山区陡坡地段桥梁桩基摩阻力分布规律浅析

■金 晶

（福建省交通建设质量安全监督局,福州 350001）

1 引言

山区陡坡桥梁桩基由于其复杂的受力特性，在竖向荷载作用下承载特性与平坡桩相比有很大差异。当前针对山区陡坡地段桥梁桩基设计是在平坡桩设计计算的基础上，根据经验添加安全系数，这会使桩基设计过于安全而造成材料浪费或者安全系数过小造成桩基安全隐患。为此，本文依托福永高速公路葛岭大桥实体工程，选取典型陡坡桩基进行现场测试，并主要针对桩基摩阻力的分布规律予以浅析。

2 工程概况

葛岭大桥位于永泰县葛岭镇就老村西北侧，桥梁跨沟谷。大桥左桥中心桩号为ZK23+251.250，右桥中心桩号为YK23+251.250，桥跨布置为19×30m PC 连续刚构T 梁，桥长577.5m。下部结构为柱式墩、灌注桩基础，起点台为肋台、桩基础，终点台为U 台和扩大基础。

(1)地形地貌

该桥位于剥蚀丘陵，间夹沟谷地貌，地形起伏较大，天然坡度一般为15～45°，两侧桥台处坡度为35°。桥址区海拔约9～65m，相对高差约56m。山区跨越山间沟谷，沟谷狭长，纵横交错。沟谷底起伏较大，宽约130～140m，桥台处均位于陡坡上，坡度较陡。

(2)工程地质条件

根据工程地质测绘和钻孔揭示，桥址区地表主要上覆第四系冲洪积层；堆积层，残积层；中生界白垩系下统熔结凝灰岩和凝灰质粉砂岩及其风化层，第四纪断裂层穿过葛岭大桥，与线位成70°相交，影响较小，岩体表层风化较强烈，上坡残积土和强风化岩厚度局部较大，开挖稳定性较差，应加强支护。

(3)气象水文条件

葛岭大桥跨越地区为温、热带的过度带，是典型的亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛，四季分明，立体气候显著。年平均降水量在1400～2000mm，无霜期为296 天，区内3～9 月为多雨季节，10 月至翌年2月为少雨季节。7～9 月夏秋之交，常遭台风暴雨袭击，在连降暴雨的情况下，易产生滑坡或崩塌。

葛岭大桥测区内沟谷水系稍发育，各分支水系在山地丘陵区呈树枝状，枯季水量小水流较缓，汛期水量快速增大，流量受降雨量影响明显；测区内地下水为第四系冲洪积层孔隙水，水位埋藏较浅，水量丰富，接受大气降水及地表水补给，局部阶地部分为承压水对桥位桩基施工影响较大。

3 试验桩位的选取

通过对福永高速全线调研，综合考虑沿线地形地貌、工程地质和水文情况对陡坡地段桥梁桩基影响，选取葛岭大桥右幅17#-1 作为试验桩，该桩采用人工挖孔成孔施工工艺，桩长15.8m，桩径2.0m。该桩处于陡坡坡中位置，陡坡坡度为38°，地形复杂，地质条件较差，具有典型的山区陡坡特点，如图1 所示。

图1 葛岭大桥右幅17#-1 试验桩位

4 试验过程

4.1 测试元件的布设

钢筋计与压力盒沿桩长方向对称布置，每侧布置12 根钢筋计和5 只土压力盒，桩底布置3 只土压力盒，一根桩基共布置24 根钢筋计、13 只土压力盒。钢筋笼底部以上40cm 起，每隔1.1m 设置一钢筋计；设计桩顶位置以下2.8m 起，每隔1.1m 设置一压力盒，大于5.1m 每隔2.2m 布设，如图2 所示。

图2 测试元件布设 （单位：cm）

（1）钢筋应力计埋设

施工流程：检查钢筋应力计→校核编号→原始频率测试→钢筋应力计焊接→信号线绑扎→信号线保护→浇注混凝土→进行测试。

（2）土压力盒埋设

施工流程：检查土压力盒是否损坏→校核编号→原始频率测试→护壁凿孔→土压力盒埋设→信号线绑扎→信号线保护→浇筑混凝土→进行测试。

4.2 试验加载与测试要求

山区陡坡地段桥梁桩基础受地形特点的限制，现场静载试验实施难度很大，且考虑着重分析山区陡坡桩基荷载传递规律，现场测试荷载主要借用桥梁结构的自重，也就是桥梁施工过程中系梁自重+桥墩自重荷载、系梁自重+桥墩自重+盖梁自重荷载、系梁自重+桥墩自重+盖梁自重+梁自重荷载、系梁自重+桥墩自重+盖梁自重+梁自重荷载+桥面铺装与防护栏自重荷载等。葛岭大桥右幅17#-1 采用单桩单柱形式，各级荷载见表1。

