豎向載荷下橋梁樁基承載特性分析

朱小林

摘要：文章以高速公路特大橋樁基礎施工為研究背景，通過在樁基礎布置土壓力盒和鋼筋應力計，對橋梁樁基礎豎向受力、樁身摩阻力、樁側土壓力進行監測，收集數據分析得出樁基內側和外側豎向受力傳遞深度隨荷載增加而變大，樁基內側和外側摩阻力存在一定的差異，樁基外側土壓力高于內側，這是由于受到坡面影響造成的，但最終均達到了平衡狀態，樁基承載特性良好。

關鍵詞：橋梁；豎向荷載；樁基礎；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，橋梁樁基礎位于傾斜的坡面上，樁基的承載特性會受到坡體穩定性的影響。對橋梁樁基礎的受力狀況進行分析，可以為確定橋梁樁基礎的承載特性提供依據。在橋梁施工過程中產生的各類荷載和橋梁自重會使樁基礎上部荷載發生變化，進而對樁基礎的承載特性產生影響。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的豎向受力、樁身摩阻力、樁側土壓力進行監測，收集數據進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，個別路段分布有陡峭孤峰，巖體結構面主要為破裂結構。在長時間雨水侵蝕、風化和地質作用下，坡體穩定性較差，易出現崩落、剝落等病害。由于坡體穩定性差，會對其上部的橋梁樁基礎受力產生一定程度的影響，為了確保樁基設計與施工質量滿足規范要求，在施工過程中選取試樁開展試驗。該路段樁基礎形式主要為嵌巖樁，基巖埋設較淺路段，設計入巖深度為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，進行樁孔開挖，會一定程度地改變坡體的坡形，對坡體的穩定性也會產生一定影響。為了深入了解坡體內部樁基的受力情況，在樁基內部埋設鋼筋應力計、土壓力盒，在各種工況下對樁基的內力進行監測，對樁基承載特性進行研究。

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地形，不受水文及流量控制影響。橋梁上部結構采用裝配式預應力混凝土組合箱梁，下部結構采用人工挖孔樁，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 橋位區域工程地質概況

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，河道兩側受水流沖刷嚴重。河兩岸山坡陡峭，地形較復雜，植被茂盛，地表土層自上而下為黃土、砂性土、基巖，個別位置有千枚巖出露。橋梁所處區域屬丘陵壟崗地貌，地表起伏較大，坡度較陡，最大高差為65.4 m。通過對橋梁所處區域開展地質勘察和鉆孔調查，該區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、田埂等區域，厚度約為2.0 m；粉質黏土呈褐灰色，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巖，通過鉆孔揭露，厚度為3.0～8.5 m；千枚巖層有強風化、全風化、中風化3種，全風化千枚巖層結構已全部破損，手捏易破碎，通過鉆孔揭露，厚度為3.5～5.5 m；強風化千枚巖層結構大部分被破壞，巖體破損，裂隙節理發育，通過鉆孔揭露，厚度為1.8～29.5 m，中風化千枚巖為深灰色、深黑色，為變質泥巖結構，裂隙節理發育，巖體完整，巖質較軟，容許承載力為1 000～1 250 kPa，在橋位區域廣泛分布，通過鉆孔揭露，厚度為5.5～26.5 m。

2.1.2 橋位區域水文地質概況

橋梁所處區域屬于亞熱帶季風氣候，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。該區域氣候溫暖，夏季時間長，冬季時間短，無霜期長，夏秋季節降雨量較大，地基土含水量高，容易發生塌方、滑坡等自然災害。橋址區下伏基巖為千枚巖，巖層產狀變化較大，裂隙節理發育，巖層裂隙主要為風化裂隙，節理面較粗糙，巖體破損延展性較差?；鶐r整體為單斜構造，局部巖層產狀有變化，地質構造簡單，穩定性好。

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力計和土壓力盒，在樁基兩側呈對稱布置。其中，單側鋼筋應力計數量為7根、壓力盒數量為5個，每個樁底布置壓力盒3個。樁頂以下4.5 m的范圍內，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。樁端土壓力盒布設前將樁底整理平整，在壓力盒位置鋪設2 cm的干燥細沙，并做壓實處理，如果樁底有水應及時排出。側部土壓力盒埋設應順山坡走向埋于樁體的兩側，并利用土壓力盒沙包壓實以保證接觸緊密。

