朱小林

摘要：文章以高速公路特大橋樁基礎(chǔ)施工為研究背景，通過在樁基礎(chǔ)布置土壓力盒和鋼筋應(yīng)力計(jì)，對橋梁樁基礎(chǔ)豎向受力、樁身摩阻力、樁側(cè)土壓力進(jìn)行監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)分析得出樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)豎向受力傳遞深度隨荷載增加而變大，樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)摩阻力存在一定的差異，樁基外側(cè)土壓力高于內(nèi)側(cè)，這是由于受到坡面影響造成的，但最終均達(dá)到了平衡狀態(tài)，樁基承載特性良好。

關(guān)鍵詞：橋梁；豎向荷載；樁基礎(chǔ)；承載特性；豎向受力

中圖分類號：U443.15 A 45 149 3

0 引言

在山嶺地區(qū)，橋梁樁基礎(chǔ)位于傾斜的坡面上，樁基的承載特性會受到坡體穩(wěn)定性的影響。對橋梁樁基礎(chǔ)的受力狀況進(jìn)行分析，可以為確定橋梁樁基礎(chǔ)的承載特性提供依據(jù)。在橋梁施工過程中產(chǎn)生的各類荷載和橋梁自重會使樁基礎(chǔ)上部荷載發(fā)生變化，進(jìn)而對樁基礎(chǔ)的承載特性產(chǎn)生影響。某山嶺高速公路特大橋施工過程中，在不同施工階段對樁基礎(chǔ)的豎向受力、樁身摩阻力、樁側(cè)土壓力進(jìn)行監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)進(jìn)行樁基承載特性分析。

1 工程概況

某山嶺高速公路沿線地形起伏較大，個(gè)別路段分布有陡峭孤峰，巖體結(jié)構(gòu)面主要為破裂結(jié)構(gòu)。在長時(shí)間雨水侵蝕、風(fēng)化和地質(zhì)作用下，坡體穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)崩落、剝落等病害。由于坡體穩(wěn)定性差，會對其上部的橋梁樁基礎(chǔ)受力產(chǎn)生一定程度的影響，為了確保樁基設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，在施工過程中選取試樁開展試驗(yàn)。該路段樁基礎(chǔ)形式主要為嵌巖樁，基巖埋設(shè)較淺路段，設(shè)計(jì)入巖深度為2～5 m，基巖埋深路段多采用摩擦樁。文章選取位于陡坡坡中位置的樁基作為試樁，該路段樁基均采用人工挖孔樁的方式施工，在施工過程中由于修建施工便道，進(jìn)行樁孔開挖，會一定程度地改變坡體的坡形，對坡體的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定影響。為了深入了解坡體內(nèi)部樁基的受力情況，在樁基內(nèi)部埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)、土壓力盒，在各種工況下對樁基的內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測，對樁基承載特性進(jìn)行研究。

2 試樁檢測方案

2.1 試樁概況

選取該路段特大橋樁基作為試樁，橋梁孔位布置主要考慮所跨地物和兩側(cè)地形，不受水文及流量控制影響。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用人工挖孔樁，所選試樁長度為25 m，樁徑為1.5 m，樁孔位于坡中位置，坡度為46°陡坡，坡度大，地質(zhì)條件較差。橋梁左幅全長1 460 m，右幅全長1 200 m，橋梁位于曲線上，橋墩橋臺呈徑向布置。

2.1.1 橋位區(qū)域工程地質(zhì)概況

該特大橋跨越河流，橋位所處位置河谷較窄，河底主要為卵礫石，河道兩側(cè)受水流沖刷嚴(yán)重。河兩岸山坡陡峭，地形較復(fù)雜，植被茂盛，地表土層自上而下為黃土、砂性土、基巖，個(gè)別位置有千枚巖出露。橋梁所處區(qū)域?qū)偾鹆陦艒彽孛?，地表起伏較大，坡度較陡，最大高差為65.4 m。通過對橋梁所處區(qū)域開展地質(zhì)勘察和鉆孔調(diào)查，該區(qū)域上覆層為第四系覆蓋層，局部分布有素填土，下伏基巖為千枚巖。素填土呈褐黃色，分布在公路、田埂等區(qū)域，厚度約為2.0 m；粉質(zhì)黏土呈褐灰色，主要分布在緩坡地段，厚度約為4.0 m；角礫呈褐黃色，通過鉆孔揭露，厚度約為1.4 m；粉砂呈褐灰色，通過鉆孔揭露，厚度約為6.7 m；圓礫層呈褐色，主要成分為千枚巖和石灰?guī)r，通過鉆孔揭露，厚度為3.0～8.5 m；千枚巖層有強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化、中風(fēng)化3種，全風(fēng)化千枚巖層結(jié)構(gòu)已全部破損，手捏易破碎，通過鉆孔揭露，厚度為3.5～5.5 m；強(qiáng)風(fēng)化千枚巖層結(jié)構(gòu)大部分被破壞，巖體破損，裂隙節(jié)理發(fā)育，通過鉆孔揭露，厚度為1.8～29.5 m，中風(fēng)化千枚巖為深灰色、深黑色，為變質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)，裂隙節(jié)理發(fā)育，巖體完整，巖質(zhì)較軟，容許承載力為1 000～1 250 kPa，在橋位區(qū)域廣泛分布，通過鉆孔揭露，厚度為5.5～26.5 m。

