公路桥梁桩基沉降研究

温启明

摘要：由于黄土区的非均匀湿陷性，桩侧负摩阻力将会对桥梁桩基沉降及不均匀沉降产生严重影响，因而估算负摩阻力是湿陷性黄土地区桩基变形分析的关键。本文对深厚黄土地区非均匀湿陷下桥梁桩基沉降展开研究，基于现场试验结果和负摩阻力产生机理的负摩阻力的理论分析，推导负摩阻力的计算公式，为类似工程提供参考。

【关键词】公路桥梁;桩基沉降;湿陷性黄土;负摩阻力

桥梁桩基在上部结构自重及车辆荷载下，其沉降主要分为三部分：①桩体材料受压产生的弹性变形;②桩身周围的侧摩阻力的出现，在土层中产生附加应力，使得桩端下部土层被压缩，进而引起桩端沉降;③桩端土层在上部荷载作用下，被进一步压缩，引起桩端沉降。一般的，负摩阻力的产生原因主要有以下几种：桩周大面积堆载;大范围降水;桩周为欠固结土或者未固结的填土;湿陷性黄土的湿陷;砂土液化;冻土融解等。如果在桩侧出现负摩阻力，那么桩侧土体的沉降变形值一定>桥梁桩基础的沉降变形量，对于持力层为岩石的端承桩，沿着桩身全长可能均出现负摩阻力，而对于摩擦型桩是否出现负摩阻，则要根据桩-土的位移差值及相对方向判断。

本文对深厚黄土地区非均匀湿陷下桥梁桩基沉降展开研究，基于现场常规静载以及浸水静载试验和控制变量浸水试验，研究湿陷性黄土地区桥梁桩基础的沉降变形特征、桩侧的负摩阻力分布变化规律，并对负摩阻力产生机理和变化规律进行理论分析，并推导单桩和群桩两种情况下的负摩阻力计算公式，最后根据黄体地区的特点，介绍常用的处理措施，为类似工程提供参考。

1.负摩阻力与桩基沉降的试验研究

现场选取三根桩基进行试验，分别编号S1、S2、S3，分别进行静载、浸水静载、控制变量浸水三种试验，试验现场如图1所示。浸水静载试验，即先让桩周土层浸水，在浸水完成后进行载荷试验，试验同常规载荷试验做法。控制变量的浸水试验，则是先将S3固定在型钢承台之上，并在型钢上安装测力计等设备，然后向坑内注水，在黄土湿陷后，土层向下沉陷，土-桩之间出现相对变形，桩周的土体会对桩基础作用一下拉力，然后将此下拉力换算成单位面积下的负摩阻均值，通过钢筋计、应变计、土压力盒等测试桩身各监测断面的负摩阻力，进而了解桩身范围内负摩阻力的分布。

根据控制变量的浸水试验结果，如图2所示，桩侧的负摩阻力的峰值区间为（41.5KPa～76.5KPa），而浸水试验的结果则为17.5KPa～28.8KPa，相比于传统的浸水载荷试验，控制变量的浸水试验所测的结果更为准确，且试验用时较短。

根据浸水静载试验结果（如图3所示），在开始浸水阶段，桩顶竖向位移的增速快，而随着浸水时间的推移，在试验的18天后，桩基沉降的增大速率放缓，向接近平稳发展，在停止浸水后，桩身的沉降又出现新的增长，但是涨幅较小，增速比较平稳，这是由于桩身周围土层在排水后发生重固结所致，但是用时较短。因此，在湿陷性黄土地区，桩身周围的土层一旦出现轻微的湿陷，也会出现负摩阻力，导致桩基的沉降，且变化速率较快。

2  湿陷性黄土地区负摩阻力理论分析

在自重型湿陷性黄土地区，土体在浸水后发生湿陷，使得桩身周边的土体變形超过桩的竖向变形，因而在桩身产生负摩阻力，其值大小与湿陷等级、黄土特征、桩基的材料、截面形状、浸水时间等有关。目前多采用荷载传递法来分析此问题，其虽可反映桩-土间的非线性特征但无法反映负摩阻力的传递特性，因此本文采用双曲线型荷载传递法来研究桩侧负摩阻力的分布。

根据浸水试验，桩侧的负摩阻力随时间逐渐增加，待完全浸水后，增大速度加快，而在停水一段时间后，水分继续渗入到土层，湿陷变形继续增加，达到峰值，这一过程说明，在浸水终止后，土体产生固结沉降，桩身周围的土体的抗剪强度有所恢复，进而负摩阻力也会随之提高，因此，负摩阻力的峰值并非是出现在浸水期间，也可能出现在浸水结束后，土体固结稳定后。如图4所示，图（a）为正摩阻力，（c）为负摩阻力，而（b）则为正摩阻力向负摩阻力的转变阶段。正负摩阻力的判断，要根据相对位移判断，若为+，即桩基竖向变形大于桩侧土体沉陷值，则为正摩阻力，反之，桩侧土体沉降大于桩身沉降，在桩侧产生向下的摩阻力，则为负摩阻力。从摩阻力分布图可知，在桩身有一摩阻力为0的点，即中性点，该点无相对位移，但内力最大，此点也是正、负摩阻力的转变点。

