深厚覆蓋層中超長樁的應用

程紅濤，吳向濤，張 輝，劉 濤

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

深厚覆蓋層是指厚度大于30 m的第四紀松散沉積物，在我國分布十分廣泛，特別是一些大型河流中下游平原地區。這些地區往往地形較為平坦，人口密集，大中型工程建設很多，尤其是近年來快速的經濟發展，使得城市的高層、超高層建筑，跨大江大河的大橋、特大橋等建設越來越多，此類工程由于上部荷載很大，深厚覆蓋層的工程性質不是太好，地基處理時多選擇具有施工快捷安全、承載能力大、沉降小等優點的長樁或超長樁基礎方案，因此使得長樁或超長樁得到了廣泛的應用。濟南某跨黃河大橋地處黃河下游平原區，地質勘察成果顯示其覆蓋層厚度達到160 m以上，橋梁主橋上部荷載大，對地基強度及變形要求較高，選擇超長樁進行基礎處理是較為理想的方案。

1 超長樁的荷載傳遞機理及影響因素

摩擦樁是按承載性狀劃分的一種樁的類型，樁頂荷載主要由樁側摩阻力承受，并考慮樁端阻力。超長樁是樁長較長的摩擦樁，具體多長稱之為超長樁，不同學者有不同的提法，多數學者在論文中提出對樁長徑比(l/d)進行劃分，如將樁長徑比(l/d)大于50作為超長樁的判定依據[1-4]；不過在相關規范中，公路行業規范《公路橋涵施工技術規范》[5]中將樁長不小于90 m的鉆孔灌注樁界定為超長樁，這個界定還是明確的。

1.1 荷載傳遞機理

樁的作用就是將上部荷載傳遞到下部土層，作用于樁頂的豎向荷載由作用于樁側的摩阻力和樁端的端阻力共同承擔，樁側摩阻力和樁端阻力的發揮過程就是樁土體系荷載的傳遞過程[6-7]。樁身的承載性能是通過樁身的壓縮變形和樁端持力層的沉降使樁身上段的樁土間產生足夠大的相對位移量致使樁側土的摩阻力發揮作用，進而使樁端阻力發揮作用。詳細來說，樁頂受豎向荷載后，樁身壓縮而向下位移，樁側表面受到土的向上摩阻力，樁身荷載通過發揮出來的側阻力傳遞到樁側土層中去，從而使樁身荷載與樁身壓縮變形隨深度遞減。隨著荷載增加，樁端出現豎向位移和樁端反力，同時樁端位移加大了樁身各截面的位移，并促使樁側阻力進一步發揮，因此樁的側阻力和端阻力發揮并不是同步的[8-9]。

對于超長樁來說，樁體長度的增加主要是提高單樁承載力和降低樁基的沉降，樁體超長的樁荷載傳遞機理還是有其自身特點的。超長樁樁端在承受上部荷載時所提供的承載力占整個樁承載力的比例很小，且側阻力優先于端阻力發揮作用，從承載性狀上屬于摩擦樁(端阻力一般不超過10%)或端承摩擦樁(端阻力占小部分)。超長樁的樁長也不是無限增加了，這其中涉及到有效樁長的概念，有效樁長是指當樁其他條件(樁的形狀、截面積大小、樁身材料等)、樁側土性質一定時，隨著樁長增大到一定程度，樁的承載力(或沉降)的增加量逐漸變小直至為零時的樁長[10]。有關有效樁長問題，多數專家學者做過研究[11-12]，這里不作贅述。超長樁在樁長大于有效樁長時，即使在設計極限荷載作用下，至有效樁長以下的樁身及樁端土均未產生壓縮，樁側阻力及樁端阻力自然也不會產生。超長樁的樁側摩阻力分布具有自身的規律，一般呈兩頭小中間大的拋物線狀，造成這種現象的原因是樁體上部土體的水平有效應力小，下部樁的位移小，只有中部土體既有足夠的位移量又有一定的水平應力，所以呈拋物線狀[13]。

