竖向载荷下桥梁桩基承载特性分析

朱小林

摘要：文章以高速公路特大桥桩基础施工为研究背景，通过在桩基础布置土压力盒和钢筋应力计，对桥梁桩基础竖向受力、桩身摩阻力、桩侧土压力进行监测，收集数据分析得出桩基内侧和外侧竖向受力传递深度随荷载增加而变大，桩基内侧和外侧摩阻力存在一定的差异，桩基外侧土压力高于内侧，这是由于受到坡面影响造成的，但最终均达到了平衡状态，桩基承载特性良好。

关键词：桥梁；竖向荷载；桩基础；承载特性；竖向受力

中图分类号：U443.15 A 45 149 3

0 引言

在山岭地区，桥梁桩基础位于倾斜的坡面上，桩基的承载特性会受到坡体稳定性的影响。对桥梁桩基础的受力状况进行分析，可以为确定桥梁桩基础的承载特性提供依据。在桥梁施工过程中产生的各类荷载和桥梁自重会使桩基础上部荷载发生变化，进而对桩基础的承载特性产生影响。某山岭高速公路特大桥施工过程中，在不同施工阶段对桩基础的竖向受力、桩身摩阻力、桩侧土压力进行监测，收集数据进行桩基承载特性分析。

1 工程概况

某山岭高速公路沿线地形起伏较大，个别路段分布有陡峭孤峰，岩体结构面主要为破裂结构。在长时间雨水侵蚀、风化和地质作用下，坡体稳定性较差，易出现崩落、剥落等病害。由于坡体稳定性差，会对其上部的桥梁桩基础受力产生一定程度的影响，为了确保桩基设计与施工质量满足规范要求，在施工过程中选取试桩开展试验。该路段桩基础形式主要为嵌岩桩，基岩埋设较浅路段，设计入岩深度为2～5 m，基岩埋深路段多采用摩擦桩。文章选取位于陡坡坡中位置的桩基作为试桩，该路段桩基均采用人工挖孔桩的方式施工，在施工过程中由于修建施工便道，进行桩孔开挖，会一定程度地改变坡体的坡形，对坡体的稳定性也会产生一定影响。为了深入了解坡体内部桩基的受力情况，在桩基内部埋设钢筋应力计、土压力盒，在各种工况下对桩基的内力进行监测，对桩基承载特性进行研究。

2 试桩检测方案

2.1 试桩概况

选取该路段特大桥桩基作为试桩，桥梁孔位布置主要考虑所跨地物和两侧地形，不受水文及流量控制影响。桥梁上部结构采用装配式预应力混凝土组合箱梁，下部结构采用人工挖孔桩，所选试桩长度为25 m，桩径为1.5 m，桩孔位于坡中位置，坡度为46°陡坡，坡度大，地质条件较差。桥梁左幅全长1 460 m，右幅全长1 200 m，桥梁位于曲线上，桥墩桥台呈径向布置。

2.1.1 桥位区域工程地质概况

该特大桥跨越河流，桥位所处位置河谷较窄，河底主要为卵砾石，河道两侧受水流冲刷严重。河两岸山坡陡峭，地形较复杂，植被茂盛，地表土层自上而下为黄土、砂性土、基岩，个别位置有千枚岩出露。桥梁所处区域属丘陵垄崗地貌，地表起伏较大，坡度较陡，最大高差为65.4 m。通过对桥梁所处区域开展地质勘察和钻孔调查，该区域上覆层为第四系覆盖层，局部分布有素填土，下伏基岩为千枚岩。素填土呈褐黄色，分布在公路、田埂等区域，厚度约为2.0 m；粉质黏土呈褐灰色，主要分布在缓坡地段，厚度约为4.0 m；角砾呈褐黄色，通过钻孔揭露，厚度约为1.4 m；粉砂呈褐灰色，通过钻孔揭露，厚度约为6.7 m；圆砾层呈褐色，主要成分为千枚岩和石灰岩，通过钻孔揭露，厚度为3.0～8.5 m；千枚岩层有强风化、全风化、中风化3种，全风化千枚岩层结构已全部破损，手捏易破碎，通过钻孔揭露，厚度为3.5～5.5 m；强风化千枚岩层结构大部分被破坏，岩体破损，裂隙节理发育，通过钻孔揭露，厚度为1.8～29.5 m，中风化千枚岩为深灰色、深黑色，为变质泥岩结构，裂隙节理发育，岩体完整，岩质较软，容许承载力为1 000～1 250 kPa，在桥位区域广泛分布，通过钻孔揭露，厚度为5.5～26.5 m。