2.1.2 橋位區(qū)域水文地質(zhì)概況

橋梁所處區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，降雨量充沛，年均降水量為835.6 mm，降雨主要集中在6～8月。該區(qū)域氣候溫暖，夏季時(shí)間長，冬季時(shí)間短，無霜期長，夏秋季節(jié)降雨量較大，地基土含水量高，容易發(fā)生塌方、滑坡等自然災(zāi)害。橋址區(qū)下伏基巖為千枚巖，巖層產(chǎn)狀變化較大，裂隙節(jié)理發(fā)育，巖層裂隙主要為風(fēng)化裂隙，節(jié)理面較粗糙，巖體破損延展性較差?；鶐r整體為單斜構(gòu)造，局部巖層產(chǎn)狀有變化，地質(zhì)構(gòu)造簡單，穩(wěn)定性好。

2.2 測試元件布置

如圖1所示，試樁測試元件主要包括鋼筋應(yīng)力計(jì)和土壓力盒，在樁基兩側(cè)呈對稱布置。其中，單側(cè)鋼筋應(yīng)力計(jì)數(shù)量為7根、壓力盒數(shù)量為5個(gè)，每個(gè)樁底布置壓力盒3個(gè)。樁頂以下4.5 m的范圍內(nèi)，每隔1 m布置一組；4.5 m以下，每隔2 m布置一組，測試元件布置如圖1所示。樁端土壓力盒布設(shè)前將樁底整理平整，在壓力盒位置鋪設(shè)2 cm的干燥細(xì)沙，并做壓實(shí)處理，如果樁底有水應(yīng)及時(shí)排出。側(cè)部土壓力盒埋設(shè)應(yīng)順山坡走向埋于樁體的兩側(cè)，并利用土壓力盒沙包壓實(shí)以保證接觸緊密。

2.3 試驗(yàn)加載方案

由于樁基位于坡體上部，不便于運(yùn)輸試驗(yàn)設(shè)備，采用靜載試驗(yàn)的難度較大?，F(xiàn)場測試荷載主要采用橋梁自重所產(chǎn)生的荷載，也就是橋梁自身的工作狀態(tài)。橋梁自重主要包括系梁、蓋梁、橋墩、箱梁、橋面鋪裝和防護(hù)欄等，試驗(yàn)加載共分為3個(gè)工況。工況1：系梁+蓋梁+橋墩，荷載總計(jì)392 kN；工況2：系梁+蓋梁+橋墩+箱梁，荷載總計(jì)1 736 kN；工況3：系梁、蓋梁、橋墩、箱梁、橋面鋪裝和防護(hù)欄等，荷載總計(jì)1 924 kN。

3 現(xiàn)場測試試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樁基豎向受力分析

在橋梁施工各階段，對橋梁樁基豎向受力進(jìn)行檢測，收集數(shù)據(jù)以分析樁基豎向受力傳遞規(guī)律。在橋梁施工前期，荷載較小時(shí)，荷載主要由樁側(cè)阻力承擔(dān)，樁基豎向受力傳遞深度較小，到達(dá)一定深度后受力變?yōu)榱?。隨著橋梁自重荷載的增加，樁基豎向受力傳遞深度不斷增加。選取特大橋右幅4#-1、6#-2和8#-3三個(gè)樁基作為試樁，分別在以上3個(gè)試驗(yàn)工況下監(jiān)測樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)豎向受力，由于三個(gè)樁基的豎向受力情況基本類似，選取4#-1作為研究對象，繪制不同深度樁基豎向受力曲線如圖2所示。

分析圖2可知，隨著荷載的變化，樁基豎向受力的傳遞規(guī)律存在較大差異，且荷載越大傳遞的深度越大。在荷載較大時(shí)，從樁頂?shù)?倍樁徑深度，樁基內(nèi)側(cè)的豎向受力下降幅度高于外側(cè)。通過數(shù)據(jù)分析，這個(gè)深度樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)豎向受力下降幅度分別為50.1%和19.9%。從5倍樁徑到9倍樁徑深度，樁基外側(cè)的豎向受力下降幅度高于內(nèi)側(cè)，分別下降了44.2%和36.3%。9倍樁徑深度以下，樁基內(nèi)側(cè)、外側(cè)豎向受力的下降幅度基本相等，均較小。因此，在不同深度樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)豎向受力的下降幅度是不同的，這說明樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)豎向受力沿樁基深度的傳遞是相互協(xié)調(diào)平衡的。此外，陡坡對豎向受力的傳遞產(chǎn)生了較大影響，造成樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)傳遞規(guī)律存在一定的差異。

