大厚度湿陷性黄土场地铁路桥梁灌注桩负摩阻力计算方法.pdf
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1、Vol.44 No.5September,2023中国铁道科学CHINA RAILWAY SCIENCE第 44 卷,第5期2 0 2 3 年 9 月大厚度湿陷性黄土场地铁路桥梁灌注桩负摩阻力计算方法张延杰1,杨成成1,王旭1,2,杨少军3,蒋代军1(1.兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070;2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,甘肃 兰州 730070;3.中铁第一勘察设计院有限公司,陕西 西安 710043)摘要:当铁路桥梁桩基穿越大厚度湿陷性黄土场地时,桩基负摩阻力和中性点深度的合理取值与计算,是目前需要解决的工程难题。针对现行规范的不足,在分析总结湿陷性黄土场
2、地桩基浸水试验结果的基础上,采用抛物线拟合负摩阻力达到稳定状态时的分布,并对中性点深度比、负摩阻力最大值出现深度、负摩阻力最大值与平均值等参数进行分析与探讨;根据负摩阻力的力学机理与分布模式,考虑湿陷性土层厚度对动摩擦系数的影响,提出负摩阻力计算方法。结果表明:浸水前桩顶承受一定竖向荷载时,湿陷性黄土层下限深度采用室内试验计算值,确定的中性点深度比与现行规范推荐值较为一致;负摩阻力最大值出现深度基本为中性点深度的0.5倍,负摩阻力最大值为其平均值的1.5倍;采用该方法计算的负摩阻力平均值与湿陷性黄土地区建筑灌注桩基技术规程推荐值较为一致,可作为大厚度湿陷性黄土场地灌注桩单桩竖向承载力计算时的特
3、征值,研究结果可为湿陷黄土地区的桩基工程设计提供参考。关键词:铁路桥梁;桩基;湿陷性黄土;灌注桩;负摩阻力中图分类号:U443.15 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001-4632.2023.05.10西部地区高速铁路的建设对我国经济、社会、交通运输和国防安全具有重大意义。在西部修建高铁时,不可避免地要穿越湿陷性黄土区域1。桩基础是铁路桥梁中应用最广泛的基础形式,新近堆积黄土一旦遇水湿陷,将会使桩基承受负摩阻力作用,因此,大厚度湿陷性黄土中桩基的负摩阻力计算是桩基设计及基础安全性评价中需重点考虑的问题2。依据现行规范3,遇到自重湿陷性黄土场地时,铁路桥梁桩基必须穿透湿
4、陷性黄土层,支承在可靠的岩土层中,除不计湿陷性黄土层内的正摩阻力外,尚应扣除桩侧负摩阻力。对于湿陷性黄土场地灌注桩,学者普遍认为桩基规范方法主要适用于单桩中的短桩,对工程中的多数情况则过分夸大了负摩阻力的不利作用,对桩基负摩阻力是一种保守估算4-5。考虑负摩阻力产生的下拉荷载后,桩长将急剧增大,施工难度和建设投资也增加,甚至影响工程建设的可行性。因此,寻求一种合理而实用的计算方法,对保证桩基工程的安全有着重要的现实意义。郑西客运专线是世界上第一条在湿陷性黄土区修建的高速铁路,通过现场大型桩基浸水试验,针对中性点深度、负摩阻力大小与分布、浸水对桩基承载性状的影响等开展了一定的研究工作6。随文章编
5、号:1001-4632(2023)05-0094-09引用格式:张延杰,杨成成,王旭,等.大厚度湿陷性黄土场地铁路桥梁灌注桩负摩阻力计算方法 J.中国铁道科学,2023,44(5):94-102.Citation:ZHANG Yanjie,YANG Chengcheng,WANG Xu,et al.Calculation Method of Negative Skin Friction of Railway Bridge Cast-in-Situ Pile in Large Thickness Collapsible Loess Area J.China Railway Science,202
