黃土地區(qū)橋梁樁基設(shè)計與施工相關(guān)技術(shù)問題

1、黃土地區(qū)橋梁樁基設(shè)計與施工相關(guān)技術(shù)問題報告人：馮忠居 教授長 安 大 學巖土與隧道工程研究所匯 報 內(nèi) 容黃土的工程特性及對樁荷載傳遞規(guī)律的影響1黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性2黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響3黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法4黃土地區(qū)橋梁樁基工程設(shè)計技術(shù)5一、黃土的工程特性及對樁荷載傳遞規(guī)律的影響 黃土是第四紀堆積的、以粉土顆粒為主、富含碳酸鹽、具有大孔性、黃色的松軟沉積物。 黃土分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土兩類，其中濕陷性黃土的危害最大。黃土在一定的壓力作用下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉的性質(zhì)，叫做黃土的濕陷性。 1、概述 黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)在浸水后，不但

2、正摩阻力完全消失，還會由于濕陷的過大沉降產(chǎn)生負摩阻力，該負摩阻力由樁端土承擔，從而使樁的設(shè)計長度增大，施工難度加大，經(jīng)濟效益明顯降低。 從樁基設(shè)計的角度來看，濕陷性黃土具有的工程特點： （1）大孔隙。其孔隙比一般在1.0左右或更大。 （2）含水率變化對承載力的影響十分明顯。濕陷性黃土在天然含水量狀態(tài)下，一般處于堅硬、硬塑和可塑狀態(tài)，其承載力標準值一般都可大于100kPa，甚至可超過200kPa。但浸水后，則黃土地基的承載力大大降低，承載力標準值小于100kPa，甚至小于50kPa。 （3）水對黃土結(jié)構(gòu)的影響很大。由于黃土結(jié)構(gòu)對水作用的特殊敏感性，干型黃土、濕型黃土與飽和黃土的動力性質(zhì)具有明顯的

3、差別。2、黃土的工程特性黃土的工程特性及對樁荷載傳遞規(guī)律的影響黃土的工程特性及對樁荷載傳遞規(guī)律的影響 （4）振陷與濕陷。黃土的振陷與濕陷分別是以振和濕作為誘發(fā)因素使黃土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生的附加的沉陷。 （5）負摩阻力。自重濕陷性黃土地基浸水后，不但正摩擦力完全消失，還會由于濕陷的過大沉降產(chǎn)生負摩擦力，該負摩擦力將要由樁尖土承擔。2、黃土的工程特性 黃土地區(qū)的橋梁樁基，由于受到黃土濕陷性影響，其沉降變形大于樁身的沉降變形時，樁側(cè)將出現(xiàn)向下作用的負摩阻力。 樁的負摩阻力的發(fā)生將使樁側(cè)土的部分重力傳遞給樁，因此，負摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外荷載，對入土深度相同的樁來說，

4、若有負摩阻力發(fā)生，則樁的外荷載增大，樁的承載力相對降低，樁基沉降加大。3、濕陷性黃土對樁荷載傳遞規(guī)律的影響圖1-1 負摩阻力示意圖 黃土的工程特性及對樁荷載傳遞規(guī)律的影響在地面以下某一位置，土對樁無相對位移，該位置稱為中性點，中性點處既無正摩阻力，又無負摩阻力，如圖1-2所示。（2）中性點的確定圖1-2 中性點位置中性點黃土的工程特性及對樁荷載傳遞規(guī)律的影響二、黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性1、樁的承載力性狀(1)浸水前樁的承載力 浸水前樁的極限承載力大于9600KN，這一結(jié)果明顯大于芝川橋樁的極限承載力設(shè)計值8000KN。1、樁的承載力性狀(2)浸水后樁的承載力 當荷載達8000KN時曲

5、線出現(xiàn)明顯的反彎點，由此可以初步判斷浸水后1#樁的極限承載力為8000KN。 黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性(3)浸水前、后樁承載力的 變化 樁浸水前、后的極限承載力差異明顯，前者遠大于后者；而在相同荷載下，樁在浸水前的沉降量遠小于后者，這說明樁周浸水引起樁側(cè)濕陷性黃土發(fā)生濕陷，其抗剪強度降低，對樁承載力有明顯影響。 黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性1、樁的承載力性狀2、樁身軸力及樁端阻力發(fā)揮性狀(1)浸水前樁的軸力及端阻 力發(fā)揮性狀 在各級荷載作用下，隨著樁入土深度的增加，樁身軸力逐漸減小，說明樁在傳遞豎向荷載過程中，大部分荷載轉(zhuǎn)嫁給了樁側(cè)土體，樁端承受的荷載很小，試樁顯示出摩擦樁的力