2.1.2 桥位区域水文地质概况

桥梁所处区域属于亚热带季风气候，四季分明，降雨量充沛，年均降水量为835.6 mm，降雨主要集中在6～8月。该区域气候温暖，夏季时间长，冬季时间短，无霜期长，夏秋季节降雨量较大，地基土含水量高，容易发生塌方、滑坡等自然灾害。桥址区下伏基岩为千枚岩，岩层产状变化较大，裂隙节理发育，岩层裂隙主要为风化裂隙，节理面较粗糙，岩体破损延展性较差。基岩整体为单斜构造，局部岩层产状有变化，地质构造简单，稳定性好。

2.2 测试元件布置

如图1所示，试桩测试元件主要包括钢筋应力计和土压力盒，在桩基两侧呈对称布置。其中，单侧钢筋应力计数量为7根、压力盒数量为5个，每个桩底布置压力盒3个。桩顶以下4.5 m的范围内，每隔1 m布置一组；4.5 m以下，每隔2 m布置一组，测试元件布置如图1所示。桩端土压力盒布设前将桩底整理平整，在压力盒位置铺设2 cm的干燥细沙，并做压实处理，如果桩底有水应及时排出。侧部土压力盒埋设应顺山坡走向埋于桩体的两侧，并利用土压力盒沙包压实以保证接触紧密。

2.3 试验加载方案

由于桩基位于坡体上部，不便于运输试验设备，采用静载试验的难度较大。现场测试荷载主要采用桥梁自重所产生的荷载，也就是桥梁自身的工作状态。桥梁自重主要包括系梁、盖梁、桥墩、箱梁、桥面铺装和防护栏等，试验加载共分为3个工况。工况1：系梁+盖梁+桥墩，荷载总计392 kN；工况2：系梁+盖梁+桥墩+箱梁，荷载总计1 736 kN；工况3：系梁、盖梁、桥墩、箱梁、桥面铺装和防护栏等，荷载总计1 924 kN。

3 现场测试试验结果分析

3.1 桩基竖向受力分析

在桥梁施工各阶段，对桥梁桩基竖向受力进行检测，收集数据以分析桩基竖向受力传递规律。在桥梁施工前期，荷载较小时，荷载主要由桩侧阻力承担，桩基竖向受力传递深度较小，到达一定深度后受力变为零。随着桥梁自重荷载的增加，桩基竖向受力传递深度不断增加。选取特大桥右幅4#-1、6#-2和8#-3三个桩基作为试桩，分别在以上3个试验工况下监测桩基内侧和外侧竖向受力，由于三个桩基的竖向受力情况基本类似，选取4#-1作为研究对象，绘制不同深度桩基竖向受力曲线如图2所示。

分析图2可知，随着荷载的变化，桩基竖向受力的传递规律存在较大差异，且荷载越大传递的深度越大。在荷载较大时，从桩顶到5倍桩径深度，桩基内侧的竖向受力下降幅度高于外侧。通过数据分析，这个深度桩基内侧和外侧竖向受力下降幅度分别为50.1%和19.9%。从5倍桩径到9倍桩径深度，桩基外侧的竖向受力下降幅度高于内侧，分别下降了44.2%和36.3%。9倍桩径深度以下，桩基内侧、外侧竖向受力的下降幅度基本相等，均较小。因此，在不同深度桩基内侧和外侧竖向受力的下降幅度是不同的，这说明桩基内侧和外侧竖向受力沿桩基深度的传递是相互协调平衡的。此外，陡坡对竖向受力的传递产生了较大影响，造成桩基内侧和外侧传递规律存在一定的差异。

