揮端承樁作用。

5 結語

以哈薩克斯坦共和國國級公路“Astana-Karaganda-Balkash-Almaty”改造段M-36“俄國邊界(葉卡捷琳堡)-阿拉木圖”公路項目為依托，在當地氣候、地質條件下，結合工程施工的重點和難點，探究扎姆希河橋項目群樁基礎的特性。群樁效應的影響因素比較多，各因素對群樁的作用非常復雜，而且各影響因素之間存在疊加現象。對群樁的土層分布情況、樁身幾何特性、端承樁的工作機理、沉降控制方面進行分析，根據不同樁長、樁間距和樁端阻力對沉降的影響曲線，驗證沉入樁參數選擇的正確性。

在不同地質條件及不同類別的工程中，沉入群樁的數據仍需要進一步的驗證。未來預制群樁基礎在樁基領域中將會得到更充分的應用，具有施工速度快、質量高但施工參數較復雜等特點，預制群樁基礎的研究將為提高施工效率提供必要的基礎。