溫啟明

摘要：由于黃土區(qū)的非均勻濕陷性，樁側(cè)負(fù)摩阻力將會(huì)對(duì)橋梁樁基沉降及不均勻沉降產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因而估算負(fù)摩阻力是濕陷性黃土地區(qū)樁基變形分析的關(guān)鍵。本文對(duì)深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開(kāi)研究，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果和負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理的負(fù)摩阻力的理論分析，推導(dǎo)負(fù)摩阻力的計(jì)算公式，為類(lèi)似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】公路橋梁;樁基沉降;濕陷性黃土;負(fù)摩阻力

橋梁樁基在上部結(jié)構(gòu)自重及車(chē)輛荷載下，其沉降主要分為三部分：①樁體材料受壓產(chǎn)生的彈性變形;②樁身周?chē)膫?cè)摩阻力的出現(xiàn)，在土層中產(chǎn)生附加應(yīng)力，使得樁端下部土層被壓縮，進(jìn)而引起樁端沉降;③樁端土層在上部荷載作用下，被進(jìn)一步壓縮，引起樁端沉降。一般的，負(fù)摩阻力的產(chǎn)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(jié)土或者未固結(jié)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(cè)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，那么樁側(cè)土體的沉降變形值一定>橋梁樁基礎(chǔ)的沉降變形量，對(duì)于持力層為巖石的端承樁，沿著樁身全長(zhǎng)可能均出現(xiàn)負(fù)摩阻力，而對(duì)于摩擦型樁是否出現(xiàn)負(fù)摩阻，則要根據(jù)樁-土的位移差值及相對(duì)方向判斷。

本文對(duì)深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開(kāi)研究，基于現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)靜載以及浸水靜載試驗(yàn)和控制變量浸水試驗(yàn)，研究濕陷性黃土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)的沉降變形特征、樁側(cè)的負(fù)摩阻力分布變化規(guī)律，并對(duì)負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理和變化規(guī)律進(jìn)行理論分析，并推導(dǎo)單樁和群樁兩種情況下的負(fù)摩阻力計(jì)算公式，最后根據(jù)黃體地區(qū)的特點(diǎn)，介紹常用的處理措施，為類(lèi)似工程提供參考。

1.負(fù)摩阻力與樁基沉降的試驗(yàn)研究

現(xiàn)場(chǎng)選取三根樁基進(jìn)行試驗(yàn)，分別編號(hào)S1、S2、S3，分別進(jìn)行靜載、浸水靜載、控制變量浸水三種試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。浸水靜載試驗(yàn)，即先讓樁周土層浸水，在浸水完成后進(jìn)行載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)同常規(guī)載荷試驗(yàn)做法?？刂谱兞康慕囼?yàn)，則是先將S3固定在型鋼承臺(tái)之上，并在型鋼上安裝測(cè)力計(jì)等設(shè)備，然后向坑內(nèi)注水，在黃土濕陷后，土層向下沉陷，土-樁之間出現(xiàn)相對(duì)變形，樁周的土體會(huì)對(duì)樁基礎(chǔ)作用一下拉力，然后將此下拉力換算成單位面積下的負(fù)摩阻均值，通過(guò)鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、土壓力盒等測(cè)試樁身各監(jiān)測(cè)斷面的負(fù)摩阻力，進(jìn)而了解樁身范圍內(nèi)負(fù)摩阻力的分布。

根據(jù)控制變量的浸水試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示，樁側(cè)的負(fù)摩阻力的峰值區(qū)間為（41.5KPa～76.5KPa），而浸水試驗(yàn)的結(jié)果則為17.5KPa～28.8KPa，相比于傳統(tǒng)的浸水載荷試驗(yàn)，控制變量的浸水試驗(yàn)所測(cè)的結(jié)果更為準(zhǔn)確，且試驗(yàn)用時(shí)較短。

