方 锐

（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）

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。由于其工程性质的特殊性，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]。

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24 m。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15 m，地层以下15～24 m 为粉土和粉质黏土，均为低液限黏土，24～50 m 为角砾土，湿陷性黄土土层物理力学参数详见表1。

表1 桩基土层物理力学参数

桥梁设计采用10×25 m 多跨预应力混凝土箱梁，桥面全宽24.5 m，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40 m，桩径为1.2 m，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，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，并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。

湿陷性黄土地区桩基周边土体周围欠固结，造成桩体下沉量增加，且桩周土体所产生与桩基沉降方向相同的侧摩阻力，即桩侧负摩阻力NF，会造成桩基沉降量增加。桩侧阻力极限值PF受到桩周土体物理力学性质、桩长、桩基等因素的影响，会造成单桩极限承载力Quf下降。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Qu减去中性点以上负摩阻力值NF和桩侧阻力极限值PF。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Quf计算公式如式（1）：

而单桩竖向承载力容许值Pf计算式如式（2）（K 为安全系数）：

2.2 桩身强度验算

在湿陷性黄土地基，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，验算公式如式（3）：

式中：Q0为桩顶工作荷载，kN；Nf为桩侧负摩阻力值，kN；AP为桩身横截面面积，m2；SP为桩身短期容许强度，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检测设备的选配，合理确定监测设备的型号、数量和技术参数。由于湿陷性黄土的湿陷变形是随土层深度不同含水量变化产生的增湿变形总和。随着湿陷性黄土土层含水量的增加，土体变形模量降低，重度增加，会对单桩极限承载力Quf产生直接影响，含水量增加会直接增加桩体沉降量，因此在施工中设置监测点对地基含水量进行监测。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，分析后判断桩基承载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200～600 mm，测量精度为1 mm，工作电压为直流12 V，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±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100 mm。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 mm×400 mm 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。

图1 桩基沉降观测点布置图

图2 水分传感器布置

桩侧土壤含水量的测量测点布置根据地基土层厚度布置，该桥台位置土层深度为15 m，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，通过对数据分析应用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。

表2 桩侧土体实测参数

图3 桥梁桩基1/4 模型

图4 桩顶位移随荷载变化曲线

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，其中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3 500 kN。结合图4 曲线和监测数据分析可以看出，附加沉降值为3.675 8 mm，桩顶总沉降量为8.420 8 mm，其等效荷载为5 500 kN，由桩侧土含水量变化引起的等效荷载增量为2 000 kN，根据以上结果绘制桥梁桩身轴力变化曲线图如图5 所示。

图5 桥梁桩身轴力变化曲线图

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5 500 kN 荷载作用下轴力随深度变化曲线，2 号曲线是桩基在3 500 kN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14 m 处，深度在14 m 以上1 号曲线的正摩阻力约为1 300 kN，2 号曲线的负摩阻力约为750 kN，与桩基负摩阻力计算结果基本一致，说明该项目所处湿陷性黄土地区桩基设计和施工符合施工规范要求。

4 结语

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，并对桩基沉降和土壤含水量进行监测，得出以下结论：

a）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。

b）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8.420 8 mm，符合设计与规范要求。

c）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14 m 以上1 号曲线的正摩阻力约为1 300 kN，2 号曲线的负摩阻力约为750 kN，符合设计与规范要求。