橋臺(tái)樁基負(fù)摩擦力的形成分析與消減措施

1、在公路橋梁工程建設(shè)中，橋臺(tái)鉆孔灌注樁處于深層軟土地基與臺(tái)背路堤高填土荷載的作 用，結(jié)果樁側(cè)軟弱土層受到橋臺(tái)臺(tái)背填土荷載的作用，使軟弱土層壓縮和樁底下沉及位移， 樁產(chǎn)生向下的摩擦力。也就是說(shuō)，如果不存在樁基負(fù)摩擦阻力，樁基承載力就滿足要求，樁 基就不會(huì)發(fā)生持續(xù)不均勻沉降。因此，研究橋臺(tái)樁基負(fù)摩擦阻力是否存在，采取什么措施達(dá)到消減橋臺(tái)樁基負(fù)摩力就成 為很有必要。樁基負(fù)摩擦力發(fā)生的條件樁基負(fù)摩擦力能否產(chǎn)生，關(guān)鍵取決于樁和樁側(cè)土的相對(duì)位 移發(fā)展情況。因此樁基負(fù)摩擦力發(fā)生的條件有下述幾個(gè)方面：1）樁基穿過(guò)欠固結(jié)的軟土或新填土，而支承于較堅(jiān)實(shí)的上層土?xí)r，由于土的自重作 用，使土產(chǎn)生固結(jié)。2）在樁周的地表面

2、有大面積堆載時(shí)，引起地面沉降，使樁側(cè)土壓密固結(jié)，對(duì)樁產(chǎn)生負(fù) 摩擦力。3） 由于地下水位降低，例如在土層中抽取地下水，或采用排水固結(jié)法處治軟土，此時(shí) 土層孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，引發(fā)地基土新的固結(jié)下沉。4）自重濕陷性黃土下沉和凍土融化下沉。5）在飽和粘土地基中，群樁施工完成后，孔隙水壓力消散，隆起的土體逐漸固結(jié)下沉， 若樁端持力層較硬，則會(huì)引起負(fù)摩擦力。6）地基中液化土層發(fā)生變化時(shí)，引起地基土層大面積下沉，產(chǎn)生樁基負(fù)摩擦力。由此可見(jiàn)，對(duì)于橋臺(tái)樁基工程，當(dāng)樁穿過(guò)可壓縮性土層而支承在堅(jiān)硬的持力層上時(shí)，一 般都有可能發(fā)生負(fù)摩擦力。橋臺(tái)軟土地基樁基負(fù)摩擦力的大小和深度1 樁基負(fù)摩擦力的發(fā)生深度一般

3、說(shuō)來(lái)，負(fù)摩擦力并不發(fā)生于整個(gè)軟弱土層中。當(dāng)水 泥混凝土樁基成樁后，隨著橋臺(tái)地面以上路堤填筑荷載的不斷增大，樁側(cè)軟弱土層逐漸壓縮， 樁身表面從上而下的正摩擦力慢慢減少，隨即產(chǎn)生負(fù)摩擦力，變成樁基上部為負(fù)摩擦力，樁 基下部為正摩擦力。摩擦力為零的位置為中性點(diǎn)，此點(diǎn)為樁基在該處的位移量與其周圍土的 下沉量相等之點(diǎn)，它是土與樁之間不產(chǎn)生相對(duì)位移之點(diǎn)，如圖1的O1點(diǎn)所示。圖1 （b） A是土層軸向位移曲線，B為樁的截面位移曲線，圖1 （c）為樁周摩擦力分布曲線，圖 1（d）為樁身軸向分布曲線。中性點(diǎn)以上土的下沉量大于樁的下沉量，樁承受負(fù)摩擦力； 中性點(diǎn)以下樁的下沉量大于土的下沉量，樁承受正摩擦力作用。從

4、圖1所知，在中性點(diǎn)處， 樁身軸向力達(dá)到最大值（P + qfn），而在樁端總阻力為qp = P + （ qfn - qfs）.根據(jù)有 關(guān)文獻(xiàn)介紹，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩擦力的深度h1為：h1 = （0. 770. 8） h2 （1）單樁在產(chǎn)生負(fù)摩擦力時(shí)的荷載傳遞式中h1為負(fù)摩擦力發(fā)生深度；h2為軟弱土層厚 度。通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)樁周為一般粘性土?xí)r，中性點(diǎn)至樁頂?shù)木嚯x約為樁長(zhǎng)的70 % 75 %；樁尖打入砂土或砂礫層中，中性點(diǎn)至樁頂?shù)木嚯x約為90 %；支承在巖層上的樁，中 性點(diǎn)則接近巖層面。2 樁基負(fù)摩擦力的大小確定樁基負(fù)摩擦力的方法較多，可歸納為三類：根據(jù)室內(nèi)外 土工試驗(yàn)資料的計(jì)算方法，按理論公

