濕陷性黃土地區橋梁樁基礎承載力分析

方 銳

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

濕陷性黃土在自重和附加應力作用下，遇水后會使土體結構迅速破壞并產生顯著濕陷變形。由于其工程性質的特殊性，對其工程特點進行研究在工程設計與施工中具有重要的意義。在橋梁樁基礎設計與施工中，經常會遇到濕陷性黃土地基，為了保證其承載力符合要求，應對樁基土體構成和物理力學性能進行分析，并在施工過程中進行樁基承載力和樁側土壤含水量監測，分析樁基承載力是否符合設計要求[1]。

結合某高速公路橋梁樁基礎施工實踐，分析樁基承載力與樁側負摩阻力值和樁側阻力極限值之間的關系，研究單樁豎向極限承載力和樁身強度計算方法。在橋梁施工過程中，通過布設監測點和監測設備，監測樁頂沉降量隨荷載的沉降變化情況，進而確定樁身軸力隨深度變化情況，驗證變化情況是否符合設計與規范要求。

1 工程概況

某高速公路在建橋梁穿越耕地，地基土為濕陷性黃土，地下水位深度為24 m。橋梁地基土為第四紀黃土狀土，土質屬于粉質黏土，底層以角礫為主。施工現場濕陷性黃土深度約為15 m，地層以下15～24 m 為粉土和粉質黏土，均為低液限黏土，24～50 m 為角礫土，濕陷性黃土土層物理力學參數詳見表1。

表1 樁基土層物理力學參數

橋梁設計采用10×25 m 多跨預應力混凝土箱梁，橋面全寬24.5 m，橋梁樁基礎為摩擦樁，采用鉆孔灌注樁施工。樁長設計長度為40 m，樁徑為1.2 m，樁身設計采用C30 混凝土。

2 橋梁樁基承載力

2.1 單樁豎向極限承載力

濕陷性黃土地基，在橋梁樁基礎側向土體負摩阻力的作用，樁基極限承載力會不斷減小。隨著濕陷性黃土地基濕陷深度及濕陷程度的增加，樁基極限承載力不斷下降[2]。橋梁樁基礎的極限承載力主要由極限側阻力和極限端阻力兩部分組成，二者的不同在于浸水樁基受到負摩阻力的作用，并且浸水樁段不能提供樁側正摩阻力，還要受到樁基周圍土體變形產生的附加荷載。

濕陷性黃土地區樁基周邊土體周圍欠固結，造成樁體下沉量增加，且樁周土體所產生與樁基沉降方向相同的側摩阻力，即樁側負摩阻力NF，會造成樁基沉降量增加。樁側阻力極限值PF受到樁周土體物理力學性質、樁長、樁基等因素的影響，會造成單樁極限承載力Quf下降。因此，在計算浸水樁基極限承載力時，需要用單樁豎向極限承載力Qu減去中性點以上負摩阻力值NF和樁側阻力極限值PF。因此，在考慮負摩阻力影響時，濕陷性黃土路段單樁極限承載力Quf計算公式如式（1）：

而單樁豎向承載力容許值Pf計算式如式（2）（K 為安全系數）：

2.2 樁身強度驗算

在濕陷性黃土地基，由于樁身受到負摩阻力的作用，樁身中性點處為樁身軸力最大處[3]。因此在進行樁身強度驗算時，只需驗算中性點處樁身強度，驗算公式如式（3）：

式中：Q0為樁頂工作荷載，kN；Nf為樁側負摩阻力值，kN；AP為樁身橫截面面積，m2；SP為樁身短期容許強度，kPa。

3 濕陷性黃土地區樁基承載力監測

3.1 監測項目

為了驗證濕陷性黃土地區橋梁樁基承載力是否符合要求，對樁基沉降情況和地基土壤含水量進行監測。樁基承載力監測前按照要求進行檢測設備的選配，合理確定監測設備的型號、數量和技術參數。由于濕陷性黃土的濕陷變形是隨土層深度不同含水量變化產生的增濕變形總和。隨著濕陷性黃土土層含水量的增加，土體變形模量降低，重度增加，會對單樁極限承載力Quf產生直接影響，含水量增加會直接增加樁體沉降量，因此在施工中設置監測點對地基含水量進行監測。根據規范要求進行測點布置，并按照要求進行監測，收集和整理數據，繪制監測曲線，分析后判斷樁基承載力是否符合設計要求。

3.2 監測設備選擇

3.2.1 沉降監測設備

橋梁樁基建成使用后，樁基主體結構埋于地下，不能使用水準儀進行監測。由于樁基與承臺相連，可以在承臺上預埋精密數字沉降傳感物位計對樁基承載力進行監測。物位計測量精度高、功耗低、可靠性高，不易受到外界因素影響，可用于對建筑物垂直位移變化的監測。本項目所選用的物位計測量范圍為200～600 mm，測量精度為1 mm，工作電壓為直流12 V，設有通信接口，可通過USB 接口將數據傳輸到PC 端。本項目沉降觀測選用物位計2 個，無線傳輸模塊1 個，數據采集儀1 臺，設置基準點1 個。