根據(jù)浸水靜載試驗(yàn)結(jié)果（如圖3所示），在開(kāi)始浸水階段，樁頂豎向位移的增速快，而隨著浸水時(shí)間的推移，在試驗(yàn)的18天后，樁基沉降的增大速率放緩，向接近平穩(wěn)發(fā)展，在停止浸水后，樁身的沉降又出現(xiàn)新的增長(zhǎng)，但是漲幅較小，增速比較平穩(wěn)，這是由于樁身周?chē)翆釉谂潘蟀l(fā)生重固結(jié)所致，但是用時(shí)較短。因此，在濕陷性黃土地區(qū)，樁身周?chē)耐翆右坏┏霈F(xiàn)輕微的濕陷，也會(huì)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，導(dǎo)致樁基的沉降，且變化速率較快。

2??濕陷性黃土地區(qū)負(fù)摩阻力理論分析

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

根據(jù)浸水試驗(yàn)，樁側(cè)的負(fù)摩阻力隨時(shí)間逐漸增加，待完全浸水后，增大速度加快，而在停水一段時(shí)間后，水分繼續(xù)滲入到土層，濕陷變形繼續(xù)增加，達(dá)到峰值，這一過(guò)程說(shuō)明，在浸水終止后，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，樁身周?chē)耐馏w的抗剪強(qiáng)度有所恢復(fù)，進(jìn)而負(fù)摩阻力也會(huì)隨之提高，因此，負(fù)摩阻力的峰值并非是出現(xiàn)在浸水期間，也可能出現(xiàn)在浸水結(jié)束后，土體固結(jié)穩(wěn)定后。如圖4所示，圖（a）為正摩阻力，（c）為負(fù)摩阻力，而（b）則為正摩阻力向負(fù)摩阻力的轉(zhuǎn)變階段。正負(fù)摩阻力的判斷，要根據(jù)相對(duì)位移判斷，若為+，即樁基豎向變形大于樁側(cè)土體沉陷值，則為正摩阻力，反之，樁側(cè)土體沉降大于樁身沉降，在樁側(cè)產(chǎn)生向下的摩阻力，則為負(fù)摩阻力。從摩阻力分布圖可知，在樁身有一摩阻力為0的點(diǎn)，即中性點(diǎn)，該點(diǎn)無(wú)相對(duì)位移，但內(nèi)力最大，此點(diǎn)也是正、負(fù)摩阻力的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

3.負(fù)摩阻力的計(jì)算

3.1單樁負(fù)摩阻力計(jì)算

根據(jù)摩擦力計(jì)算公式，其值與摩擦系數(shù)和正壓力相關(guān)，摩擦系數(shù)取決于土性和樁身材料，而正壓力則為有效應(yīng)力，根據(jù)這一原理計(jì)算的摩擦力應(yīng)隨著深度的增加逐漸增加，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果，摩阻力并非一直增加，它存在一個(gè)類(lèi)似反彎點(diǎn)的分界點(diǎn)，該點(diǎn)的摩阻力為零，軸力最大，稱(chēng)之為中性點(diǎn)，顯然傳統(tǒng)的物理學(xué)方法不適合計(jì)算樁身摩阻力。

對(duì)自重濕陷性黃土，采用微積分進(jìn)行分析，在樁身選取任一微元體，根據(jù)樁側(cè)負(fù)摩阻力的分布規(guī)律，簡(jiǎn)化模型，建立拋物線型模型：

假定負(fù)摩阻力的峰值出現(xiàn)在樁頂和深度之間，假定最大深度為，在位置，，而在，則達(dá)到最大，在，，帶入方程，聯(lián)立求解，可得：

那么，樁身范圍內(nèi)的下拽力為：

對(duì)于單樁，僅需要確定與中性點(diǎn)，從而可確定總的下拽力，對(duì)于，有效應(yīng)力法的公式為，為靜止土壓力系數(shù)，為土體內(nèi)摩擦角。中性點(diǎn)的確定，可根據(jù)正、負(fù)摩阻力（積分求和）相等進(jìn)行計(jì)算，或者根據(jù)樁-土相對(duì)位移理論計(jì)算。