1.2 影響因素

樁基的荷載傳遞是樁-土體系相互作用的過程，主要影響因素包括樁側土與樁身的性質(樁側土與樁身的強度與變形性質、樁側土與樁端土的剛度比、樁側土與樁身的剛度比等)、樁的幾何特征(樁徑、樁長及其樁的長徑比等)、樁的成樁效應與成樁工藝等[14-16]。對于超長樁來說，樁側土與樁身的剛度比、樁的長徑比對超長樁的工作性能影響較大。

樁側土與樁身的剛度比是影響樁頂荷載向下傳遞的重要因素。超長樁樁側摩阻力發揮主要受樁頂沉降影響，隨樁頂荷載增大，樁身壓縮產生樁頂沉降，使得樁側摩阻力發揮作用，樁身剛度較大時能夠使樁身荷載較好的向下傳遞。樁側土體剛度對樁基沉降影響較大，當樁側土體剛度增加，樁基沉降就會減小，反之，樁基沉降就會增大[17]。當樁土剛度比越小，樁身軸力衰減越快，同深度處樁身軸力越小，樁端阻力比例也越小；當樁長較小時，樁身壓縮后樁頂荷載能夠較好的傳遞到樁端，使樁端阻力得到發揮，樁端承受荷載百分率也相對較大；當樁長較大時，樁端阻力所產生的作用較小或者得不到發揮，而且有效樁長以下隨樁土剛度比變化不大。

樁的長徑比對樁頂荷載向下傳遞影響很大。單從樁長來說，樁長的增大(增大樁的入土長度)使樁側阻力增大，同時樁頂荷載對應的樁頂沉降也增大；當樁頂沉降相同時，樁側阻力均隨樁長的增大呈非線性增大，說明在有效樁長深度內增大入土樁長可提高超長樁承載力，超過有效樁長，通過增加樁長提高承載力的能力影響不大。單從樁徑來說，樁徑的增大使樁側阻力增大，當樁頂沉降相同時，樁頂荷載和樁側阻力均隨樁徑增大而增大，說明超長樁增大樁徑也可提高超長樁承載力。單樁的承載受力特性具有深度效應，長徑比的增加會導致樁的線剛度減小，隨著樁長的增加，傳遞到樁端的荷載減小，樁身下部側阻力的發揮值相應降低。有研究表明，當樁的長徑比較大時(l/d=25～60)樁端土的性質對荷載傳遞仍有一定的影響，此時樁身的壓縮變形和樁尖持力層的沉降使樁身上段的樁土間產生足夠大的相對位移量，致使樁側土的摩阻力得以發揮，而對單樁承載力有一定貢獻，但樁身下段樁土間的相對位移較小，樁側土摩阻力的發揮受到一定的抑制，長徑比對單樁承載力的貢獻大小隨樁端土的性質變化；當樁的長徑比更大(l/d≥100)時，樁端土的性質對荷載傳遞不再有明顯的影響，此類樁的樁身在荷載作用下均產生較大的位移量足以調動樁側土的摩阻力，樁側土的摩阻力對單樁承載力的貢獻可達90%以上。

2 橋址區覆蓋層工程地質特性

2.1 覆蓋層工程地質特性

橋址區處于濟南北部黃河河道及兩岸沖洪積平原區。勘察成果表明，橋址區地層連續性較好，物質組成變化大，巖性以黏性土(粉質黏土)為主，分布最廣，常夾有粉土、粉細砂夾層，局部為厚度較薄、顆粒較大、磨圓度較好的礫石層。

橋址區各成因類型巖土特征及厚度特征見表1。

表1 覆蓋層各時代成因類型巖土特征及厚度特征表

由勘察成果可知，從時代成因上看，多個勘探點同一時代成因的地層分布厚度差別不大，主層分布穩定無缺失，不同時代成因的地層厚度差別較大。從分布位置來看，各時代成因的地層分布穩定，從上到下依次分布第四系全新統、上更新統、中更新統地層，南北岸及上下游方向上地層均連續，厚度差別并不懸殊；從巖土類型來看，除河床處表層第四系全新統沖積層以粉細砂為主外，其他各層均以粉質黏土為主，且厚度大，工程性質由上而下逐漸變好，多夾粉土、粉細砂薄層或透鏡體，含鈣質結核且局部有富集現象。勘察深度內(最大揭露深度161.0 m)均為第四系覆蓋層。