5、式的計(jì)算方法，經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值等確定的方法。2. 1 經(jīng)驗(yàn)估算樁基負(fù)摩擦力1）有關(guān)文獻(xiàn)介紹，經(jīng)驗(yàn)估計(jì)軟弱土層樁基最大負(fù)摩 擦力為：qs = 0. 5 qu （2）式中qs為樁基負(fù)摩擦力強(qiáng)度，kPa ； qu為軟弱土層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。2）美國(guó)嘉蘭格（Garlanger）等人的公式；qs =p a v （3）式中8為負(fù)摩擦力系數(shù)，粘土為01200125，粉土為01250135，砂土為0135015 ； a v為地基中的有效垂直應(yīng)力。3）對(duì)于粘性土，用靜力觸探求得探頭比貫入阻力Ps時(shí)，可按下式估算:qs = 0. 1 Ps （4）4）對(duì)于沙土，用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)求出擊數(shù)N時(shí)，按下式估算：qs = 2N

6、 + 30 （5）按式（3）至式（5）計(jì)算得到的qs值都是指基樁與樁側(cè)土產(chǎn)生足夠相對(duì)位移，樁基 負(fù)摩擦力可以得到充分發(fā)揮的最大值，均以kPa為單位。2. 2 波蘭樁基規(guī)范負(fù)摩擦力數(shù)值波蘭PN 83PB 2382的樁基規(guī)范提供的樁基負(fù)摩 擦力值，如表1所示。表1樁基負(fù)摩擦力值土的種類負(fù)摩擦力（kPa）備注新填土和砂（Dr W0. 2）粉質(zhì)砂（Dr W0. 2）砂質(zhì)粉土（ Ic 30. 75）粘土質(zhì)砂，砂質(zhì)粘土（ Ic 30. 75）泥炭，淤泥510 10 510 Dr為土的相對(duì)密度Ic為土的液性性指數(shù)2. 2. 3 下拉荷 載的計(jì)算對(duì)于單樁基礎(chǔ)，中性點(diǎn)以上負(fù)摩擦力的累計(jì)值為下拉荷載，實(shí)際上就是作

7、用在樁上 的外力。下拉荷載的計(jì)算是以負(fù)摩擦力和中性點(diǎn)位置均達(dá)到理論最大值基礎(chǔ)上的假定，其計(jì) 算公式為：qs = qfn XL Xh1 （6）式中qfn為樁基負(fù)摩擦力最大值，kPa ； L為基樁周長(zhǎng)，m； h1為地面至中性點(diǎn)距 離，m.按式（5）和（6）計(jì)算的下拉荷載不應(yīng)大于單樁所分配承受的樁周下沉土重。計(jì)算 時(shí)，可按相鄰樁距之半計(jì)算，其深度中性點(diǎn)深度。在同一土體中，打入樁或沉管灌注樁（即擠土樁），其樁基負(fù)摩擦力大于鉆（沖）、 挖孔灌注樁（即非擠土樁）.對(duì)于摩擦樁，可近似視中性點(diǎn)以上樁側(cè)阻力為零計(jì)算樁基承載 力。對(duì)于端承樁，計(jì)算中性點(diǎn)以上負(fù)摩擦力形成的荷載，并以下拉荷載作為外荷載的一部分 驗(yàn)算樁

8、基承載力。在粘土地基中要考慮群樁作用的影響，樁數(shù)越多，樁距越小，則群樁效應(yīng)越強(qiáng)。當(dāng)樁距 與樁徑比值小于215時(shí)，樁基負(fù)摩擦力會(huì)顯著降低。對(duì)于砂土地基不考慮群樁效應(yīng)問(wèn)題。 Page降低樁基負(fù)摩擦力的方法目前，減少樁基負(fù)摩擦力的措施一般有以下幾個(gè)方面：1支承樁柱法。該法通過(guò)增大樁柱斷面來(lái)承受負(fù)摩擦力。2 群樁法。該法通過(guò)增加樁數(shù)來(lái)體現(xiàn)群樁效應(yīng)，以減少負(fù)摩擦力。3 涂層法。若是預(yù)制打入樁，打樁前在中性點(diǎn)以上樁身涂1mm厚的瀝青，涂層產(chǎn) 生剪應(yīng)變，降低樁表面的負(fù)摩擦力。3. 4 地基浸水法。該法使地基先浸水，增加孔隙壓力，降低樁側(cè)摩擦力。3. 5 分段施工法。該法是將樁基施工0151a后，再繼續(xù)其上部

