考虑负摩阻力的桩基设计需要注意的问题
1 地表的大面积堆载对堆载区内的桩基和邻近桩基的影响
地表的大面积堆载对堆载区内的桩基和邻近桩基会产生很大的影响.首先,地表在沉降过程中,桩侧土体将会对桩身产生负摩阻力,致使桩身的轴力和桩端力增大,甚至导致桩身的破坏;其次,地面堆载引起地基土的侧向变形,邻近桩基的被动桩受到土体挤压会产生绕曲、水平移动,甚至断裂.因此,堆载作用下的桩基可能受到负摩擦和侧向力两种荷载的共同作用.
2 负摩阻力计算分析案例
在有关桥梁地基与基础设计规范中规定,在软土层较厚,持力层较好的地基中,桩基计算应考虑路基填土荷载或地下水位下降所引起的负摩阻力的影响。
事实上桥下大面积堆载是一种更危险的工况。
下面以一实际工程为例,对桥梁桩基负摩阻力计算作一分析。
该桥上部结构为30 m跨预应力混凝土连续箱梁,桥梁全宽25.5 m,采用分幅式布置。
桥梁下部结构半幅采用变截面墩配2根D 160
(D180)钻孔灌注桩基础,单排桩基础,桩基设计按摩擦桩设计,单桩桩顶最大设计反力为6 150~7 100 KN,上部结构计算时考虑基础不均匀沉降为1.0 cm。
桥址处现为鱼塘,地面标高为0.2~1.6 m之间,由于桥址位于城区,远期规划标高6.5 m左右,如按规划标高平整场地,需填土5.0~ 6.3 m。
设计时根据桥址处的地质情况,注意到负摩阻力对桩基的影响,考虑按以下2种方案进行场地平整,进行技术经济比较,以确定最终的设计方
案。
方案1：场地先不平整待桥梁施工完后再进行场地平整。
方案2：场地先平整到规划标高6.5 m(带状80m宽),半年后施工桥梁桩基。
桥址处土层各层分布情况按由上至下顺序描述如下:①人工填土;
②淤泥(Q4ml);③亚粘土(Q4ml);④粘土(Q1mc);⑤亚粘土(Q1al)。
场地地质中第四系覆盖层巨厚,地质勘探未能揭露。
2.1 中性点位置的确定
要确定桩身负摩阻力的大小,首先需要确定中性点的位置。
所谓“中性点”是指桩土位移相等、摩阻力等于零的分界点,该深度以上土的下沉量大于桩的下沉量,桩承受负摩阻力;该深度以下土的下沉量小于桩的下沉量,桩承受正摩阻力。
故确定中性点的位置,首先必须计算出桩基及各土层的沉降量中性点的深度与桩周土的压缩性和变形条件、桩和持力层土的刚度等特性有关。
在桩、土稳定前,它也是变动的。
当有地面堆载时,中性点的深度取决于堆载的大小,堆载越大则中性点越深。
2.1.1 桩基沉降计算
按桥梁规范公式,单桩沉降
S=P(L0+ξh)/(Ep×Ap)+P/(Co×Ao)
式中P———桩顶荷载;
L0———桩自由长度;
h———桩入土长度;
ξ———系数,与桩侧土的摩阻力分布形式有关,对于钻孔摩擦ξ=1/2;
Ep———桩身的受压模量;
Ap———桩身的横截面积;
C0———桩底平面土的竖向地基系数;
A0———桩顶外力扩散至桩底平面的面积。
本桥中:L0=0,h=45,ξ=1/2,P=7 100 KN,
Ep×Ap=5.7×104MPa
Co=L×mo=45×4 000=180×103Pa
Ao=12.5
计算出S=0.0028+0.0031=0.0059 m (即5.9mm)。
2.1.2 土体沉降计算
(1)方案1:场地先不平整,待桥梁施工完后再进行场地平整。
土层顶面大面积堆载,由此荷载产生的附加应力不随深度修正。
这一点与有限宽度范围内作用荷载(如路堤填土)等荷载工况有很大的不同。
根据土力学知识,在有限宽度范围内作用荷载的情况下,土体中的附加应力会随深度的增加而减小,相应土层压缩量会小很多。
此方案中场地堆载的荷载:P=100 KPa(5.5 m高堆土),以上述钻孔为例,根据地质资料,依据分层总和法计算各土层的沉降△S。
土层沉降量:△S=ms·∑ni=1σiEsi·hi
式中ms———沉降经验系数;
σi———第i层土附加应力的平均值;
Esi———第i层土的压缩模量;
hi———第i层土的厚度。
计算结果如表1。
沉降计算表明:在桩基施工完后进行堆载平整,中性点位于第5层土层中,中性点的深度约35 m。