3.2群樁的負(fù)摩阻力計(jì)算

樁基的布置形式、根數(shù)、土質(zhì)等都會(huì)對(duì)群樁的負(fù)摩阻力產(chǎn)生影響，目前沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的理論計(jì)算公式可以定量計(jì)算，僅能通過(guò)一些簡(jiǎn)化方法得出定性結(jié)論。

常用的方法有以下兩種：

⑴泰沙基-佩克法

根據(jù)樁基的靜力平衡，建立樁基的靜力平衡關(guān)系，從而求得負(fù)摩阻：

其中，為上部結(jié)構(gòu)荷載，為附加荷載（均按單樁處理）。

⑵遠(yuǎn)藤法

根據(jù)日本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，樁基數(shù)量越多，沉降越小的特點(diǎn)，遠(yuǎn)藤將群樁效應(yīng)考慮在內(nèi)，假定群樁基礎(chǔ)中，各樁基受到相同的負(fù)摩阻力作用，且其沿著樁長(zhǎng)均勻分布，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出群樁的負(fù)摩阻力計(jì)算公式為：，其中為群樁效應(yīng)系數(shù)，為樁數(shù)。

4.治理措施

濕陷性黃土地區(qū)，橋梁樁基一旦發(fā)生不均勻沉降，應(yīng)首先進(jìn)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(lái)的影響。頂升糾偏，是將橋梁上部結(jié)構(gòu)抬升，使上、下部結(jié)構(gòu)分離，進(jìn)而對(duì)下部結(jié)構(gòu)實(shí)施加固、將支座加高，既可以消除不均勻沉降帶來(lái)的傾斜還可以解決因沉降所致的凈空不足的問(wèn)題;而迫降糾傾則是采用機(jī)械或人工，在沉降小的一側(cè)改變土體性質(zhì)，使其在短期內(nèi)發(fā)生沉降并穩(wěn)定，以達(dá)到糾傾的目的。

而當(dāng)?shù)鼗休d力不足，沉降過(guò)大時(shí)，則需要增補(bǔ)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(yù)制樁，并將既有承臺(tái)擴(kuò)充，將新樁與舊樁連接成一個(gè)整體，使二者協(xié)同受力，以達(dá)到提高承載力的目的。為使新舊承臺(tái)的剪力可靠傳遞，可以通過(guò)植筋或者設(shè)置剪力鍵。對(duì)于增補(bǔ)樁基，需要滿(mǎn)足如下要求：①加固計(jì)算應(yīng)考慮新老樁基的支撐、樁徑等;②考慮新樁構(gòu)造與舊樁的間距，可將新增的樁基間距適當(dāng)減小;③增補(bǔ)樁基，應(yīng)對(duì)稱(chēng)增補(bǔ)，避免不均勻沉降。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文就深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下公路橋梁樁基沉降展開(kāi)研究，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究濕陷性黃土地區(qū)樁基沉降特征、樁側(cè)負(fù)摩阻力的分布，并對(duì)負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理和分布規(guī)律進(jìn)行理論分析，并推導(dǎo)單樁和群樁負(fù)摩阻力的計(jì)算公式，主要結(jié)論如下：

⑴控制變形浸水試驗(yàn)相比如浸水靜載試驗(yàn)，可以更準(zhǔn)確快速的獲取樁身摩阻力的分布，樁側(cè)的負(fù)摩阻力呈現(xiàn)顯著的時(shí)間效應(yīng)，樁周土體排水重新固結(jié)也會(huì)增大樁側(cè)的負(fù)摩阻力;

⑵單樁的負(fù)摩阻力與靜止土壓力系數(shù)，土體內(nèi)摩擦角及中性點(diǎn)位置相關(guān)，而群樁的負(fù)摩阻力與樁間距、樁的根數(shù)、布置方式相關(guān)，通過(guò)計(jì)算群樁效應(yīng)計(jì)算負(fù)摩阻力。

濕陷性黃土地區(qū)，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)橋下排水的設(shè)計(jì)，并嚴(yán)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(yàn)和理論的角度進(jìn)行研究，后期還應(yīng)結(jié)合有限元軟基進(jìn)行分析。

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