9、結(jié)構(gòu)施工，可以緩 解負(fù)摩擦力的作用。3. 6 軟土地基處治。為了避免樁基沉降，消減樁基負(fù)摩擦力，在鉆孔灌注樁施工之前， 先在橋臺(tái)軟土地基地段實(shí)施處治，以減少由于軟基沉降對(duì)橋臺(tái)樁基產(chǎn)生的負(fù)摩擦力，達(dá)到消 減負(fù)摩擦力的目的。3. 7套管保護(hù)樁法。在中性點(diǎn)以上樁段罩上一段直徑大于樁徑鋼套管，使該樁身不致受 到土的負(fù)摩擦力作用。該法會(huì)較大增加工程投資。8 允許柱基增加少許沉降量而重新選擇持力層。對(duì)于樁基工程，利用負(fù)摩擦力處理建筑物病害也是最有效的方法之一。尤其是樁的負(fù)摩 擦力對(duì)于傾斜的建筑物糾傾起到了重要作用，例如用注水法使軟土產(chǎn)生負(fù)摩擦力，或降低水 位使土體團(tuán)結(jié)，促使樁基下沉，從而使建筑物得到糾傾。

10、汕頭海灣大橋北引道工程實(shí)例1工程概況廣東汕頭海灣大橋于1991年12月開(kāi)始建設(shè)，1995年底建成通車。該大橋是我國(guó)第一座大跨度懸索橋，全長(zhǎng)2500m，南北兩岸配套有引道通過(guò)互通立交與地方 道路相接。包括北引道工程全長(zhǎng)11km，其中互通式立交橋2座，分離式立交橋8座，中 橋1座，涵洞20多座，路堤填土高度最小為211m，最高為8m，大部分路段路堤填筑高 度4m以上。大橋北引道工程地處沖積平原，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料表明，地表以下21815m基本為流 塑淤泥或厚淤泥層夾層，含有較多的有機(jī)物質(zhì)，比重21692172，天然含水量6611 % 8616 %，天然孔隙比為2125，快剪粘聚力為5181217kP

11、a，固結(jié)系數(shù)為9139X10 - 4 2127 X10 - 3，壓縮固結(jié)模量為117219MPa，承載力為4050kPa .在這樣不良工程 地質(zhì)上填筑引道和橋臺(tái)樁基施工，有很大困難。如何消減橋臺(tái)樁基負(fù)摩擦力也給工程提出了 研究課題。2 消減橋臺(tái)樁基負(fù)摩擦力的措施大橋北引道橋梁下部結(jié)構(gòu)均采用鉆孔灌注樁。根據(jù)地質(zhì)資料可知，橋臺(tái)地基屬于可壓縮性地基，樁基負(fù)摩擦力較大。因此，為了使引 道路基工后容許沉降量達(dá)到規(guī)范要求，同時(shí)減少由于軟土地基沉降對(duì)橋臺(tái)樁基產(chǎn)生的負(fù)摩擦 力，達(dá)到消減負(fù)摩擦力的目的，在橋臺(tái)鉆孔灌注樁施工之前，先在橋臺(tái)范圍內(nèi)的地基布設(shè)砂 樁，再進(jìn)行填土預(yù)壓。在預(yù)壓過(guò)程中進(jìn)行沉降觀測(cè)，待沉降趨向

12、穩(wěn)定后，進(jìn)行卸載及鉆孔澆 筑樁基。1）橋臺(tái)軟土地基，采用砂樁和堆載預(yù)壓法加固，樁長(zhǎng)貫穿第四層軟弱土層，直達(dá)相對(duì) 硬層亞粘土層，三角形布置，排距113m，樁距115m，填充料采用中粗砂，成樁后密度達(dá) 到標(biāo)貫22擊。砂樁施打次序從外向內(nèi)進(jìn)行，使砂墊層形成兩面坡，有利于形成豎向和橫向 排水系統(tǒng)。砂樁施工完成后，進(jìn)行填土預(yù)壓，預(yù)壓填土高度超過(guò)路面標(biāo)高約1m，堆載預(yù)壓 期一般控制在2個(gè)月。2）橋臺(tái)軟土地基采取砂樁和堆載預(yù)壓措施，具有三個(gè)方面的作用：砂樁是粘性土 地基中一個(gè)良好的排水通道，它能起到排水砂井的效果，且大大縮短了孔隙水的水平滲透途 徑，加快軟土的排水固結(jié)，使沉降穩(wěn)定加快。由于砂樁的剛度比樁周圍粘性土的剛度大， 而地基中應(yīng)力按材料變形模量進(jìn)行重新分配。此時(shí)砂樁體在荷載作用下主要起應(yīng)力集中作 用，從而使樁間土復(fù)合地基的承載力有所提高，而壓縮性也相應(yīng)有所減少。減少由于軟基 沉降對(duì)橋臺(tái)樁基產(chǎn)生的負(fù)摩擦力。4. 3 橋臺(tái)地基沉降觀測(cè)通過(guò)對(duì)北引道k3 + 390. 011橋6 #臺(tái)的軟基路堤填筑觀測(cè)， 從軟基沉降