深厚覆盖层中超长桩的应用

程红涛，吴向涛，张 辉，刘 涛

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

深厚覆盖层是指厚度大于30 m的第四纪松散沉积物，在我国分布十分广泛，特别是一些大型河流中下游平原地区。这些地区往往地形较为平坦，人口密集，大中型工程建设很多，尤其是近年来快速的经济发展，使得城市的高层、超高层建筑，跨大江大河的大桥、特大桥等建设越来越多，此类工程由于上部荷载很大，深厚覆盖层的工程性质不是太好，地基处理时多选择具有施工快捷安全、承载能力大、沉降小等优点的长桩或超长桩基础方案，因此使得长桩或超长桩得到了广泛的应用。济南某跨黄河大桥地处黄河下游平原区，地质勘察成果显示其覆盖层厚度达到160 m以上，桥梁主桥上部荷载大，对地基强度及变形要求较高，选择超长桩进行基础处理是较为理想的方案。

1 超长桩的荷载传递机理及影响因素

摩擦桩是按承载性状划分的一种桩的类型，桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承受，并考虑桩端阻力。超长桩是桩长较长的摩擦桩，具体多长称之为超长桩，不同学者有不同的提法，多数学者在论文中提出对桩长径比(l/d)进行划分，如将桩长径比(l/d)大于50作为超长桩的判定依据[1-4]；不过在相关规范中，公路行业规范《公路桥涵施工技术规范》[5]中将桩长不小于90 m的钻孔灌注桩界定为超长桩，这个界定还是明确的。

1.1 荷载传递机理

桩的作用就是将上部荷载传递到下部土层，作用于桩顶的竖向荷载由作用于桩侧的摩阻力和桩端的端阻力共同承担，桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥过程就是桩土体系荷载的传递过程[6-7]。桩身的承载性能是通过桩身的压缩变形和桩端持力层的沉降使桩身上段的桩土间产生足够大的相对位移量致使桩侧土的摩阻力发挥作用，进而使桩端阻力发挥作用。详细来说，桩顶受竖向荷载后，桩身压缩而向下位移，桩侧表面受到土的向上摩阻力，桩身荷载通过发挥出来的侧阻力传递到桩侧土层中去，从而使桩身荷载与桩身压缩变形随深度递减。随着荷载增加，桩端出现竖向位移和桩端反力，同时桩端位移加大了桩身各截面的位移，并促使桩侧阻力进一步发挥，因此桩的侧阻力和端阻力发挥并不是同步的[8-9]。

对于超长桩来说，桩体长度的增加主要是提高单桩承载力和降低桩基的沉降，桩体超长的桩荷载传递机理还是有其自身特点的。超长桩桩端在承受上部荷载时所提供的承载力占整个桩承载力的比例很小，且侧阻力优先于端阻力发挥作用，从承载性状上属于摩擦桩(端阻力一般不超过10%)或端承摩擦桩(端阻力占小部分)。超长桩的桩长也不是无限增加了，这其中涉及到有效桩长的概念，有效桩长是指当桩其他条件(桩的形状、截面积大小、桩身材料等)、桩侧土性质一定时，随着桩长增大到一定程度，桩的承载力(或沉降)的增加量逐渐变小直至为零时的桩长[10]。有关有效桩长问题，多数专家学者做过研究[11-12]，这里不作赘述。超长桩在桩长大于有效桩长时，即使在设计极限荷载作用下，至有效桩长以下的桩身及桩端土均未产生压缩，桩侧阻力及桩端阻力自然也不会产生。超长桩的桩侧摩阻力分布具有自身的规律，一般呈两头小中间大的抛物线状，造成这种现象的原因是桩体上部土体的水平有效应力小，下部桩的位移小，只有中部土体既有足够的位移量又有一定的水平应力，所以呈抛物线状[13]。

