溫啟明

摘要：由于黃土區(qū)的非均勻濕陷性，樁側(cè)負摩阻力將會對橋梁樁基沉降及不均勻沉降產(chǎn)生嚴重影響，因而估算負摩阻力是濕陷性黃土地區(qū)樁基變形分析的關(guān)鍵。本文對深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開研究，基于現(xiàn)場試驗結(jié)果和負摩阻力產(chǎn)生機理的負摩阻力的理論分析，推導(dǎo)負摩阻力的計算公式，為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】公路橋梁;樁基沉降;濕陷性黃土;負摩阻力

橋梁樁基在上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載下，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樁身周圍的側(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，進而引起樁端沉降;③樁端土層在上部荷載作用下，被進一步壓縮，引起樁端沉降。一般的，負摩阻力的產(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，對于持力層為巖石的端承樁，沿著樁身全長可能均出現(xiàn)負摩阻力，而對于摩擦型樁是否出現(xiàn)負摩阻，則要根據(jù)樁-土的位移差值及相對方向判斷。

本文對深厚黃土地區(qū)非均勻濕陷下橋梁樁基沉降展開研究，基于現(xiàn)場常規(guī)靜載以及浸水靜載試驗和控制變量浸水試驗，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)的負摩阻力分布變化規(guī)律，并對負摩阻力產(chǎn)生機理和變化規(guī)律進行理論分析，并推導(dǎo)單樁和群樁兩種情況下的負摩阻力計算公式，最后根據(jù)黃體地區(qū)的特點，介紹常用的處理措施，為類似工程提供參考。

1.負摩阻力與樁基沉降的試驗研究

現(xiàn)場選取三根樁基進行試驗，分別編號S1、S2、S3，分別進行靜載、浸水靜載、控制變量浸水三種試驗，試驗現(xiàn)場如圖1所示。浸水靜載試驗，即先讓樁周土層浸水，在浸水完成后進行載荷試驗，試驗同常規(guī)載荷試驗做法?？刂谱兞康慕囼?，則是先將S3固定在型鋼承臺之上，并在型鋼上安裝測力計等設(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)相對變形，樁周的土體會對樁基礎(chǔ)作用一下拉力，然后將此下拉力換算成單位面積下的負摩阻均值，通過鋼筋計、應(yīng)變計、土壓力盒等測試樁身各監(jiān)測斷面的負摩阻力，進而了解樁身范圍內(nèi)負摩阻力的分布。

根據(jù)控制變量的浸水試驗結(jié)果，如圖2所示，樁側(cè)的負摩阻力的峰值區(qū)間為（41.5KPa～76.5KPa），而浸水試驗的結(jié)果則為17.5KPa～28.8KPa，相比于傳統(tǒng)的浸水載荷試驗，控制變量的浸水試驗所測的結(jié)果更為準確，且試驗用時較短。

根據(jù)浸水靜載試驗結(jié)果（如圖3所示），在開始浸水階段，樁頂豎向位移的增速快，而隨著浸水時間的推移，在試驗的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，但是漲幅較小，增速比較平穩(wěn)，這是由于樁身周圍土層在排水后發(fā)生重固結(jié)所致，但是用時較短。因此，在濕陷性黃土地區(qū)，樁身周圍的土層一旦出現(xiàn)輕微的濕陷，也會出現(xiàn)負摩阻力，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樁的豎向變形，因而在樁身產(chǎn)生負摩阻力，其值大小與濕陷等級、黃土特征、樁基的材料、截面形狀、浸水時間等有關(guān)。目前多采用荷載傳遞法來分析此問題，其雖可反映樁-土間的非線性特征但無法反映負摩阻力的傳遞特性，因此本文采用雙曲線型荷載傳遞法來研究樁側(cè)負摩阻力的分布。

根據(jù)浸水試驗，樁側(cè)的負摩阻力隨時間逐漸增加，待完全浸水后，增大速度加快，而在停水一段時間后，水分繼續(xù)滲入到土層，濕陷變形繼續(xù)增加，達到峰值，這一過程說明，在浸水終止后，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，樁身周圍的土體的抗剪強度有所恢復(fù)，進而負摩阻力也會隨之提高，因此，負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）為負摩阻力，而（b）則為正摩阻力向負摩阻力的轉(zhuǎn)變階段。正負摩阻力的判斷，要根據(jù)相對位移判斷，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，則為負摩阻力。從摩阻力分布圖可知，在樁身有一摩阻力為0的點，即中性點，該點無相對位移，但內(nèi)力最大，此點也是正、負摩阻力的轉(zhuǎn)變點。

3.負摩阻力的計算

3.1單樁負摩阻力計算

根據(jù)摩擦力計算公式，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)場試驗的結(jié)果，摩阻力并非一直增加，它存在一個類似反彎點的分界點，該點的摩阻力為零，軸力最大，稱之為中性點，顯然傳統(tǒng)的物理學(xué)方法不適合計算樁身摩阻力。

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

假定負摩阻力的峰值出現(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：

對于單樁，僅需要確定與中性點，從而可確定總的下拽力，對于，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。中性點的確定，可根據(jù)正、負摩阻力（積分求和）相等進行計算，或者根據(jù)樁-土相對位移理論計算。

3.2群樁的負摩阻力計算

樁基的布置形式、根數(shù)、土質(zhì)等都會對群樁的負摩阻力產(chǎn)生影響，目前沒有一個準確的理論計算公式可以定量計算，僅能通過一些簡化方法得出定性結(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遠藤法

根據(jù)日本地區(qū)工程經(jīng)驗，樁基數(shù)量越多，沉降越小的特點，遠藤將群樁效應(yīng)考慮在內(nèi)，假定群樁基礎(chǔ)中，各樁基受到相同的負摩阻力作用，且其沿著樁長均勻分布，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出群樁的負摩阻力計算公式為：，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，進而對下部結(jié)構(gòu)實施加固、將支座加高，既可以消除不均勻沉降帶來的傾斜還可以解決因沉降所致的凈空不足的問題;而迫降糾傾則是采用機械或人工，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，以達到糾傾的目的。

而當?shù)鼗休d力不足，沉降過大時，則需要增補樁基以提高承載力。在舊樁周邊施工鉆孔灌注樁或者打入預(yù)制樁，并將既有承臺擴充，將新樁與舊樁連接成一個整體，使二者協(xié)同受力，以達到提高承載力的目的。為使新舊承臺的剪力可靠傳遞，可以通過植筋或者設(shè)置剪力鍵。對于增補樁基，需要滿足如下要求：①加固計算應(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減小;③增補樁基，應(yīng)對稱增補，避免不均勻沉降。

5.結(jié)束語

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研究，基于現(xiàn)場試驗研究濕陷性黃土地區(qū)樁基沉降特征、樁側(cè)負摩阻力的分布，并對負摩阻力產(chǎn)生機理和分布規(guī)律進行理論分析，并推導(dǎo)單樁和群樁負摩阻力的計算公式，主要結(jié)論如下：

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

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

濕陷性黃土地區(qū)，在橋梁設(shè)計時應(yīng)加強對橋下排水的設(shè)計，并嚴禁在橋下大量堆載，并按照先路后橋的施工順序;本文僅從試驗和理論的角度進行研究，后期還應(yīng)結(jié)合有限元軟基進行分析。

【參考文獻】

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