近海松軟沉積物運(yùn)動對橋梁樁基礎(chǔ)的影響分析

李劍 賈淑婭 申昊

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

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

1 近海海域松軟沉積物可能的地質(zhì)災(zāi)害

在我國南京—上海一線以北的廣大沿海及近岸淺海區(qū)，發(fā)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(yīng)的地震帶，潛在的地質(zhì)災(zāi)害比較多。主要有地震、活動斷裂、地面沉降、不穩(wěn)定沉積、海岸侵蝕、沙土液化、現(xiàn)代潮流沙脊、海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

其中我國近海地區(qū)由于沖積平原較多［2］，風(fēng)險最大的地質(zhì)災(zāi)害是不穩(wěn)定沉積，它是指近地表或海底未固結(jié)的各種易變形、不穩(wěn)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(wěn)定沉積物發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要因素有以下幾點(diǎn):

1)傾斜底面。

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

2)厚積沉積物。

當(dāng)沉積物快速堆積，這樣就會影響正常的脫水，使沉積物固結(jié)不好，因而沉積物堆積不穩(wěn)定，當(dāng)正常固結(jié)或超固結(jié)的沉積物上有一個或多個低固結(jié)層呈互層時，便產(chǎn)生這些因素的綜合，這時沒有內(nèi)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(zhì)很容易滑下來，因?yàn)橹車际切逼隆５牵洳环€(wěn)定性仍然是堆積速率、固結(jié)度和傾斜梯度的函數(shù)。即使沉積物附著很好，但如果外層物質(zhì)比內(nèi)部物質(zhì)松散，或者負(fù)荷太大，則部分塊體也會向下運(yùn)動。

4)大暴風(fēng)浪。

大暴風(fēng)浪可以引起一個構(gòu)造內(nèi)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(fēng)浪也可以直接影響海底的沉積物。

在外力觸發(fā)下，不穩(wěn)定沉積物有可能發(fā)生移動并造成危害。在我國近海地區(qū)，主要存在著海底滑坡、泥流和海底濁流等地質(zhì)風(fēng)險。其多發(fā)生于河口三角洲前緣和大陸坡轉(zhuǎn)折處，由于處于水下，液體的潤滑作用大大減小，此類災(zāi)害產(chǎn)生的邊坡臨界角，在地震、新構(gòu)造運(yùn)動、海嘯、風(fēng)暴潮等動力觸發(fā)下，甚至在坡度為0.5°的地帶，即可發(fā)生此類邊坡災(zāi)害位移。這類地質(zhì)災(zāi)害，可能對海洋橋梁基礎(chǔ)造成致命危害，甚至影響其上部結(jié)構(gòu)受力。

2 海底沉積物移動對橋梁基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的影響有:第一，由于沉積物運(yùn)動時，其強(qiáng)度下降，因而可能引起支撐力的下降，進(jìn)而引發(fā)橋梁樁基礎(chǔ)的承載力下降。第二，側(cè)向的沉積物運(yùn)動可能對橋梁樁基礎(chǔ)產(chǎn)生橫向拖拽力，并使樁頂產(chǎn)生水平位移，對樁身受力情況不利。

2.1 沉積物運(yùn)動引起樁基礎(chǔ)承載力下降

通過實(shí)驗(yàn)室周期性加載試驗(yàn)表明:在重復(fù)加荷的情況下，土體強(qiáng)度會發(fā)生明顯下降，對松軟物質(zhì)更是如此，這是由于孔隙水壓力增加的結(jié)果。在區(qū)域重復(fù)加載作用期間，如風(fēng)暴浪作用，可能產(chǎn)生持續(xù)數(shù)小時的周期性應(yīng)力作用，對于滲透性較差的粘結(jié)性沉積物，會使得孔隙水壓力增大，因而其土體強(qiáng)度會發(fā)生明顯下降。而在地震力作用下，可以認(rèn)為作用時間較短，以致孔隙水壓力的數(shù)值還來不及增大，因而沉積物的強(qiáng)度也不會顯著降低。

通過風(fēng)暴浪對海底影響的淺層試驗(yàn)表明，在風(fēng)暴期間，沉積物的強(qiáng)度顯著降低［3］。起初，風(fēng)暴產(chǎn)生了多次應(yīng)力換向，而沒有引起平均孔隙壓力的顯著增加。最后，在風(fēng)暴浪的作用下，沉積物結(jié)構(gòu)開始破壞，孔隙壓力迅速增加。這一現(xiàn)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(qiáng)度的完全降低。但是，綜合來看，松軟沉積物在風(fēng)暴作用下，很容易產(chǎn)生土體強(qiáng)度的顯著下降。

但是，對于橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度降低，對橋梁結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力的影響。

2.2 松軟沉積物的物理性質(zhì)