3.2 樁身摩阻強(qiáng)度分析

平地樁基兩側(cè)所承受的摩阻強(qiáng)度均等，陡坡樁基由于邊坡內(nèi)側(cè)土體缺少或強(qiáng)度差異，造成兩側(cè)摩阻強(qiáng)度產(chǎn)生一定的差異。隨著樁頂荷載的增加，樁側(cè)摩阻強(qiáng)度也不斷增大，樁基礎(chǔ)豎向沉降也隨之增加。在3種工況下，收集數(shù)據(jù)繪制樁側(cè)摩阻強(qiáng)度變化曲線如圖3所示。

分析圖3可知，自樁頂?shù)?倍樁徑深度，樁基內(nèi)側(cè)摩阻強(qiáng)度高于外側(cè)摩阻強(qiáng)度，樁基外側(cè)摩阻強(qiáng)度僅為內(nèi)側(cè)的43.3%。自5倍樁徑到9倍樁徑深度，樁基內(nèi)側(cè)摩阻強(qiáng)度增加幅度低于外側(cè)，最終樁基外側(cè)摩阻強(qiáng)度增加到內(nèi)側(cè)摩阻強(qiáng)度的1.23倍。9倍樁徑深度以下，樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)摩阻強(qiáng)度基本相等，達(dá)到了一個(gè)平緩狀態(tài)，這個(gè)深度范圍內(nèi)的摩阻強(qiáng)度占總摩阻強(qiáng)度的15%左右，說明隨著樁頂荷載的增加，樁基上部在豎向力的作用下向下移動，在樁側(cè)產(chǎn)生了向上的摩阻強(qiáng)度，當(dāng)荷載增加到一定范圍時(shí)，樁身下部的樁側(cè)摩阻強(qiáng)度開始發(fā)揮作用，樁底在受到壓縮后也會產(chǎn)生樁端阻力。另外，自樁頂?shù)?倍樁徑深度，樁基外側(cè)摩阻強(qiáng)度明顯低于內(nèi)側(cè)，說明這個(gè)深度范圍內(nèi)摩阻強(qiáng)度受坡形影響較大。

3.3 樁側(cè)土壓力分布規(guī)律

在橋梁施工過程中，對橋梁樁側(cè)土壓力進(jìn)行檢測，繪制不同深度樁側(cè)土壓力變化曲線如圖4所示。分別在橋梁樁基澆筑、蓋梁架設(shè)、箱梁架設(shè)、橋面鋪裝完工后對橋梁樁基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的樁側(cè)土壓力進(jìn)行檢測，分析樁側(cè)土壓力分布規(guī)律。

分析圖4可知，樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)土壓力總體變化趨勢基本相同，隨著深度的增加樁側(cè)土壓力先增加后減小，在2.5 m左右達(dá)到最大值，樁基外側(cè)土壓力高于內(nèi)側(cè)，最大土壓力分別為45.3 kN和58.6 kN。在橋梁施工過程中，樁基上部受到施工機(jī)械、施工荷載、自重荷載的作用，由于施工中荷載的變化，樁基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)和外側(cè)土壓力也隨之產(chǎn)生一定幅度的變化，但土壓力值存在一定的差異。分析原因是樁孔的開挖破壞了坡體原有的平衡，使圍巖應(yīng)力重新分布，甚至產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，受到坡體的影響，樁體內(nèi)側(cè)和外側(cè)的土壓力不相等。

4 結(jié)語

為了確定山區(qū)陡坡橋梁樁基礎(chǔ)承載特性，在橋梁施工過程中對樁體豎向受力情況、樁身摩阻強(qiáng)度、樁側(cè)土壓力進(jìn)行檢測，并收集數(shù)據(jù)對樁基荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）分析樁基豎向受力監(jiān)測結(jié)果，在3種工況下，樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)豎向受力存在一定差異，且荷載越大豎向應(yīng)力的傳遞深度越大，在一定深度后達(dá)到了平衡。

（2）分析樁基摩阻強(qiáng)度監(jiān)測結(jié)果，不同深度樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)摩阻強(qiáng)度存在一定的差異，3倍樁徑深度以下樁基外側(cè)摩阻強(qiáng)度明顯低于內(nèi)側(cè)，達(dá)到9倍樁徑深度以下時(shí)，樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)摩阻強(qiáng)度基本相等，達(dá)到了平衡狀態(tài)。

（3）分析樁側(cè)土壓力監(jiān)測結(jié)果，不同施工階段樁基內(nèi)側(cè)和外側(cè)土壓力變化趨勢基本相同，且樁基外側(cè)土壓力高于內(nèi)側(cè)。

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收稿日期：2023-09-05