湿陷性黄土地区桥梁桩基础承教力研究

宾聚连

摘要：文章基于高速公路湿陷性黄土地区桥梁施工实践，分析了湿陷性黄土桩基侧向负摩阻力与桩侧阻力对桩基承载力的影响，提出了桥梁单桩竖向极限承载力和桩身强度的计算方法，并通过在桥梁承台和桩基土壤内设置监测点，对桩基承载力与土壤含水量进行监测，收集和整理监测数据，绘制监测曲线，分析结果说明桩基承载力符合设计要求。

关键词：桥梁;湿陷性黄土;桩基承载力;沉降监测;土壤含水量

中图分类号：U443.15文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.043

文章编号：1673-4874（2021）01-0158-04

0引言

湿陷性黄土在自重和附加应力作用下，遇水后会使土体结构迅速破坏并产生显著湿陷变形。由于湿陷性黄土工程性质的特殊性，对其工程特点进行研究在工程设计与施工中具有重要的意义。在桥梁桩基础设计与施工中，经常会遇到湿陷性黄土地基，为了保证其承载力符合要求，应对桩基土体构成和物理力学性能进行分析，并在施工过程中进行桩基承载力和桩侧土壤含水量监测，分析桩基承载力是否符合设计要求[1]。

文章结合某高速公路桥梁桩基础施工实践，分析桩基承载力与桩侧负摩阻力值和桩侧阻力极限值之间的关系，研究单桩竖向极限承载力和桩身强度计算方法。在桥梁施工过程中，通过布设监测点和监测设备，监测桩顶沉降量随荷载的沉降变化情况，进而确定桩身轴力随深度变化情况，验证变化情况是否符合设计与规范要求。

1工程概况

某高速公路在建桥梁穿越耕地，地基土为湿陷性黄土，地下水位深度为24m。桥梁地基土为第四纪黄土状土，土质属于粉质黏土，底层以角砾为主。施工现场湿陷性黄土深度约为15m，地层以下15～24m为粉土和粉质黏土，均为低液限黏土，24～50m为角砾土。湿陷性黄土土层物理力学参数详见表1。

桥梁设计采用10×25m多跨预应力混凝土箱梁，桥面全宽24.5m，桥梁桩基础为摩擦桩，采用钻孔灌注桩施工。桩长设计长度为40m，桩径为1.2m，桩身设计采用C30混凝土。

2桥梁桩基承载力

2.1单桩竖向极限承载力

湿陷性黄土地基在桥梁桩基础侧向土体负摩阻力的作用下，桩基极限承载力会不断减小。随着湿陷性黄土地基湿陷深度及湿陷程度的增加，桩基极限承载力不断下降[2]。桥梁桩基础的极限承载力主要由极限侧阻力和极限端阻力两部分组成，二者的不同在于浸水桩基受到负摩阻力的作用，而且浸水桩段不能提供桩侧正摩阻力，还要受到桩基周围土体变形产生的附加荷载。因此，在计算浸水桩基极限承载力时，需要用单桩竖向极限承载力Q_u减去中性点以上负摩阻力值N_F和桩侧阻力极限值P_F。因此，在考虑负摩阻力影响时，湿陷性黄土路段单桩极限承载力Q_uf计算公式见式（1）：

Q_uf=Q_u-P_F-N_F⑴

而单桩竖向承载力容许值P_f计算式见式（2）（k为安全系数）：

P_f=Q_uf/k（2）

2.2桩身强度验算

在湿陷性黄土地基中，由于桩身受到负摩阻力的作用，桩身中性点处为桩身轴力最大处[3]。因此在进行桩身强度验算时，只需验算中性点处桩身强度。验算公式见式（3）：

（3）

式中：Q₀——桩顶工作荷载，kN;

N_F——桩侧负摩阻力值，kN;

A_P——桩身横截面面积，m²;

S^P——桩身短期容许强度，kPa。

3湿陷性黄土地区桩基承载力监测

3.1监测项目

为了验证湿陷性黄土地区桥梁桩基承载力是否符合要求，对桩基沉降情况和地基土壤含水量进行监测。桩基承载力监测前按照要求进行监测设备的选配，合理确定监测设备的型号、数量和技术参数。根据规范要求进行测点布置，并按照要求进行监测、收集和整理数据，绘制监测曲线，分析后判断桩基承載力是否符合设计要求。

3.2监测设备选择

3.2.1沉降监测设备

桥梁桩基建成使用后，桩基主体结构埋于地下，不能使用水准仪进行监测。由于桩基与承台相连，可以在承台上预埋精密数字沉降传感物位计对桩基承载力进行监测。物位计测量精度高、功耗低、可靠性高，不易受到外界因素影响，可用于对建筑物垂直位移变化的监测。本项目所选用的物位计测量范围为200～600mm，测量精度为1mm，工作电压为直流12V，设有通信接口，可通过USB接口将数据传输到PC端。本项目沉降观测选用物位计2个，无线传输模块1个，数据采集仪1台，设置基准点1个。