1.2 影响因素

桩基的荷载传递是桩-土体系相互作用的过程，主要影响因素包括桩侧土与桩身的性质(桩侧土与桩身的强度与变形性质、桩侧土与桩端土的刚度比、桩侧土与桩身的刚度比等)、桩的几何特征(桩径、桩长及其桩的长径比等)、桩的成桩效应与成桩工艺等[14-16]。对于超长桩来说，桩侧土与桩身的刚度比、桩的长径比对超长桩的工作性能影响较大。

桩侧土与桩身的刚度比是影响桩顶荷载向下传递的重要因素。超长桩桩侧摩阻力发挥主要受桩顶沉降影响，随桩顶荷载增大，桩身压缩产生桩顶沉降，使得桩侧摩阻力发挥作用，桩身刚度较大时能够使桩身荷载较好的向下传递。桩侧土体刚度对桩基沉降影响较大，当桩侧土体刚度增加，桩基沉降就会减小，反之，桩基沉降就会增大[17]。当桩土刚度比越小，桩身轴力衰减越快，同深度处桩身轴力越小，桩端阻力比例也越小；当桩长较小时，桩身压缩后桩顶荷载能够较好的传递到桩端，使桩端阻力得到发挥，桩端承受荷载百分率也相对较大；当桩长较大时，桩端阻力所产生的作用较小或者得不到发挥，而且有效桩长以下随桩土刚度比变化不大。

桩的长径比对桩顶荷载向下传递影响很大。单从桩长来说，桩长的增大(增大桩的入土长度)使桩侧阻力增大，同时桩顶荷载对应的桩顶沉降也增大；当桩顶沉降相同时，桩侧阻力均随桩长的增大呈非线性增大，说明在有效桩长深度内增大入土桩长可提高超长桩承载力，超过有效桩长，通过增加桩长提高承载力的能力影响不大。单从桩径来说，桩径的增大使桩侧阻力增大，当桩顶沉降相同时，桩顶荷载和桩侧阻力均随桩径增大而增大，说明超长桩增大桩径也可提高超长桩承载力。单桩的承载受力特性具有深度效应，长径比的增加会导致桩的线刚度减小，随着桩长的增加，传递到桩端的荷载减小，桩身下部侧阻力的发挥值相应降低。有研究表明，当桩的长径比较大时(l/d=25～60)桩端土的性质对荷载传递仍有一定的影响，此时桩身的压缩变形和桩尖持力层的沉降使桩身上段的桩土间产生足够大的相对位移量，致使桩侧土的摩阻力得以发挥，而对单桩承载力有一定贡献，但桩身下段桩土间的相对位移较小，桩侧土摩阻力的发挥受到一定的抑制，长径比对单桩承载力的贡献大小随桩端土的性质变化；当桩的长径比更大(l/d≥100)时，桩端土的性质对荷载传递不再有明显的影响，此类桩的桩身在荷载作用下均产生较大的位移量足以调动桩侧土的摩阻力，桩侧土的摩阻力对单桩承载力的贡献可达90%以上。

2 桥址区覆盖层工程地质特性

2.1 覆盖层工程地质特性

桥址区处于济南北部黄河河道及两岸冲洪积平原区。勘察成果表明，桥址区地层连续性较好，物质组成变化大，岩性以黏性土(粉质黏土)为主，分布最广，常夹有粉土、粉细砂夹层，局部为厚度较薄、颗粒较大、磨圆度较好的砾石层。

桥址区各成因类型岩土特征及厚度特征见表1。

表1 覆盖层各时代成因类型岩土特征及厚度特征表

由勘察成果可知，从时代成因上看，多个勘探点同一时代成因的地层分布厚度差别不大，主层分布稳定无缺失，不同时代成因的地层厚度差别较大。从分布位置来看，各时代成因的地层分布稳定，从上到下依次分布第四系全新统、上更新统、中更新统地层，南北岸及上下游方向上地层均连续，厚度差别并不悬殊；从岩土类型来看，除河床处表层第四系全新统冲积层以粉细砂为主外，其他各层均以粉质黏土为主，且厚度大，工程性质由上而下逐渐变好，多夹粉土、粉细砂薄层或透镜体，含钙质结核且局部有富集现象。勘察深度内(最大揭露深度161.0 m)均为第四系覆盖层。