3.负摩阻力的计算

3.1单桩负摩阻力计算

根据摩擦力计算公式，其值与摩擦系数和正压力相关，摩擦系数取决于土性和桩身材料，而正压力则为有效应力，根据这一原理计算的摩擦力应随着深度的增加逐渐增加，但是根据现场试验的结果，摩阻力并非一直增加，它存在一个类似反弯点的分界点，该点的摩阻力为零，轴力最大，称之为中性点，显然传统的物理学方法不适合计算桩身摩阻力。

对自重湿陷性黄土，采用微积分进行分析，在桩身选取任一微元体，根据桩侧负摩阻力的分布规律，简化模型，建立抛物线型模型：

假定负摩阻力的峰值出现在桩顶和深度之间，假定最大深度为，在位置，，而在，则达到最大，在，，带入方程，联立求解，可得：

那么，桩身范围内的下拽力为：

對于单桩，仅需要确定与中性点，从而可确定总的下拽力，对于，有效应力法的公式为，为静止土压力系数，为土体内摩擦角。中性点的确定，可根据正、负摩阻力（积分求和）相等进行计算，或者根据桩-土相对位移理论计算。

3.2群桩的负摩阻力计算

桩基的布置形式、根数、土质等都会对群桩的负摩阻力产生影响，目前没有一个准确的理论计算公式可以定量计算，仅能通过一些简化方法得出定性结论。

常用的方法有以下两种：

⑴泰沙基-佩克法

根据桩基的静力平衡，建立桩基的静力平衡关系，从而求得负摩阻：

其中，为上部结构荷载，为附加荷载（均按单桩处理）。

⑵远藤法

根据日本地区工程经验，桩基数量越多，沉降越小的特点，远藤将群桩效应考虑在内，假定群桩基础中，各桩基受到相同的负摩阻力作用，且其沿着桩长均匀分布，在此基础上，推导出群桩的负摩阻力计算公式为：，其中为群桩效应系数，为桩数。

4.治理措施

湿陷性黄土地区，桥梁桩基一旦发生不均匀沉降，应首先进行纠偏处理，可以采用顶升纠偏或者迫降纠偏，消除不均匀沉降带来的影响。顶升纠偏，是将桥梁上部结构抬升，使上、下部结构分离，进而对下部结构实施加固、将支座加高，既可以消除不均匀沉降带来的倾斜还可以解决因沉降所致的净空不足的问题;而迫降纠倾则是采用机械或人工，在沉降小的一侧改变土体性质，使其在短期内发生沉降并稳定，以达到纠倾的目的。

而当地基承载力不足，沉降过大时，则需要增补桩基以提高承载力。在旧桩周边施工钻孔灌注桩或者打入预制桩，并将既有承台扩充，将新桩与旧桩连接成一个整体，使二者协同受力，以达到提高承载力的目的。为使新旧承台的剪力可靠传递，可以通过植筋或者设置剪力键。对于增补桩基，需要满足如下要求：①加固计算应考虑新老桩基的支撑、桩径等;②考虑新桩构造与旧桩的间距，可将新增的桩基间距适当减小;③增补桩基，应对称增补，避免不均匀沉降。

5.结束语

本文就深厚黄土地区非均匀湿陷下公路桥梁桩基沉降展开研究，基于现场试验研究湿陷性黄土地区桩基沉降特征、桩侧负摩阻力的分布，并对负摩阻力产生机理和分布规律进行理论分析，并推导单桩和群桩负摩阻力的计算公式，主要结论如下：

⑴控制变形浸水试验相比如浸水静载试验，可以更准确快速的获取桩身摩阻力的分布，桩侧的负摩阻力呈现显著的时间效应，桩周土体排水重新固结也会增大桩侧的负摩阻力;

⑵单桩的负摩阻力与静止土压力系数，土体内摩擦角及中性点位置相关，而群桩的负摩阻力与桩间距、桩的根数、布置方式相关，通过计算群桩效应计算负摩阻力。

湿陷性黄土地区，在桥梁设计时应加强对桥下排水的设计，并严禁在桥下大量堆载，并按照先路后桥的施工顺序;本文仅从试验和理论的角度进行研究，后期还应结合有限元软基进行分析。

【参考文献】

[1]董晓明.基于黄土非均匀湿陷变形的桥梁群桩基础承载特性研究[D].长安大学，2013.

[2]毛坚强，蒋媛.基于单桩静载试验结果的群桩基础沉降计算方法[J].铁道学报，2017，39（1）：97-103.