物位计沉降观测机理：桥梁桩基产生垂直位移变化时，会造成物位计中液体压力发生变化，产生压力信号，压力信号进一步转换为电信号。采集器定时将采集的数据传输到PC端，并做好数据的存储和解析，分析整理后得出沉降-时间曲线。通过查看沉降-时间曲线图，可对桩基沉降的实时变化进行查看。

3.2.2土壤含水量测量设备

含水量直接影响土壤的介电常数，可通过测量土壤的介电常数确定含水量[4]。桩基湿陷性黄土桩侧含水量监测选用土壤水分传感器，通过测量土壤的介电常数，进一步换算确定地基含水量。本项目所选用的土壤水分传感器量程为0～100%，测量精度士2%，可直接测量土壤水分的体积百分比。土壤含水量测量配备水分计探头4个，土壤墒情监测终端1个。

3.3测点布置

本项目桥梁桥台设计为肋板式桥台，承台下设置4根桩，沉降监测选择其中两根桩作为监测对象，沉降监测点布置在承台上。各沉降监测点应尽量布置在同一水平面上，且保持高差不得超过100mm。监测点布置时采用水准仪对测点标高进行测量，确定标高后修整出一块尺寸为400×400mm的平面，并在监测点上安装物位计。桩基沉降观测点布置如图1所示。

桩侧土壤含水量的测量点根据地基土层厚度布置。该桥台位置土层深度为15m，由于每层湿陷性黄土物理力学特性差异较大，故分4层对土壤含水量进行检测。水分传感器布置在各湿陷性黄土层的上部，将探针插入土中。水分传感器布置如图2所示。

3.4桥梁桩基模型分析

根据现场监测数据，分析施工现场桩顶沉降随上部荷载增加所产生的变化，监测中发现土壤含水量变化稳定，通过数据分析，应用FLAC3D进行建模[5-6]，建立模型如图3所示。桩侧土体实测参数如表2所示，桥梁桩顶随荷载变化如图4所示，桩身轴力随深度变化曲线如图5所示。

通过对图4所示桩顶位移随荷载变化情况监测曲线分析可知，1号曲线为桩基随荷载沉降变化曲线，2号曲线为桩顶随荷载变化产生的附加沉降曲线，其中初始荷载为3500kN。结合图4曲线和监测数据分析可以看出，附加沉降值为3.6758mm，桩顶总沉降量为8.4208mm，符合设计与规范要求。

通过对图5所示桩身轴力随深度变化曲线分析可知，1号曲线是桩顶在承受5500kN荷载作用下的轴力随深度变化曲线，2号曲线是桩基在3500kN桩顶荷载下的桩身轴力随深度变化曲线。1号和2号曲线相交位置为深度14m处，深度在14m以上时，1 号曲线的正摩阻力约为1300kN，2号曲线的负摩阻力约为750kN，符合设计与规范要求。

4结语

本文通过对某在建桥梁桩基础承载力进行研究，分析单桩竖向承载力和桩身强度计算方法，并对桩基沉降和土壤含水量进行监测，得出以下结论：

（1）分析桩基承载力与桩侧负摩阻力值和桩侧阻力极限值之间的关系，得出单桩竖向极限承载力和桩身强度计算公式，可为桩身承载力研究提供理论基础。

（2）在桥梁承台和桩侧土层中设置监测点和监测设备，监测桩身随荷载所产生的沉降和桩侧土壤含水量，绘制桩顶位移随荷载变化情况监测曲线和桩基随荷载沉降变化曲线，得出桩顶总沉降量为8.4208mm，符合设计与规范要求。

（3）通过对监测数据进行分析，绘制桩身轴力随深度变化曲线，得出深度在14m以上时1号曲线的正摩阻力约为1300kN，2号曲线的负摩阻力约为750kN，符合设计与规范要求。

参考文献

[1]李艳红.基于实时监测的湿陷性黄土地区桥台桩基承载力评估技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

[2]王富春，姚贤华，冯忠居，等.盐沼泽腐蚀对公路桥梁桩基础竖向极限承载力影响的数值模拟研究[J].公路，2017，62（1）：60-66.

[3]刘争宏，郑建国，张继文，等，湿陷性黄土地区桥梁桩基工后沉降计算方法研究[J].岩土工程学报，2014，36（2）：320-326.

[4]张多平.黄土的濕陷性对桥梁桩基础承载力及沉降的影响[J].山西建筑，2018，44（33）：40-41

[5]陈运飞，张利强，沙元恒，等，湿陷性黄土地区公路桥梁桩基础设计探讨[J].公路交通科技（应用技术版），2009，5（9）：109-110，116.