物位計沉降觀測機理：橋梁樁基產生垂直位移變化時，會造成物位計中液體壓力發生變化，產生壓力信號，壓力信號進一步轉換為電信號。采集器定時將采集的數據傳輸到PC 端，并做好數據的存儲和解析，分析整理后得出沉降- 時間曲線。通過查看沉降- 時間曲線圖，可對樁基沉降的實時變化進行查看。

3.2.2 土壤含水量測量設備

含水量直接影響土壤的介電常數，可通過測量土壤的介電常數確定含水量[4]。樁基濕陷性黃土樁側含水量監測選用土壤水分傳感器，通過測量土壤的介電常數，進一步換算確定地基含水量。本項目所選用的土壤水分傳感器量程為0～100%，測量精度±2%，可直接測量土壤水分的體積百分比。土壤含水量測量配備水分計探頭4 個，土壤墑情監測終端1 個。

3.3 測點布置

本項目橋梁橋臺設計為肋板式橋臺，承臺下設置4 根樁，沉降監測選擇其中兩根樁作為監測對象，沉降監測點布置在承臺上。各沉降監測點應盡量布置在同一水平面上，且保持高差不得超過100 mm。監測點布置時采用水準儀對測點標高進行測量，確定標高后修整出一塊尺寸為400 mm×400 mm 的平面，并在監測點上安裝物位計，樁基沉降觀測點布置如圖1 所示。

圖1 樁基沉降觀測點布置圖

圖2 水分傳感器布置

樁側土壤含水量的測量測點布置根據地基土層厚度布置，該橋臺位置土層深度為15 m，由于每層濕陷性黃土物理力學特性差異較大，故分4 層對土壤含水量進行檢測。水分傳感器布置在各濕陷性黃土層的上部，將探針插入土中，水分傳感器布置如圖2 所示。

3.4 橋梁樁基模型分析

根據現場監測數據，分析施工現場樁頂沉降隨上部荷載增加所產生的變化，監測中發現土壤含水量變化穩定，通過對數據分析應用FLAC3D 進行建模[5-6]，建立模型如圖3 所示。樁側土體實測參數如表2 所示，橋梁樁頂隨荷載變化如圖4 所示。

表2 樁側土體實測參數

圖3 橋梁樁基1/4 模型

圖4 樁頂位移隨荷載變化曲線

通過對圖4 所示樁頂位移隨荷載變化情況監測曲線分析可知，其中1 號曲線為樁基隨荷載沉降變化曲線，2 號曲線為樁頂隨荷載變化產生的附加沉降曲線，其中初始荷載為3 500 kN。結合圖4 曲線和監測數據分析可以看出，附加沉降值為3.675 8 mm，樁頂總沉降量為8.420 8 mm，其等效荷載為5 500 kN，由樁側土含水量變化引起的等效荷載增量為2 000 kN，根據以上結果繪制橋梁樁身軸力變化曲線圖如圖5 所示。

圖5 橋梁樁身軸力變化曲線圖

通過對圖5 所示樁身軸力隨深度變化曲線分析可知，1 號曲線是樁頂在承受5 500 kN 荷載作用下軸力隨深度變化曲線，2 號曲線是樁基在3 500 kN樁頂荷載下的樁身軸力隨深度變化曲線。1 號和2 號曲線相交位置為深度14 m 處，深度在14 m 以上1 號曲線的正摩阻力約為1 300 kN，2 號曲線的負摩阻力約為750 kN，與樁基負摩阻力計算結果基本一致，說明該項目所處濕陷性黃土地區樁基設計和施工符合施工規范要求。

4 結語

通過對某在建橋梁樁基礎承載力進行研究，分析單樁豎向承載力和樁身強度計算，并對樁基沉降和土壤含水量進行監測，得出以下結論：

a）分析樁基承載力與樁側負摩阻力值和樁側阻力極限值之間的關系，得出單樁豎向極限承載力和樁身強度計算公式，可為樁身承載力研究提供理論基礎。

b）在橋梁承臺和樁側土層中設置監測點和監測設備，監測樁身隨荷載所產生的沉降和樁側土壤含水量，繪制樁頂位移隨荷載變化情況監測曲線和樁基隨荷載沉降變化曲線，得出樁頂總沉降量為8.420 8 mm，符合設計與規范要求。

c）通過對監測數據進行分析，繪制樁身軸力隨深度變化曲線，得出深度在14 m 以上1 號曲線的正摩阻力約為1 300 kN，2 號曲線的負摩阻力約為750 kN，符合設計與規范要求。