郑州黄河公铁两用大桥大堤淤背区桩基负摩阻力分析

李光耀

(中铁大桥勘测设计院有限公司，武汉 430050)

郑州黄河公铁两用大桥大堤淤背区桩基负摩阻力分析

李光耀

(中铁大桥勘测设计院有限公司，武汉 430050)

桩基工程常会遇到负摩阻力问题，如果处理不当，将会对工程产生危害。本文结合郑州黄河公铁两用大桥工程实例，对由地面大面积填筑填土产生的桩基负摩阻力进行了详细的分析，根据填筑施工与桥梁施工的时间关系，划分为两种工况。分析表明，基础竣工前已完成的填土，所引起的地基土下沉在基础竣工前已经完成，可不考虑其对桩基的影响。基础竣工后再填筑的填土，对桩基会产生较大的负摩阻力，应采取相应的防治措施。

大面积填土 负摩阻力 分析计算

桩基负摩阻力使桩基础的荷载增大，沉降增加，特别是在桩基及上部结构工程竣工后再大面积填筑人工填土引起的负摩阻力，对工程的危害更大，设计时应对此予以高度重视，除了考虑负摩阻力计算桩基础外，还应采取有效措施，减小负摩阻力的作用［1］。

1 工程概况

郑州黄河公铁两用大桥为武石铁路客运专线及河南中原黄河公路大桥跨越黄河的特大公铁两用桥。铁路桥长14.89 km，公路主线桥长11.58 km，其中公铁合建段9.18 km，是我国目前最长的公铁两用桥梁。大桥采用97.6 m跨的系杆拱方案跨越黄河北大堤，基础采用钻孔灌注桩，桩径1.5 m，桩长70～95 m。在大桥建设期及建成后，黄河水利委员会为加固黄河大堤，将在大堤淤背区将逐年填筑河床淤积物。按大堤加固设计方案，最终填筑高程是96.76 m，从勘察时的地面高程88.07 m算起，大堤淤背区将填筑8.69 m的填土，填土呈带状分布，宽约100 m，详见图1。

图1 黄河北大堤淤背区填土规划示意(单位：m)

由于大面积堆载，淤背区的上部可压缩土层将会产生压缩沉降，桩侧土就会对桥梁桩基产生负摩阻力，设计时如果对桩基负摩阻力考虑不周，将导致桩基承载力不足，桩基下沉量增加，基础将发生不均匀沉降，甚至影响桥梁上部结构的使用。《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)［2］第 5.3.2 条只提到桩基设计应考虑填土荷载所引起的负摩阻力的影响，对计算方法却没有涉及。本文将对郑州黄河公铁两用大桥北大堤淤背区桩基负摩阻力进行分析和实用计算。

2 场地土层条件

根据钻探资料，场地土层主要为粉细砂，夹少量粉土和粉质黏土，土层物理力学指标见表1。

表1 土层主要物理力学指标

3 淤背区负摩阻力成因分析

桩受轴向力后，相对于桩侧土产生位移，土对桩就产生向上作用的摩阻力，称正摩阻力。但是，当桩穿过软弱易压缩土层，且地面有较大面积的堆载作用，或地下水位下降，或土层欠固结等情况，均会引起桩侧地基土压缩下沉，如果桩侧土沉降大于桩受荷后的沉降，则桩侧土相对于桩向下位移，土对桩就产生向下作用的摩阻力，称为负摩阻力。负摩阻力不但不是桩承载力的一部分，反而成为施加在桩上的外荷载，从而降低桩基的承载能力［3］。

勘察期间场地地面高程为88.07 m，在基础施工前已完成厚4.97 m的填土，填筑到地面高程93.04 m，按照设计规划，淤背区将要填筑到96.76 m，即基础施工完成后还要填筑3.72 m的填土。考虑填筑时间对负摩阻力的影响，根据填筑施工与桥梁施工的时间关系，可按两种工况分析填土对桩基的负摩阻力。

3.1 基础施工前已完成的填土

场地土层条件可分为砂土和黏性土、粉土。场地土绝大部分为砂土，对砂土而言，填筑工程完成后，土层的压缩变形就已基本完成。对于黏性土、粉土，填筑工程完成后，其瞬时沉降和部分固结沉降已完成，剩余沉降为部分固结沉降ΔHc和次固结沉降ΔHs。场地土在桩基作用范围的黏性土、粉土共有三层，取厚度最大的12层粉质黏土与13层粉土计算所需固结时间 t。根据单向固结理论［4］得

式中，t为固结时间;Tv为时间因子;Cv为土的固结系数;H为最大排水距离。

根据土工试验，平均固结系数为 Cv=1.2×10－5m2/s，按双面排水，H取总厚度的一半，即H=17.7 m。计算表明，固结度达到95%时(时间因子Tv取1)所需固结时间约为76 d。因此，可以认为这部分填土所引起的地基土下沉在基础竣工前已经完成，不考虑其对桩基产生负摩阻力的影响。