6、3,44(5):94-102.收稿日期:2023-01-12;修订日期:2023-07-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(52268058);中央引导地方科技发展资金资助项目(22ZY1QA005);兰州交通大学“天佑青年托举人才计划”基金资助项目第一作者:张延杰(1985),男,甘肃定西人,副教授,博士。E-mail:第 5 期大厚度湿陷性黄土场地铁路桥梁灌注桩负摩阻力计算方法着中西部地区基础建设的深入推进,湿陷性黄土场地桩基浸水现场试验数据也积累较多,但实测负摩阻力、中性点深度等都与规范推荐值相差较大,且研究成果较为零散,未系统地对研究成果进行统计分析。关于湿陷性黄土场地灌注桩负摩阻
7、力计算,张厚先7依据实测桩身摩阻力分布对有效应力法做了改进和完善,给出按桩土相对位移为零原则确定中性点的计算方法。李大展等8基于扩底灌注桩负摩阻力的实测值,采用有效应力法和抗剪强度指标法进行单位负摩阻力计算。冯忠居等9基于弹性理论建立了湿陷性黄土区桩的中性点计算式,综合考虑黄土的湿陷等级、湿陷厚度及中性点位置变化等对桥梁桩基承载力的影响。张晓健等10采用三次样条函数拟合桩侧摩阻力分布,提出负摩阻力简化计算方法。梅源等11基于荷载传递法建立桩侧摩阻力及桩端阻力的计算分析模型,提出黄土湿陷引发桩基负摩阻力的估算方法。赵敏等12采用三角形表示负摩阻力沿深度的分布,通过线性拟合得到了中性点深度比、最大
8、负摩阻力深度比及负摩阻力系数与桩长径比的经验表达式,提出湿陷性黄土地基中桩基负摩阻力计算方法。Noor等13将负摩阻力看作是在桩周表面产生的动摩擦,引入桩-土界面单元摩擦角,将浸水前后桩土界面摩擦角的比值定义为强度折减因子,提出不同强度折减因子下的负摩阻力计算方法。Mashhour等14根据室内模型试验结果,通过引入修正因子,拟合了自重应力、湿陷系数与修正因子之间的关系,开展端承桩下拉荷载计算研究。本文通过广泛搜集国内已有的黄土地区桩基现场浸水试验成果,对湿陷下限深度、负摩阻力最大值出现深度、负摩阻力最大值与平均值等计算参数之间关系与取值进行探讨。根据负摩阻力沿桩身实际的抛物线分布形式,基于浸
9、水期间桩身上段对应土体充分饱和湿陷,桩侧摩阻力充分发挥,引入桩土界面动摩擦系数,建立负摩阻力最大值与平均值计算方法,以期为大厚度湿陷黄土地区的桩基工程设计提供参考。1 桩基负摩阻力规范计算方法对于湿陷性黄土场地桩基负摩阻力计算,中性点深度、负摩阻力大小及分布形式是研究负摩阻力的3个关键问题12。目前国内规范中关于负摩阻力计算,具有代表性的是 建筑桩基技术规范15(简称桩基规范)和湿陷性黄土地区建筑标准16(简称黄土规范)提出的计算方法。铁路桥涵地基和基础设计规范3与黄土规范相一致。1.1桩基规范计算方法分别按摩擦桩和端承桩进行负摩阻力计算。对于摩擦型基桩,取桩中性点以上侧阻力为零。对于端承型基
10、桩,将负摩阻力引起的下拉荷载作为附加荷载考虑。设计算深度以上桩周土共t层,则第i层的土负摩阻力标准值qsi可由下式计算qsi=i(p+k=1i-1kzk+12izi)(1)式中:i为第i层土负摩阻力系数;i和k分别为第i层土和其上第k层土的重度;zi和zk分布为第i层土和第k层土的厚度;p为地面均布荷载。桩基规范推荐的负摩阻力计算方法反映了桩土界面摩擦的物理本质,但随着深度增大,负摩阻力沿深度逐渐增大,在中性点深度处负摩阻力达到最大值,这与负摩阻力沿深度先增大后减小、在中性点处为零的实际分布规律不符。1.2黄土规范计算方法黄土规范建议中性点深度取自重湿陷性黄土下限深度,根据成桩方式和自重湿陷量