6、學特性。黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性(2)浸水后樁身軸力及樁端阻 力發(fā)揮性狀 樁周黃土在浸水后其軸力的分布性狀總體趨勢是從地面向下逐漸減小，但沿樁長向下某些斷面區(qū)間的軸力相對提高，出現(xiàn)這一情況的原因是在相應(yīng)斷面區(qū)間產(chǎn)生了負摩阻力的緣故。 黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性2、樁身軸力及樁端阻力發(fā)揮性狀(3)浸水前、后樁軸力與端阻力的對比分析 樁周浸水前、后軸力的分布規(guī)律有較大的差異，在各級荷載作用下，前者是隨著樁入土深度的增加軸力減小，而后者則是隨著樁入土深度的增加，軸力不減反增，這是由于樁周土體浸水后發(fā)生濕陷產(chǎn)生負摩阻力所致。 浸水前后樁的軸力分布規(guī)律對比如圖2-1所示。黃土地區(qū)橋梁樁

7、基浸水前后的受力特性2、樁身軸力及樁端阻力發(fā)揮性狀黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性圖2-1 浸水前后樁的軸力分布規(guī)律對比3、樁的側(cè)阻力發(fā)揮性狀(1)浸水前樁的側(cè)阻力發(fā) 揮性狀 浸水前樁的側(cè)阻力均為正摩阻力。加載較小時，側(cè)阻力發(fā)揮較小，隨著加載等級的增大，樁側(cè)阻力逐漸增大，當加載達最大時，大部分土層的側(cè)阻力達極限值。黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性(2)浸水后樁的側(cè)阻力發(fā) 揮性狀 浸水后樁的側(cè)阻力部分出現(xiàn)負摩阻力，隨著荷載的增大，樁的沉降變形量也增大，相應(yīng)的負摩阻力減小。黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性3、樁的側(cè)阻力發(fā)揮性狀(3)浸水前后樁側(cè)阻力對比分析 樁在浸水前樁側(cè)土層提供的都是正摩阻

8、力，而浸水后樁側(cè)在20.0m以上的大部土層產(chǎn)生了負摩阻力，20.0m以下的土層都為正摩阻力；浸水前、后在20.0m以下樁側(cè)達極限摩阻力的土層不同，且后者較前者的多，這是由于負摩阻力引起的。 浸水前后樁的軸力分布規(guī)律對比如圖2-2所示。黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性3、樁的側(cè)阻力發(fā)揮性狀黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的受力特性圖2-2 浸水前后樁的軸力分布規(guī)律對比4、樁浸水沉降變形特性(1)樁周土浸水沉降變形特性 試驗通過樁周浸水，研究負摩阻力的變化性狀。(2)浸水樁的沉降變形特性 在浸水期間樁的沉降變形量和其周圍土的浸水特性一致，樁頂?shù)某两盗枯^樁周土的沉降變形量小得多。黃土地區(qū)橋梁樁基浸水前后的

9、受力特性三、黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響 濕陷性黃土地基的濕陷等級，即地基土受水浸濕、發(fā)生濕陷的程度，可以用地基內(nèi)各土層濕陷下沉穩(wěn)定后所發(fā)生濕陷量的總和(總濕陷量)來衡量?？倽裣萘吭酱?，對橋梁樁基等建筑物的危害越大，相應(yīng)的設(shè)計、施工和處理措施要求也相應(yīng)地越高。 1、概述 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 500252004)對地基總濕陷量(cm)用下式計算： 式中： 第i層土的濕陷系數(shù)； 第i層土的厚度(cm)； 考慮地基土浸水機率、側(cè)向擠出條件等因素的修正系數(shù)，基底下5m(或壓縮層)深度內(nèi)取1.5；5m(或壓縮層)以下，非自重濕陷性黃土地基0，自重濕陷性黃土地基中 取值見表3.1。 2、

10、黃土濕陷性等級的判定黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響地區(qū)0隴西1.5隴東、陜北1.2關(guān)中0.7其他（如山西、河北、河南等）0.5表3.10的取值 2、黃土濕陷性等級的判定 濕陷性黃土地基的濕陷等級可以綜合考慮地基總濕陷量 和計算自重濕陷量 兩方面因素，按表3.2判定。 黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響表3.2 濕陷性黃土地基的濕陷等級 濕陷類型 zs(cm)s(cm)非自重濕陷性地基自重濕陷性地基zs77zs35zs35s3030s60s60(輕微)(中等)(中等)或(嚴重)(嚴重)(很嚴重)2、黃土濕陷性等級的判定 目前在樁基承載特性研究中，對于負