3.2 基础施工后再填筑的填土

基础施工完成后，还将大面积填筑3.72 m的填土，由填土所引起的附加荷载在桩基作用范围内随着土层深度的增加而减小得极少，当地基可压缩土层较厚时，会对桩基产生较大的负摩阻力。另外，新填筑的填土本身还将固结下沉，填土本身也会对桩基产生负摩阻力。这两种成因的负摩阻力共同作用于桩基，应予以高度重视。

4 中性点位的确定

要确定负摩阻力的大小，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。确定中心点位置通常采用估算法和土层沉降计算法。

4.1 估算法

中性点的深度可按《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)［4］估算，这种方法方便、快捷。但规范估算仅考虑桩端持力层的性质，没有考虑桩周地面上附加荷载大小等因素的影响。中性点深度按表2取值。

表2 不同土层的中性点深度ln取值

本工程填土是在桩基及上部结构施工完成后填筑，且结构对沉降变形要求高，中性点深度 ln宜取大值，即取桩周沉降变形土层下限深度。从场地土质条件分析，8层中砂以上土质较软，压缩模量较小，以下土质较硬，压缩模量较大，属低压缩性土层。中性点位可定为8层中砂层的顶面，深度约为20～23 m。

4.2 土层沉降计算法

计算桩周土在填土附加应力作用下产生的沉降量。本场地填土荷载P=67 kPa，填土宽度取100 m。以DZN140钻孔地质资料为例，依据分层总和法计算各土层的沉降ΔS为

式中，Ms为沉降经验系数;σi为第i层土附加应力的平均值;Esi为第i层土的压缩模量;hi为第i层土的厚度。

表3为沉降计算结果。由表3可见：8层中砂层顶面的沉降为5.03 mm，根据《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》，无砟桥面礅台基础工后的均匀沉降量不应超过20 mm，相邻礅台沉降量之差不大于5 mm。因此，可将8层中砂层顶面作为中性点深度ln。估算法和土层沉降计算法结果表明，这两种方法确定中心点深度是基本一致的。

5 负摩阻力的计算

《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)第5.4.3条规定，对于摩擦型基桩可取桩身计算中性点以上侧阻力为零计算其承载力。此计算方法的前提是桩基有较大的沉降，这在高速铁路桥梁工程中是不允许的。在高速铁路桥梁工程中，不论是摩擦桩还是端承桩，均应考虑负摩阻力引起桩基的下拉荷载，应将下拉荷载计入附加荷载验算桩基的沉降。

表3 分层总和法计算由填土荷载引起的土层沉降量

5.1 负摩阻力取值

确定桩基负摩阻力大小的方法较多，较准确的方法是现场试验，但该方法费用大、难度高、时间长。另外，还有室内模拟方法、理论公式计算方法、经验公式和经验数值方法。本文按《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)的公式进行负摩阻力计算。N140墩基础设计为3×5=15根，长1.5 m钻孔灌注桩，桩间距4.0 m，地下水位83.29 m。

土层负摩阻力计算结果见表5。

表4 负摩阻力系数 ξni取值

表5 土层负摩阻力计算取值

计算结果表明，由于中性点深度较大，填土厚度大，表中计算负摩阻力 q′si都大于桩侧摩阻力 τi，负摩阻力取值qnsi为计算负摩阻力 q′si与桩侧摩阻力 τi的较小值。

5.2 基桩下拉荷载Qng计算

式中，n为中心点以上土层数;u为桩身周长;li为中心点以上土层厚度;ηn为负摩阻力群桩效应系数，取ηn=1.0为第i层土桩侧负摩阻力，按表5取值。

6 结语

1)研究大面积填土产生附加荷载引起的桩基负摩阻力，关键是正确确定中性点深度。中心点深度主要与附加荷载大小、土层的可压缩性质及上部结构所允许的沉降变形量有关。

2)采用计算土层沉降变形量方法来确定中性点深度时，要特别重视土层压缩模量和沉降经验系数的取值，这两个参数对确定中心点深度影响极大。压缩模量应取土的“自重压应力”至“自重压应力与附加压应力之和”的压应力段所对应的变形值，同时要注意修正室内试验可能产生的误差。

3)桥梁基础对沉降变形有严格的控制，因此，对桥梁工程而言，摩擦桩、端承桩都应计算负摩阻力。

4)在有负摩阻力的场地建设桥梁，桥梁上部结构宜尽可能采用允许相对较大沉降的桥式结构，这样可较大地提高中心点深度，减小负摩阻力，降低基础工程的费用。

［1］傅朝方.侧摩阻力对桩稳定性的影响［J］.华东公路，2002(4)：71-74.

［2］中华人民共和国交通部.JTG D63—2007 公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］周国林.单桩负摩阻力传递机理分析［J］.岩土力学，1991，12(3)：35-42.

［4］中华人民共和国建设部.GJ94—2008 建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008：26-35.

U445.55+1

B

1003-1995(2011)03-0020-03

2010-08-30;

2010-12-15

李光耀(1960— )，男，湖北汉阳人，教授级高级工程师。

(责任审编 白敏华)