11、,给出的桩基平均负摩阻力推荐值为10,15和20 kPa 3个定值。黄土规范没有给出负摩阻力沿桩身自上而下的分布形式,该推荐值与实测数值相差甚大5,17。2 负摩阻力分布模式根据地表处自由边界条件与中性点定义,在地表处和中性点处的负摩阻力应该为零,负摩阻力的最大值出现在地表和中性点之间相对较为稳定某一深度。郑西高铁6、宁夏固原17、宝鸡第二电厂18、天水南站19等大量黄土场地桩基浸水试验测试表明:负摩阻力沿桩身呈先增大后减小的抛物线分布。采用抛物线对浸水稳定后负摩阻力的分布进行拟合分析,如图1所示。图中,z为深度,qn为沿桩身分布的负摩阻力,lm为负摩阻力最大值出现深度,ln为中性点深度,qn
12、max为负摩阻力最大值。负摩阻力qn可由下式计算95第 44 卷 中国铁道科学qn=1lm()lm-lnqnmaxz2+lnlm()ln-lmqnmaxz(2)沿中性点深度进行积分可得到负摩阻力的总和,即下拉荷载QnQn=d l3n3lm()lm-lnqnmax+l3n2lm()ln-lmqnmax(3)式中:d为桩径。由式(3)可知,只要确定中性点深度ln、负摩阻力最大值出现深度lm和负摩阻力最大值qnmax,就可计算下拉荷载。3 负摩阻力计算参数3.1湿陷下限深度统计近些年国内进行的湿陷性黄土地基桩基浸水试验结果,见表1和表2。表中,l01为湿陷下限深度计算值,l02为湿陷下限深度实测值,
13、qnavg为负摩阻力平均值。表1浸水前桩顶有竖向荷载时浸水试验结果试验工点郑西灵宝6郑西潼关6郑西华阴6宝鸡二电厂18宁夏固原17陕西渭南20渭南潼关21天水南站19平均值桩号S3S4S3S4S2甲3乙1ZH4S3S4S3S4S1S2浸水前桩顶荷载/kN3 0002 0003 0002 0005 4001 7002 1001 6002 7001 8003 0002 0003 3001 600l01/l022.902.902.292.290.901.951.952.752.752.362.362.19ln/l010.550.520.560.501.000.650.590.540.520.480.
14、520.480.600.520.57ln/l021.601.501.291.140.901.261.161.411.331.211.141.27lm/ln0.440.400.440.440.320.500.550.560.470.440.470.440.610.520.47qn m axqnavg1.641.501.251.441.451.551.361.541.501.451.251.441.932.051.53湿陷等级表2浸水前桩顶无竖向荷载时浸水试验结果试验工点郑西灵宝6郑西潼关6郑西潼关6宝鸡二电厂18宁夏固原17陕西渭南20渭南潼关21山西河运22平均值桩号S5S5S1甲1乙3ZH3
15、S5S5S2l01/l022.902.290.901.951.952.752.362.19ln/l010.790.691.050.920.810.540.700.670.600.75ln/l022.301.570.941.791.581.921.571.67lm/ln0.300.270.350.410.470.260.320.400.35qn m axqnavg1.491.451.441.661.541.451.451.50湿陷等级OABqnlmlnqnmaxz图1负摩阻力分布示意图96第 5 期大厚度湿陷性黄土场地铁路桥梁灌注桩负摩阻力计算方法由表1和表2可知:中性点深度ln与湿陷下限深度(