11、摩擦力的確定仍處于探索階段，有許多問題還有待研究。 結(jié)合近年來在黃土地區(qū)做的樁基現(xiàn)場試驗資料，通過有限元數(shù)值仿真分析，分析自重濕陷性黃土濕陷性等級對于樁基的承載力特性的影響因素及負摩擦力的分布規(guī)律。黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響3、計算與分析 （1）濕陷系數(shù)對中性點的影響 設(shè)中性點深度h1與濕陷土層深度h0之比為（= h1/ h0）。表3.3給出隨自重濕陷系數(shù)及濕陷土層深度h0變化表。圖3-1分別顯示樁徑為1.2m ，h0分別為5m、10m、15m時，自重濕陷系數(shù)對（h1/h0）的影響。 （2）濕陷系數(shù)對P1/P0的影響 圖3-2為濕陷性土層深度為10m時，不同的樁長、樁徑對應(yīng)的P1/P

12、0與濕陷系數(shù)的關(guān)系曲線。其中，P0為未濕陷時樁的極限承載力，P1為發(fā)生濕陷后樁基對應(yīng)的極限承載力，P1/P0 則是在負摩阻力作用下樁基剩余極限承載力與原極限承載力之比，該值反映了負摩阻力對樁極限承載力影響程度。黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響3、計算與分析黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響表3.3 與及h0關(guān)系表 h0(m)0.0150.0250.0450.08550.880.950.960.98100.950.970.970.980.990.99150.980.980.990.9933、計算與分析圖3-1 不同樁長下的h1/h0曲線(a) h0=5m(b) h0=10m(c) h0=1

13、5m圖3-2 P1/P0與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線(a) L=15m(b) L=35m(c) L=60m（3）成果分析 隨濕陷系數(shù)及濕陷厚度的增大而增大，說明濕陷系數(shù)越大，濕陷厚度越大，中性點深度與濕陷層深度越接近；樁長越長，值越大，因為這些中性點位置都是在極限荷載下求得的，樁長越長對應(yīng)的極限荷載越大，樁身的壓縮就越大，其中性點位置就越靠下。 P1/P0隨濕陷系數(shù)的增大而減小，說明當樁體參數(shù)相同時，越大，濕陷作用對樁的承載力的折減就越明顯。黃土濕陷等級對橋梁樁基承載特性的影響3、計算與分析四、黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法 1.據(jù)規(guī)范查表確定黃土的承載力基本值 新黃土、老黃土、一般濕陷性黃土和飽和黃土

14、的承載力確定，按濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范(GB 50025-2004 ) 查表確定。 （1）一般濕陷性黃土承載力基本值按表4.1查得。 （2）飽和黃土承載力基本值按表4.2確定。 （3）近期堆積黃土承載力基本值按表4.3確定。 （4）靜力觸探比貫入阻力Ps確定承載力按表4.4確定。 （5）老黃土承載力按表4.5確定。表4.1 一般濕陷性黃土承載力基本值 f w(%) (kPa)wL/e 1316192225221801701501301102519018016014012028210190170150130312302101901701503425023021019017037250230210

15、190注：(1)含水量小于塑限時，可按塑限含水量確定。 (2)含水量小于10%的土，因濕度過低的土，建筑物建成使用后，由于環(huán)境條件 的改變，土的含水量將會有所增加，承載力將會隨之降低。遇到此種情況時 ， 按表中最小含水量確定。 表4.2 飽和黃土承載力基本值 f w(%) (kPa)(MPa-1)0.80.91.01.11.20.11861830.21731701660.31601571531500.41471441401361330.51331301261231190.61191161131101060.710610310097930.8908784800.97471681.05854表4.

16、3 近期堆積黃土承載力基本值 f w/wL (kPa)(MPa-1)0.40.50.60.70.80.90.21491431381331281230.41371321271221171120.61261211161111061010.811511010510095901.0100959085801.2858095901.4706560表4.4 靜力觸探比貫入阻力 確定承載力(MPa)0.30.50.70.91.11.31.51.71.92.12.32.52.72.93.13.3(kPa)5565758392100108116124132140148157165173182表4.5 老黃土承載力

17、確定(為規(guī)范建議值)層位號(ST)深度范圍 D(m)(第一層古土壤層底向下)(kPa)1D530040025D10400500310D20500800420D408001200540D60120016006D601600 2.按回歸公式確定黃土承載力 按照物理、力學指標之間的相關(guān)關(guān)系，確定黃土承載力的統(tǒng)計回歸公式如下：（1）飽和黃土（2）新近堆積黃土黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法（3）河谷階地新近堆積黃土黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法 2.按回歸公式確定黃土承載力 3.用比貫入阻力Ps確定承載力 （1）適用于關(guān)中、豫、晉東南東部、晉東南西部和山東 地區(qū)的經(jīng)驗公式： 適用范圍：Ps=500500