2.3 試驗加載方案

由于樁基位于坡體上部，不便于運輸試驗設備，采用靜載試驗的難度較大?，F場測試荷載主要采用橋梁自重所產生的荷載，也就是橋梁自身的工作狀態。橋梁自重主要包括系梁、蓋梁、橋墩、箱梁、橋面鋪裝和防護欄等，試驗加載共分為3個工況。工況1：系梁+蓋梁+橋墩，荷載總計392 kN；工況2：系梁+蓋梁+橋墩+箱梁，荷載總計1 736 kN；工況3：系梁、蓋梁、橋墩、箱梁、橋面鋪裝和防護欄等，荷載總計1 924 kN。

3 現場測試試驗結果分析

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行檢測，收集數據以分析樁基豎向受力傳遞規律。在橋梁施工前期，荷載較小時，荷載主要由樁側阻力承擔，樁基豎向受力傳遞深度較小，到達一定深度后受力變為零。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#-3三個樁基作為試樁，分別在以上3個試驗工況下監測樁基內側和外側豎向受力，由于三個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，從樁頂到5倍樁徑深度，樁基內側的豎向受力下降幅度高于外側。通過數據分析，這個深度樁基內側和外側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，樁基外側的豎向受力下降幅度高于內側，分別下降了44.2%和36.3%。9倍樁徑深度以下，樁基內側、外側豎向受力的下降幅度基本相等，均較小。因此，在不同深度樁基內側和外側豎向受力的下降幅度是不同的，這說明樁基內側和外側豎向受力沿樁基深度的傳遞是相互協調平衡的。此外，陡坡對豎向受力的傳遞產生了較大影響，造成樁基內側和外側傳遞規律存在一定的差異。

3.2 樁身摩阻強度分析

平地樁基兩側所承受的摩阻強度均等，陡坡樁基由于邊坡內側土體缺少或強度差異，造成兩側摩阻強度產生一定的差異。隨著樁頂荷載的增加，樁側摩阻強度也不斷增大，樁基礎豎向沉降也隨之增加。在3種工況下，收集數據繪制樁側摩阻強度變化曲線如圖3所示。

分析圖3可知，自樁頂到5倍樁徑深度，樁基內側摩阻強度高于外側摩阻強度，樁基外側摩阻強度僅為內側的43.3%。自5倍樁徑到9倍樁徑深度，樁基內側摩阻強度增加幅度低于外側，最終樁基外側摩阻強度增加到內側摩阻強度的1.23倍。9倍樁徑深度以下，樁基內側和外側摩阻強度基本相等，達到了一個平緩狀態，這個深度范圍內的摩阻強度占總摩阻強度的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，在樁側產生了向上的摩阻強度，當荷載增加到一定范圍時，樁身下部的樁側摩阻強度開始發揮作用，樁底在受到壓縮后也會產生樁端阻力。另外，自樁頂到3倍樁徑深度，樁基外側摩阻強度明顯低于內側，說明這個深度范圍內摩阻強度受坡形影響較大。

3.3 樁側土壓力分布規律

在橋梁施工過程中，對橋梁樁側土壓力進行檢測，繪制不同深度樁側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、箱梁架設、橋面鋪裝完工后對橋梁樁基礎內側和外側的樁側土壓力進行檢測，分析樁側土壓力分布規律。

分析圖4可知，樁基內側和外側土壓力總體變化趨勢基本相同，隨著深度的增加樁側土壓力先增加后減小，在2.5 m左右達到最大值，樁基外側土壓力高于內側，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，樁基礎內側和外側土壓力也隨之產生一定幅度的變化，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，使圍巖應力重新分布，甚至產生了應力集中現象。因此，受到坡體的影響，樁體內側和外側的土壓力不相等。

4 結語

為了確定山區陡坡橋梁樁基礎承載特性，在橋梁施工過程中對樁體豎向受力情況、樁身摩阻強度、樁側土壓力進行檢測，并收集數據對樁基荷載傳遞規律進行分析，得出以下結論：

（1）分析樁基豎向受力監測結果，在3種工況下，樁基內側和外側豎向受力存在一定差異，且荷載越大豎向應力的傳遞深度越大，在一定深度后達到了平衡。

（2）分析樁基摩阻強度監測結果，不同深度樁基內側和外側摩阻強度存在一定的差異，3倍樁徑深度以下樁基外側摩阻強度明顯低于內側，達到9倍樁徑深度以下時，樁基內側和外側摩阻強度基本相等，達到了平衡狀態。

（3）分析樁側土壓力監測結果，不同施工階段樁基內側和外側土壓力變化趨勢基本相同，且樁基外側土壓力高于內側。

參考文獻

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收稿日期：2023-09-05