2.2 覆蓋層物理力學特征

勘察時為獲取覆蓋層巖土層的物理力學性質指標采取了原位測試、室內試驗等方法，通過對不同試驗方法的試驗成果分析整理得到物理力學指標，并類比其他鄰近工程的資料、科研成果及地區經驗，得出覆蓋層各巖土層物理力學參數及樁基設計參數建議值，見表2。

表2 覆蓋層各巖土層物理力學參數及樁基設計參數建議值表

3 超長樁方案

3.1 基礎類型選擇

濟南某黃河大橋處于黃河下游河道及兩岸沖洪積平原區，覆蓋層厚度大。勘察結果顯示，上部第四系全新統沖積層、沖洪積層工程性質較差，沖積粉細砂、粉土為液化地層。下部第四系上更新統沖洪積層、中更新統沖積層均以硬塑～堅硬粉質黏土為主，分布連續，厚度大，強度較高，工程性質相對較好，埋藏較深，為適宜的樁端持力層。

橋址區覆蓋層厚度在勘察深度160 m內未揭穿，根據覆蓋層的工程性質，結合橋梁主橋墩上部荷載大、對地基強度及變形要求高的特征，需選擇地基承載力較高的土層作為地基持力層。設計時采用超長樁(鉆孔灌注樁)方案，主墩采用直徑為2.0 m,樁長為110 m的鉆孔灌注樁方案(樁長l≥90 m，長徑比l/d>50)，以下部第四系上更新統沖洪積層、中更新統沖積層硬塑～堅硬粉質黏土樁端持力層。

3.2 單樁承載力特征值計算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》[18]中6.3.3節，鉆(挖)孔灌注樁的單樁軸向受壓承載力特征值采取式(1)，式(2)進行計算。

(1)

qr=m0λ[fa0+k2γ2(h-3)]

(2)

其中，Ra為單樁軸向受壓承載力特征值，kN；u為樁身周長，m；Ap為樁端截面面積,m2；n為土的層數；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度，m；qik為與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值，kPa；qr為樁端處土的承載力特征值，kPa；fa0為樁端處土的承載力基本特征值，kPa；h為樁端的埋置深度，m；k2為承載力特征值的深度修正系數；γ2為各土層的加權平均重度，kN/m3；λ為修正系數；m0為清底系數。

根據式(1)，式(2)采用表2樁基設計參數對左右兩岸主墩單樁承載力特征值進行計算，計算結果見表3。

表3 主墩單樁承載力特征值計算表

由表3計算結果可知，從單樁承載力特征值來看是滿足地基強度要求的，選擇樁長110 m樁徑2.0 m的樁是合適的。從樁側阻力與樁端阻力占比來看，樁側阻力占比87.8%～89.2%，樁側土側摩阻力對單樁承載力的貢獻幾乎達到90%；樁端阻力占比僅10.8%～12.2%，樁端土端阻力對單樁承載力的貢獻較小，表明了此時超長樁的摩擦型樁性質。值得說明的是，在工程地質條件較差上部荷載很大的橋梁中多采用超長樁方案，所采用的樁徑也很大，超過2 m的樁也較為常見，計算公式中未提及有效樁長的概念，計算結果顯示超長樁中樁端阻力所占比重約為10%，還是有很少部分樁端阻力在發揮作用。

4 結語

深厚覆蓋層廣泛分布于大型河流中下游平原地區，此類地區往往城市較多且人口稠密，工程建設密集，促使了對該地區深厚覆蓋層性質的研究，特別是大跨度大橋、特大橋，因上部荷載大，對地基強度和變形要求高，為超長樁的應用提供了空間。本文從實際工程案例出發，對工程區覆蓋層的工程性質進行了研究，分析了超長樁的承載性狀和影響因素，選擇超長樁方案且進行了橋梁超長樁單樁承載力計算，說明了超長樁的摩擦樁性質。本文對黃河下游深厚覆蓋層中超長樁的應用提供了借鑒意義。