18、0kPa （2）適用于隴西、青海、汾河流域和隴東地區(qū)的經(jīng)驗公 式： 適用范圍：Ps=10005500kPa （3）適用于晉、陜、寧北部和河西走廊地區(qū)的經(jīng)驗公式： 適用范圍：Ps=10006500kPa 黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法 目前國內(nèi)、外對樁基負摩阻力的計算主要有： （1）大面積地面下沉的負摩擦力 公式： 式中， 有效應(yīng)力（kPa）。 （2）粘性土的負摩擦力 公式： 式中， 無側(cè)限抗壓強度（kPa）。 4.樁基工程負摩阻力計算 黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法 （3）由于活荷載而引起的負摩擦力 公式： 式中， 有效應(yīng)力（kPa）。 （4）用三軸不排水固結(jié)強度計算負摩擦力 公式： 式中，

19、三軸不排水剪測定的粘聚力； 土的平均有效應(yīng)力，地基的垂直總應(yīng)力 減去孔隙水壓力； 土的側(cè)壓力系數(shù)， ，軟土取0.5。黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法 4.樁基工程負摩阻力計算 （5）按有效應(yīng)力法計算負摩擦力 公式： 式中，自重濕陷性黃土 值取0.200.35 。黃土地區(qū)橋梁樁基承載力確定方法 4.樁基工程負摩阻力計算 （6）用靜力觸探試驗結(jié)果確定負摩擦力 公式： 式中， 錐尖阻力（kPa）。 （7）用標準貫入試驗N值確定負摩擦力 公式： （沙類土） （粘性土）五、黃土地區(qū)橋梁樁基工程設(shè)計技術(shù) 由于黃土其特有的工程性狀，使得樁基在設(shè)計與使用上受到很大的限制，目前國內(nèi)、外都是在考慮黃土的濕陷性后，加

20、大樁的設(shè)計長度，使樁端位于非濕陷性黃土層上，由此無形增加了樁的施工難度和工程造價。另外，我國公路橋梁技術(shù)規(guī)范中對黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)的設(shè)計理論中因選用樁設(shè)計參數(shù)不合理，使得樁的埋深過大或過小，從而引起不必要的浪費或工程隱患。因此，綜合考慮黃土的各種工程因素后，方可進行黃土地區(qū)橋梁樁基工程設(shè)計。 1、概述 結(jié)合濕陷性黃土的工程特性，對黃土地層中樁基的設(shè)計需要注意和考慮的問題如下。 （1）樁型的選擇 位于濕陷性黃土地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)，對上部結(jié)構(gòu)荷載大或地基浸水可能性大時，主要采用樁基礎(chǔ)。將一定長度的樁穿透濕陷性黃土層，使上部結(jié)構(gòu)的荷載通過樁端傳到非濕陷性土層，此時即使地基受水浸濕，也可以避免濕陷的危害（若能使

21、用端承樁更好）。在濕陷性黃土地區(qū)采用的樁基礎(chǔ)按施工方法有沉樁、灌注樁、管樁基礎(chǔ)、鉆埋空心樁及爆擴樁等。2、設(shè)計技術(shù)黃土地區(qū)橋梁樁基工程設(shè)計技術(shù) （2）設(shè)計中負摩阻力的考慮 工程中應(yīng)具體情況考慮負摩阻力驗算樁基的承載力和沉降。此外，有關(guān)濕陷性黃土地區(qū)建筑的規(guī)范規(guī)定：自重濕陷性黃土場地的單樁承載力，除不計濕陷性土層范圍內(nèi)的樁周正摩阻力外，還應(yīng)扣除樁側(cè)的負摩阻力，同時規(guī)定樁側(cè)負摩阻力的計算深度，應(yīng)自樁的承臺底面算起，到其下非濕陷性黃土土層頂面為止，樁側(cè)負摩阻力的取值如表5.1所示。 表5.1 樁側(cè)負摩阻力值(kPa)自重濕陷量zs(cm)挖、鉆孔灌注樁沉樁7201015201520黃土地區(qū)橋梁樁基工