3.2 桩身摩阻强度分析

平地桩基两侧所承受的摩阻强度均等，陡坡桩基由于边坡内侧土体缺少或强度差异，造成两侧摩阻强度产生一定的差异。随着桩顶荷载的增加，桩侧摩阻强度也不断增大，桩基础竖向沉降也随之增加。在3种工况下，收集数据绘制桩侧摩阻强度变化曲线如图3所示。

分析图3可知，自桩顶到5倍桩径深度，桩基内侧摩阻强度高于外侧摩阻强度，桩基外侧摩阻强度仅为内侧的43.3%。自5倍桩径到9倍桩径深度，桩基内侧摩阻强度增加幅度低于外侧，最终桩基外侧摩阻强度增加到内侧摩阻强度的1.23倍。9倍桩径深度以下，桩基内侧和外侧摩阻强度基本相等，达到了一个平缓状态，这个深度范围内的摩阻强度占总摩阻强度的15%左右，说明随着桩顶荷载的增加，桩基上部在竖向力的作用下向下移动，在桩侧产生了向上的摩阻强度，当荷载增加到一定范围时，桩身下部的桩侧摩阻强度开始发挥作用，桩底在受到压缩后也会产生桩端阻力。另外，自桩顶到3倍桩径深度，桩基外侧摩阻强度明显低于内侧，说明这个深度范围内摩阻强度受坡形影响较大。

3.3 桩侧土压力分布规律

在桥梁施工过程中，对桥梁桩侧土压力进行检测，绘制不同深度桩侧土压力变化曲线如图4所示。分别在桥梁桩基浇筑、盖梁架设、箱梁架设、桥面铺装完工后对桥梁桩基础内侧和外侧的桩侧土压力进行检测，分析桩侧土压力分布规律。

分析图4可知，桩基内侧和外侧土压力总体变化趋势基本相同，随着深度的增加桩侧土压力先增加后减小，在2.5 m左右达到最大值，桩基外侧土压力高于内侧，最大土压力分别为45.3 kN和58.6 kN。在桥梁施工过程中，桩基上部受到施工机械、施工荷载、自重荷载的作用，由于施工中荷载的变化，桩基础内侧和外侧土压力也随之产生一定幅度的变化，但土压力值存在一定的差异。分析原因是桩孔的开挖破坏了坡体原有的平衡，使围岩应力重新分布，甚至产生了应力集中现象。因此，受到坡体的影响，桩体内侧和外侧的土压力不相等。

4 结语

为了确定山区陡坡桥梁桩基础承载特性，在桥梁施工过程中对桩体竖向受力情况、桩身摩阻强度、桩侧土压力进行检测，并收集数据对桩基荷载传递规律进行分析，得出以下结论：

（1）分析桩基竖向受力监测结果，在3种工况下，桩基内侧和外侧竖向受力存在一定差异，且荷载越大竖向应力的传递深度越大，在一定深度后达到了平衡。

（2）分析桩基摩阻强度监测结果，不同深度桩基内侧和外侧摩阻强度存在一定的差异，3倍桩径深度以下桩基外侧摩阻强度明显低于内侧，达到9倍桩径深度以下时，桩基内侧和外侧摩阻强度基本相等，达到了平衡状态。

（3）分析桩侧土压力监测结果，不同施工阶段桩基内侧和外侧土压力变化趋势基本相同，且桩基外侧土压力高于内侧。

参考文献

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收稿日期：2023-09-05