表1 试桩桩基荷载

受地形条件的限制并考虑研究内容，测试分析桥梁结构相关构件自重作用下桩的力学特性。测试流程为：

(1)测试元件运至现场测试一次；

(2)焊接完成后测试一次；

(3)桩浇注混凝土前、后各测试一次，且混凝土浇注完后连续监测直至稳定；

(4)墩柱、盖梁、梁及桥面铺装层施工前、后各测读一次。

5 试验成果分析

5.1 桩的受力计算

(1)计算参数选取

桩的竖向受力及桩侧摩阻力的计算过程中，可变参数主要有钢筋及混凝土材料的弹性模量E 和沿桩身不同截面的面积A。

钢材的弹性模量按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）取值，Ⅱ级钢筋弹性模量EG=2.0×105MPa；混凝土材料的弹性模量按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）取值，C25 混凝土弹性模量：EH25=2.85×105MPa，C30 混凝土的弹性模量：EH30=3.0×105MPa。但混凝土材料由于粗骨料及集料级配的差异，弹性模量并非定值。理论上按桩顶第一排测试元件推算桩的竖向受力应等于桩顶实际荷载，因此，计算中对参数EH、AH进行了修正，使得材料参数符合实际情况。

(2)计算截面的取舍

出现下列情况时剔除该截面，其竖向受力计算取上下两截面的平均值：

①由于混凝土浇筑的不均匀性，导致其弹性模量值的离散性较大，计算结果在个别断面产生突变，与实际受力性状不符；

②由于施工因素的影响，桩身截面并不完全均匀，使得计算中截面变化处桩的竖向受力产生突变。

③桩的竖向受力计算

桩的竖向受力通过沿桩身布设的振弦式钢筋计测读其频率，利用标定曲线内差推算求得，其计算步骤如下：

利用ZXY-16 型振弦仪测定初始状态及各级荷载稳定时钢筋计的频率值f（Hz），通过标定曲线，采用直线内差法将频率值转换成相应的钢筋轴向压力F（kN）。

内差计算公式：

式中：f——测试元件的频率实测值（fi＜f＜fi+1）；

Pi,Pi+1——分别为P-f 曲线上fi，fi+1对应的荷载；

fi，fi+1——分别为Pi,Pi+1荷载下对应的频率值。

（1）测试元件测试结果的修正。对各级荷载下的元件受力进行修正，目的是消除初始值的影响。根据力的叠加原理，修正公式：

式中：y0——加载前，钢筋计的受力；

y′i——各级荷载作用下，桩顶沉降变形稳定时，钢筋计的受力；

yi——修正后的各级荷载作用下，钢筋计的受力。

（2）根据测试元件受力结果推算桩的竖向受力。计算中假定：

①钢筋与混凝土紧密接触，即同一截面内钢筋与混凝土的应变相等；

②钢筋与混凝土均为线弹性材料，即材料特性满足胡克定律。由此可得按钢筋计推算桩的竖向受力。

计算式：

式中：FG——按钢筋计测读结果推求的钢筋轴向压力；

EH、EG——钢筋及混凝土材料弹性模量；

AG、AH——单根钢筋及混凝土截面积；

n——计算截面内主筋根数。

对于山区陡坡桥梁桩基的竖向受力计算，为了分析比较陡坡桩基两侧桩的竖向受力差异，假定以桩轴线为中线，两侧钢筋计分别处在两部分面积内。

5.2 桩侧摩阻力及摩阻强度的计算

桩侧摩阻力由桩的竖向受力变化值推算求得。设a1、a2断面桩的竖向受力分别为Q1、Q2，则a1、a2断面间的桩侧摩阻力：

式中：T1,2——a1、a2截面间每延米长度内的桩侧摩阻力；

l1,2——a1、a2截面间的距离。