對于現(xiàn)代沉積物，通常認(rèn)為這些物質(zhì)的性質(zhì)更像粘—彈性物質(zhì)。在穩(wěn)定荷載作用下，粘—彈性物質(zhì)的變形跟時間有關(guān)，其剛度隨加荷速率的增加而增加，卸荷的應(yīng)力—應(yīng)變曲線不同于加荷的應(yīng)力—應(yīng)變曲線［2］。國外通常采用原位切樣葉片作為強(qiáng)度測量裝置，對松軟沉積物進(jìn)行試驗(yàn)。裝置一個能測量剪切樣品扭矩T的轉(zhuǎn)換器，一個能測量葉片轉(zhuǎn)動角θ的角位換能器和一個能準(zhǔn)確控制葉片轉(zhuǎn)動速度的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。這樣，把設(shè)備放入松軟沉積物中進(jìn)行試驗(yàn)，可以測算出扭矩T與轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

每一個轉(zhuǎn)動速度可以計算一個粘—彈性正割剪切剛度ˉG:

其中，Tn為標(biāo)準(zhǔn)化扭矩，用一個與葉片尺寸有關(guān)的參數(shù)除以實(shí)際扭矩，就能得到。當(dāng)轉(zhuǎn)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(xué)對空氣和水的橫向運(yùn)動，對物體的拖拽作用研究已經(jīng)很多，本文借用了其中的結(jié)論。流體通過圓柱體運(yùn)動，在圓柱體上產(chǎn)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(shù);D為圓柱直徑;f(M)為流體的某些相應(yīng)的物性;f(V)為流體速度的一個函數(shù)。

而缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，可采用Marti根據(jù)理論和試驗(yàn)資料對松軟沉積物的拖拽因子進(jìn)行的計算結(jié)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(qiáng)度;D為樁柱的直徑。

但式(2)并沒有反映沉積物運(yùn)動速度的作用。

2.4 考慮移動速度影響的沉積物運(yùn)動引起的拖拽力

Marti利用大型樣品剪切設(shè)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(yùn)動速度對樁基礎(chǔ)的作用。

假設(shè):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(qiáng)度。這樣，可以作如下的試驗(yàn):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(qiáng)度與速度有關(guān)，所以剪切強(qiáng)度應(yīng)以某些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變率表示，在這種情況下，葉片轉(zhuǎn)動速度為0.014 3 rad/s，這個速度就是現(xiàn)場葉片的轉(zhuǎn)動速度。處于這個速度的剪切強(qiáng)度叫做Cuo。因而，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，最終的拖拽力方程應(yīng)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(shí)影響。顯然，樁周圍的沉積物，其非排水剪切強(qiáng)度是非常重要的，它與拖拽力的關(guān)系是線性的。降低沉積物剪切強(qiáng)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(qiáng)度的減少而增加，這樣帶來的不利作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪切強(qiáng)度降低帶來的好處，因而，增加沉積物的移動速度，對樁基礎(chǔ)的受力產(chǎn)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(chǔ)設(shè)計計算時，如果沒有確切的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定海底松軟沉積物在風(fēng)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(xiàn)在:水平力作用下樁身產(chǎn)生的水平位移和內(nèi)力的作用，下面分別從樁身變位(側(cè)移和轉(zhuǎn)角)、樁身內(nèi)力(彎矩和剪力)和樁側(cè)土應(yīng)力進(jìn)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(jìn)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(diǎn)可近似的看作位于沉積物厚度中點(diǎn)處。

對于承受側(cè)向荷載的樁的分析，大體可以分為地基系數(shù)法和彈性理論法，目前大多采用地基系數(shù)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(chǎn)生的抗力，因此，可采用地基系數(shù)法，對樁體位移及土體受力進(jìn)行計算。

地基系數(shù)法［4］認(rèn)為樁側(cè)土抗力的大小不僅與土的種類有關(guān)，而且與側(cè)向外力作用或力矩作用下樁身產(chǎn)生的側(cè)向位移的大小有關(guān)，當(dāng)樁身側(cè)向位移較小時，樁身任意點(diǎn)處的土抗力與樁身側(cè)移之間可近似考慮為線性關(guān)系，而樁身側(cè)移較大時，則土抗力與樁身側(cè)移應(yīng)按非線性關(guān)系考慮。

目前，我國和國外對于橋梁等結(jié)構(gòu)的基樁分析，大多認(rèn)為這類結(jié)構(gòu)位于土體頂部的側(cè)移不太大，一般認(rèn)為僅在1 cm左右，因此樁身任一點(diǎn)處樁側(cè)抗力與該點(diǎn)處樁身側(cè)移之間的關(guān)系可以近似地看作是線性的。

綜上所述，當(dāng)樁基礎(chǔ)頂層松軟沉積物在大暴風(fēng)浪的作用下運(yùn)動時，對樁體產(chǎn)生的橫向拖拽力可由式(2)計算得出，其計算結(jié)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(zhǔn)確程度，并提高樁的安全性。

4 結(jié)語

本文通過對沿海地區(qū)災(zāi)害地質(zhì)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(chǔ)造成影響，分析了松軟沉積物移動對樁基礎(chǔ)產(chǎn)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(shè)計施工中可能出現(xiàn)的問題，以達(dá)到降低風(fēng)險、提高效率的目的。

［1］ 阿諾德·博曼.近海地質(zhì)風(fēng)險［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990.

［2］ 許東禹.中國近海地質(zhì)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1997.

［3］ 聶 武，孫麗萍，李治彬，等.海洋工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［4］ 胡人禮.橋梁樁基礎(chǔ)分析和設(shè)計［M］.北京：中國鐵道出版社，1987.