16、包括湿陷下限深度计算值l01和湿陷下限深度实测值 l02)的比值在 0.482.30 之间,差异较大,主要原因是湿陷下限深度计算值与实测值有较大的差异,实测值远小于计算值。郭志勇等23分析了近年来在西安地区30多个场地进行的现场浸水试验结果,也得出现场浸水湿陷量的实测结果一般远小于室内试验结果。黄雪峰等5引入湿陷下限深度评价系数,即不同地区湿陷下限深度实测值与计算值之间的比例系数,陇西地区取0.550.67,陇东-晋西地区取0.600.85,关中地区取0.701.00,缺乏经验地区暂取 0.901.20,通过对湿陷下限深度计算值的修正,弥合实测值与计算值之间的较大差异。基于中性点深度与湿陷下限
17、深度计算值进行分析。桩顶有荷载时(表1),8个工点14组数据的中性点深度与湿陷下限深度计算值关系如图2所示,有 90%以上的中性点深度比(ln/l01)符合桩基规范推荐取值范围 0.500.66,平均值为 0.57,只有陕西华阴的1组数据偏大,达到1.00。桩顶无荷载时(表2),8个工点9组数据中,只有宁夏固原和山西运河的中性点深度比(ln/l01)小于 0.66,最大值为1.05,平均值为0.75,略大于桩基规范推荐值。叶朝良等24通过分析30余项湿陷性黄土中灌注桩现场浸水试验成果资料,得出中性点深度比(ln/l01)一般在0.500.70之间。基于中性点深度与湿陷下限深度实测值进行分析。桩
18、顶有荷载时,6个工点11组数据的中性点深度比(ln/l02)在0.901.60之间,平均值为1.27。桩顶无荷载时,6个工点7组数据,中性点深度比(ln/l02)在0.942.30之间,平均值为1.67,远超出桩基规范推荐值。由于在地基土扰动程度、浸水路径和浸水程度等方面的差异,在进行湿陷性黄土下限深度判定时,现场实测值与室内试验计算值之间存在较大差异。经过60多年的工程应用,采用室内湿陷试验确定湿陷性土层厚度的方法积累了大量的试验数据,具有较好的参考价值。统计分析结果表明,当桩顶在承受一定竖向荷载下浸水时,采用湿陷下限深度计算值得到的中性点深度比与桩基规范推荐值一致。因此,采用桩基规范确定湿
19、陷性黄土地基中的灌注桩中性点深度时,应该明确以下2点:湿陷性黄土下限深度应该是室内计算值;中性点深度比(0.500.65)应为承受工作荷载的桩基浸水稳定后的中性点深度。进行桩基初步设计时,湿陷下限深度计算值根据地勘资料即可确定,比现场浸水试验值更容易获得,可操作性强。同时,实际工程中的桩基后期遇到浸水情况时,也都承受一定的竖向工作荷载。3.2负摩阻力最大值出现深度关于负摩阻力最大值出现深度,Poulos等25提出了一种迭代的方法,张晓健26对Poulos的迭代方法进行改进,提出了最终的迭代式,通过迭代计算,得出lm/ln0.5。孙军杰等4从理论上进行了分析推导,得出了相同的结论。分析现场试验结
20、果,当浸水前桩顶施加荷载时,lm/ln平均值为 0.47,最大值为 0.56,最小值为 0.32。说明负摩阻力最大值出现深度 lm为中性点深度的0.5倍,即lm/ln0.5较为合理。3.3负摩阻力最大值与平均值图3为负摩阻力最大值计算示意图,令抛物线OAB与z轴围得的面积与矩形OEFB面积相等时,即可根据负摩阻力平均值qnavg求得负摩阻力最大值qnmax。当 lm/ln=0.5时,易知负摩阻力最大值为负摩阻力平均值的1.5倍。OCADBEFqnlmlnqnavgqnmaxz图3负摩阻力最大值计算示意图1618202224262830323436381012141618202224 试验值中性