22、程設(shè)計技術(shù)2、設(shè)計技術(shù) 也可按下式計算負摩阻力： 式中： 豎向有效應(yīng)力， 土的有效重度； 土的側(cè)壓力系數(shù)； 計算處土的有效內(nèi)摩擦角； 系數(shù)，自重濕陷性黃土 0.200.35。 （3）濕陷性黃土地區(qū)中樁基設(shè)計工作流程及原則 1）對濕陷性黃土地區(qū)地基首先判明它是否具有濕陷性，進而區(qū)別其屬于自重濕陷性黃土或非自重濕陷性黃土。 黃土地區(qū)橋梁樁基工程設(shè)計技術(shù)2、設(shè)計技術(shù)否是否是是否數(shù)據(jù)采集與傳遞濕陷性判別參照常規(guī)樁基設(shè)計探索性現(xiàn)場試驗地基抗震性評價自重或非自重濕陷性判別地基預(yù)處理降水與排水措施控制沉陷量與改善建筑物對不均勻沉陷得適應(yīng)性工程處理措施設(shè)計樁型、樁截面及樁長的假定單樁設(shè)計承載力確定其它樁基技術(shù)

23、參數(shù)確定樁基沉降量的計算及控制有無水平力的作用是否存在拔力或負摩阻力水平承載力的設(shè)計安全否容許抗拔阻力設(shè)計及負摩阻力計算安全否樁的構(gòu)造設(shè)計樁承臺及有無結(jié)構(gòu)設(shè)計圖5-1 黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)設(shè)計步驟 2）結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)物的重要性，必要時進行室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場試驗。 3）設(shè)計中除了必須遵循一般地基的設(shè)計原則外，還需針對黃土的濕陷與振陷特征并結(jié)合具體工程情況，在設(shè)計中考慮某些工程措施，例如對地基進行預(yù)處理，防水與排水以及采取結(jié)構(gòu)措施以改善結(jié)構(gòu)物對不均勻沉降的適應(yīng)性。 4）設(shè)計中應(yīng)特別注意控制沉降。在工程具體條件下(例如加載途徑、黃土類型、浸水及排水情況、可能發(fā)生的動荷載、結(jié)構(gòu)物的整體性和剛度等)，通過適當?shù)?/p>

24、分析和計算，做到樁基的沉降和不均勻沉降可控。同時需注意，由于黃土的振陷，承臺底面與土之間可能脫空，導致樁在承臺底面以下一段范圍內(nèi)發(fā)生水平斷裂。黃土地區(qū)橋梁樁基工程設(shè)計技術(shù)2、設(shè)計技術(shù) 5）黃土地層中單樁承載力的確定。在確定單樁豎向承載力設(shè)計值時，通常有三種考慮方法，一是將負摩阻力作為負的承載力；二是將負摩阻力作為一種不利因素，以原有的安全儲備補償；三是將負摩阻力作為附加荷載。第三種方法概念較明確，目前在實際工程中應(yīng)用較廣。 式中: Qa 單樁豎向承載力設(shè)計值； Qn 負摩阻力引起下曳荷載； Rpu,Rsu分別為樁端極限阻力及負摩阻力作用區(qū) 段以外的極限正摩阻力； K 安全系數(shù)；黃土地區(qū)橋梁樁基

25、工程設(shè)計技術(shù)2、設(shè)計技術(shù) （4）消除負摩阻力的技術(shù) 減少負摩阻力常采用的措施： 1）在樁基外設(shè)保護樁（隔離樁）。防止基礎(chǔ)外填土或堆載引起的負摩阻力，保護樁承擔全部負摩阻力與填土的側(cè)向推力。 2）涂層法。即在樁表面涂瀝青、樹脂、再生橡膠等物，減少負摩阻力。 3）預(yù)鉆孔法。即在插入樁前先鉆孔，直徑比樁徑稍大，深度達到中性點。中性點以下則不用預(yù)鉆孔，而是打入或者其他常規(guī)方法設(shè)樁以保持樁的正摩阻力。 黃土地區(qū)橋梁樁基工程設(shè)計技術(shù)2、設(shè)計技術(shù) 4）塑料膜滑動隔離法。用雙層筒形塑料薄膜預(yù)先置于中性點以上的鉆孔內(nèi)，然后在薄膜內(nèi)澆筑混凝土。 5）套筒法。在樁外設(shè)置與樁身不相連的套筒，由套管來承擔負摩阻力。 6）地基浸水法。使地基先浸水,增加孔隙壓力,降低樁側(cè)負摩阻力。 7）地基加固法。在鉆孔灌注樁施工之前,先對一定范圍內(nèi)的地基實施處治，達到消減負摩阻力的目的。 以上處理方法均為經(jīng)驗總結(jié)，在工程實踐中，應(yīng)根據(jù)實際情況選取合理處治方法，