试桩的竖向受力测试结果见表2；计算分析所得试桩侧摩阻力成果见表3；桩侧摩阻力分布规律如图3 所示。

表中的X 指桩顶到各断面的距离；A 面是指桩基靠近山坡外侧；B 面是指桩基靠山坡内侧。

表2 葛岭大桥右幅17#-1 试桩不同位置的竖向受力

图3 葛岭大桥右幅17#-1 桩侧摩阻强度曲线

5.3 桩身摩阻力分析

如表3、图3 所示，桩顶至3.5 倍桩径深度范围内，桩基内侧摩阻力发挥比桩基外侧摩阻力发挥大，此深度范围内，桩基外侧摩阻力为桩基内侧摩阻力的74.2%；3.5 倍桩径以下至5 倍桩径深度范围内，桩基内侧摩阻力增长幅度平缓，桩基外侧摩阻力增长幅度较大，此深度范围内桩基外侧摩阻力为桩基内侧摩阻力的1.09 倍；5 倍桩径深度范围以下，桩内外侧摩阻力基本一致，桩基内侧、外侧摩阻力协调平衡发挥。

通过试验桩基内、外侧摩阻力变化规律可知，陡坡地形桩基与平地桩基荷载传递有一定的差异，对于平地桩基，桩基两侧可以视为半无限土体，为桩基提供均等的摩阻力；而对于陡坡上的桩基，因陡坡外侧一定深度内土体缺失或因施工等原因造成该部分土体扰动，使得强度不足，桩基上部外侧桩身未受到挤压力，从而不能提供相应的摩阻力，导致桩基两侧的桩侧摩阻力分布规律有很大的差异，桩侧摩阻力总体发挥趋势是随着荷载的增加，引起桩的竖向沉降变形增大，桩岩相对位移变大，使桩侧摩阻力增大。

5.4 陡坡桥梁桩基摩阻力折减系数计算

桩侧摩阻力实质上是桩侧土的剪切问题，桩侧土极限摩阻力值与桩侧土的剪切强度有关，随着土的抗剪强度的增大而增加。而土的抗剪强度又取决于其类别、性质、状态和剪切面上的法向应力。不同类别、性质、状态和深度处的桩侧土将具有不同的桩侧摩阻力。陡坡桥梁桩基桩侧土由于一侧一定深度范围内缺失或桩周土体强度不足，使坡体桩基两侧所受摩阻力与平地桩基所受摩阻力有一定的差异，对陡坡桥梁桩基按常规平地桩设计显然不适合，因此，陡坡桥梁桩基在设计时，应对其承载力进行折减，以确保桩基承载力满足使用要求。

桩基侧摩阻力折减系数计算：

式中：ζv——某坡率下的折减系数；

f1——靠近山体一侧桩摩阻力值；

f2——外侧桩基侧摩阻力值。

葛岭大桥右幅17#-1 摩阻力折减系数：

葛岭大桥右幅17#-1 摩阻力影响度：

建议采用陡坡桥梁桩基承载力计算公式：

（1）摩擦桩

（2）嵌岩桩

式中，ζv为桩基侧摩阻力折减系数。

其它参数按照现行《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）确定。

陡坡地形对桥梁桩基的荷载传递规律有影响，荷载传递过程与平地桩基有较大差异，其差异程度与山区陡坡的坡形、坡度、施工工艺、桩周接触条件、嵌岩深度、桩长、桩径、荷载大小及其作用方式等因素有关，工程实践中对陡坡区域桩基承载力计算应予以折减。同一桩长桩径情况下，坡度越大影响度越大，说明陡坡对桥梁桩基的承载力影响必须引起足够的重视。

6 小结

山区陡坡桥梁位于坡中的桩基，自桩顶以下2～3 倍桩径深度范围内，桩基外侧摩阻力受坡形影响较大。因此，设计计算时应充分考虑承载力的折减，且在施工过程中应特别注意对边坡的防护以防土体流失而影响桩侧摩阻力的发挥。对于坡角r≤45°时，坡面可进行一般防护；坡角r＞45°时，坡面则必须严格加强防护设计与施工。希望通过对福永高速陡坡桥梁桩基摩阻力分布规律的浅析，能为日后类似情况下的工程建设提供一定的参考。

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