21、点深度ln/m湿陷下限深度计算值l01/mln/l01=0.5图2中性点深度与湿陷下限深度计算值关系97第 44 卷 中国铁道科学分析现场桩基浸水试验数据,桩顶有荷载时,qnmax/qnavg平均值为1.53;桩顶无荷载时,qnmax/qnavg平均值为1.50。叶朝良等24通过调查统计现场桩基浸水试验成果,得出最 qnmax与 qnavg也基本满足1.5倍关系,如图4所示。4 负摩阻力平均值计算桩身荷载的传递取决于桩周土层的稳定性,土层稳定时,桩受荷载产生向下位移,桩周土体对桩只产生正摩阻力(即静摩擦)。当黄土浸水后,黄土湿陷变形量和变形速率大于桩的沉降时,桩周土体对桩产生负摩阻力,负摩阻力
22、的物理本质为有效水平压力作用下桩土的动摩擦。桩土动、静摩擦角比值通常在0.50.8之间27。从桩侧摩阻力与桩土相对位移的关系分析,桩侧摩阻力在桩土相对位移达到一定值(56 mm)时充分发挥7。桩身上段土体浸水后达到饱和状态,桩土相对位移较大,桩侧摩阻力能够充分发挥,在某一深度处达到最大值。超过最大值深度以后,桩土相对位移逐渐减小,直至中性点处相对位移为零,负摩阻力也逐渐减小至零,呈抛物线分布模式,与大量实测结果一致。根据负摩阻力为桩土界面摩擦的物理本质与分布模式,基于统计分析得出的负摩阻力最大值出现深度与中性点深度关系(lm/ln0.5)、负摩阻力最大值与负摩阻力平均值关系(qnmax/qna
23、vg=1.5),引入桩土界面动摩擦系数,建立负摩阻力计算方法。根据lm/ln0.5,在地表与lm范围内,土体完全饱和,负摩阻力充分发挥。根据桩基规范计算方法15,桩身上段负摩阻力最大值qnmax计算式为qnmax=12nsatln(4)式中:n为负摩阻力系数;sat为土体饱和重度。根据 qnmax/qnavg=1.5,带入式(4),得出计算负摩阻力平均值qnavg计算式qnavg=13nsatln(5)其中,n=KsKs=1-sin式中:Ks为静止侧压力系数;为饱和黄土有效内摩擦角;为考虑深度影响的动摩擦系数,取值见表3,520 m范围内可线性内插。湿陷性黄土地区建筑灌注桩基技术规程28(黄土
24、灌注桩规程)收集了 21 根负摩阻力试桩资料,反算得出负摩阻力系数n最小值为0.067,最大值为0.28,平均值为0.18,规程推荐值为0.2;桩基规范中对于自重湿陷性黄土推荐值为 0.200.35,对于非挤土桩取较小值。饱和黄土有效内摩擦角介于 1825之间,根据式(5)可知负摩阻力系数n介于0.080.18。根据表1统计结果,中性点深度与桩周湿陷性土层下限深度的比值取平均值0.57,饱和黄土有效内摩擦取22,饱和黄土重度取18 kN m-3,采用式(5)计算的负摩阻力平均值qnavg见表4。由表4可知:在自重湿陷土层厚度20 m范围内,计算值与黄土灌注桩规程推荐值基本一致,当湿陷性土层厚度
25、超过20 m以后,负摩阻力平均值随深度逐渐增大。对于灌注桩,黄土规范推荐负摩阻力平均值最大值为 15 kPa,黄土灌注桩规程推荐最大值为 19 kPa。结合规范推荐值,考虑到大厚度自重湿陷性黄土随着土体深度的增加,水分入渗深度有一个临界值,临界深度介于 22.525.0 m,动摩擦系数随深度的变化值取到20 m,当负摩阻力平均值的计算值大于20 kPa时取20 kPa。计算单桩竖向承载力时,桩基规范根据现场浸水试验总结的建议值为极限值,而黄土规范推荐值表3动摩擦系数取值l0/ml055l01010l020l0200.80.80.60.60.40.410203040506070802040608
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