(2)方案2:场地先平整到规划标高6.5 m(带状80 m宽),半年后施工桥梁桩基。
本方案由于先填土,待半年后再施工桩基,故地层的瞬时沉降及部分固结沉降已完成,剩余沉降为完成的部分固结沉降△Hc及次固结沉降△Hs,各土层的2两个沉降量会影响桩基的负摩阻的分布深度。
以同一钻孔资料为例,计算各土层半年后剩余沉降量。
剩余固结沉降量计算公式为:△Hc=(1-U)×St,式中U为固结度,根据时间因素Tv可查表求得:
时间因素Tv=Cv×t/H2,Cv为固结系数,由室内固结(压缩)实验确定;St为各土层的固结沉降,见表1。
本桥中,第3层粘土半年后剩余固结沉降量:根据实验资料Cv=8.4×10-7m2/s,Tc=Cv×t/H2=0.05,查表得:U=0.25,总沉降量St=0.065 cm,故剩余固结沉降△Hc=(1-0.25)×0.065=0.048 m,大于桩基沉降
S=0.0059 m。
可见第1、2、3层土层的沉降量大于桩基沉降量,这3层土层会产生负摩阻力。
第4层以下土层压缩量很小,桩基不会产生负摩阻力。
按此结论判断中性点位于第4层土层的层顶。
2.2 桩基负摩阻力计算
如前所述,影响负摩阻力的因素很多,所以精确计算负摩阻力是很困难的。
在地基与基础设计规范中未有明确规定,各参考文献中单桩负摩阻力计算主要有以下2种易于计算的公式:
f=qu/2 (1)
式中qu———无侧限抗压强度。
f=K×tgφ′×(p+r′×z-u) (2)
式中Ktgφ′———由土质条件决定,同时与桩型、沉桩方法、支承情况等因素有关,一般由实验确定,国内外有实验资料可供参考;
p———作用于地面的分布荷载;
r′———浮容重;
z———土层深度;
u———该深度处的孔隙水压力。
2.3 方案比较
方案1:根据以上负摩阻力计算公式及前述中性点位置,如采用此方案,为保证桩基承载能力,桩长比不考虑负摩阻须加长30 m。
同时由于各墩地质的差别,会造成桩基不均匀沉降量的增加,从而影响上部结构的使用;且桥梁造价增加很大,故可以否定此方案。
方案2:同理根据以上计算,如采用此方案,虽然比方案1桩基负摩阻深度短,但桩长仍比不考虑负摩阻须加长18 m。
采用此方案,需有足够的施工时间,同时工程造价也增多,经本工程业主综合考虑,此方案也被否定。
需要说明的是,地质勘探时,土层未作高压缩性实验,各土层压缩模量按经验取值,第4、第5层压缩模量取值可能偏大,如补充做一些土工试验,方案1和方案2桩基长度可能会继续加长。
最后通过与规划部门协调,采用了在桥下80 m宽度范围内不填土的方案,以避免负摩阻力对桥梁结构的影响。
由以上分析可知,在软土地基上修建桥梁时,如遇到桥下大面积堆载的情况,对负摩阻力的计算分析一定不能忽视,负摩阻力的大小甚至能够影响方案的取舍。
3 结论
(1)在桥下大面积堆载时,由堆载所引起的附加荷载不会随着土层深度的增加而减少;当地基软土层较厚时,会对桩基产生较大的负摩阻
力。
如在实际工作中被忽视或考虑不周,将会使桩基承载力严重不足,桩基产生较大的向下位移,从而影响上部结构的使用,甚至发生严重事故。
(2)在桥梁使用期内,当地基软土层较厚时,尤其是桥梁桩基按摩擦桩设计时,应控制桥下堆载,以避免对桩基产生较大的负摩阻力影响结构的使用。
(3)现有的《公路桥梁地基与基础设计规范》中,未对桩基负摩阻力的设计计算作出详细的规定,摩擦桩的设计安全系数统一定为2.0。
我们认为,由于桩身的弹性变形、桩端持力层的压缩变形会引起桩基一定沉降,中性点上移,导致负摩阻力小于理论最大值,因此桩基在负摩阻力作用的工况下,可考虑将设计安全系数适当降低,以节约工程造价。
(4)现有的工程地质勘查,一般进行100 KPa~400 KPa的压缩实验,绘制e-p曲线,求出压缩模量;而当软土层较厚时,由于自重应力已超出400KPa,导致无法得到下层土体较准确的压缩模量,无法计算土层的沉降量,而难以求出正负摩阻力的中性点。
因此,在此类情况下,在工程地质勘察时应注意进行原状土体的高压缩性实验。