2.2 覆盖层物理力学特征

勘察时为获取覆盖层岩土层的物理力学性质指标采取了原位测试、室内试验等方法，通过对不同试验方法的试验成果分析整理得到物理力学指标，并类比其他邻近工程的资料、科研成果及地区经验，得出覆盖层各岩土层物理力学参数及桩基设计参数建议值，见表2。

表2 覆盖层各岩土层物理力学参数及桩基设计参数建议值表

3 超长桩方案

3.1 基础类型选择

济南某黄河大桥处于黄河下游河道及两岸冲洪积平原区，覆盖层厚度大。勘察结果显示，上部第四系全新统冲积层、冲洪积层工程性质较差，冲积粉细砂、粉土为液化地层。下部第四系上更新统冲洪积层、中更新统冲积层均以硬塑～坚硬粉质黏土为主，分布连续，厚度大，强度较高，工程性质相对较好，埋藏较深，为适宜的桩端持力层。

桥址区覆盖层厚度在勘察深度160 m内未揭穿，根据覆盖层的工程性质，结合桥梁主桥墩上部荷载大、对地基强度及变形要求高的特征，需选择地基承载力较高的土层作为地基持力层。设计时采用超长桩(钻孔灌注桩)方案，主墩采用直径为2.0 m,桩长为110 m的钻孔灌注桩方案(桩长l≥90 m，长径比l/d>50)，以下部第四系上更新统冲洪积层、中更新统冲积层硬塑～坚硬粉质黏土桩端持力层。

3.2 单桩承载力特征值计算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》[18]中6.3.3节，钻(挖)孔灌注桩的单桩轴向受压承载力特征值采取式(1)，式(2)进行计算。

(1)

qr=m0λ[fa0+k2γ2(h-3)]

(2)

其中，Ra为单桩轴向受压承载力特征值，kN；u为桩身周长，m；Ap为桩端截面面积,m2；n为土的层数；li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度，m；qik为与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值，kPa；qr为桩端处土的承载力特征值，kPa；fa0为桩端处土的承载力基本特征值，kPa；h为桩端的埋置深度，m；k2为承载力特征值的深度修正系数；γ2为各土层的加权平均重度，kN/m3；λ为修正系数；m0为清底系数。

根据式(1)，式(2)采用表2桩基设计参数对左右两岸主墩单桩承载力特征值进行计算，计算结果见表3。

表3 主墩单桩承载力特征值计算表

由表3计算结果可知，从单桩承载力特征值来看是满足地基强度要求的，选择桩长110 m桩径2.0 m的桩是合适的。从桩侧阻力与桩端阻力占比来看，桩侧阻力占比87.8%～89.2%，桩侧土侧摩阻力对单桩承载力的贡献几乎达到90%；桩端阻力占比仅10.8%～12.2%，桩端土端阻力对单桩承载力的贡献较小，表明了此时超长桩的摩擦型桩性质。值得说明的是，在工程地质条件较差上部荷载很大的桥梁中多采用超长桩方案，所采用的桩径也很大，超过2 m的桩也较为常见，计算公式中未提及有效桩长的概念，计算结果显示超长桩中桩端阻力所占比重约为10%，还是有很少部分桩端阻力在发挥作用。

4 结语

深厚覆盖层广泛分布于大型河流中下游平原地区，此类地区往往城市较多且人口稠密，工程建设密集，促使了对该地区深厚覆盖层性质的研究，特别是大跨度大桥、特大桥，因上部荷载大，对地基强度和变形要求高，为超长桩的应用提供了空间。本文从实际工程案例出发，对工程区覆盖层的工程性质进行了研究，分析了超长桩的承载性状和影响因素，选择超长桩方案且进行了桥梁超长桩单桩承载力计算，说明了超长桩的摩擦桩性质。本文对黄河下游深厚覆盖层中超长桩的应用提供了借鉴意义。