近海松软沉积物运动对桥梁桩基础的影响分析

李剑 贾淑娅 申昊

(1.中交铁道勘察设计院有限公司，北京 100088; 2.北京市市政工程设计研究总院，北京 100082)

近年来随着我国经济的飞速发展，我国桥梁建设也取得举世瞩目的成就，特别是跨海大桥的设计施工开创了我国桥梁发展的新局面。针对目前跨海大桥所处地质条件的不同及我国沿海地区海洋地质条件多样性的特点，需要研究海洋地质条件对跨海大桥的设计施工的影响。目前我国跨海大桥建设主要集中于河流冲积沿海地区，其特殊的地质条件(松软沉积物)，有可能对桥梁基础产生危害，更需要深入研究松软沉积物对桥梁基础的影响，以确定正确的设计、施工方法，尽量降低风险、提高效率。

1 近海海域松软沉积物可能的地质灾害

在我国南京—上海一线以北的广大沿海及近岸浅海区，发育有郯城—庐江断裂、沧东断裂、唐山—蓬莱断裂等活动断裂及相对应的地震带，潜在的地质灾害比较多。主要有地震、活动断裂、地面沉降、不稳定沉积、海岸侵蚀、沙土液化、现代潮流沙脊、海底滑坡等地质灾害。

其中我国近海地区由于冲积平原较多［2］，风险最大的地质灾害是不稳定沉积，它是指近地表或海底未固结的各种易变形、不稳定的松软沉积物，包括港湾淤积、软泥层、潮流沙脊、活动性沙丘、沙坡和暖流沉积。

不稳定沉积物发生地质灾害的主要因素有以下几点:

1)倾斜底面。

沉积物在堆积的速度很快而造成固结的高孔隙压力的时候，即使坡度角远小于1°，也可能发生活动或滑塌。

2)厚积沉积物。

当沉积物快速堆积，这样就会影响正常的脱水，使沉积物固结不好，因而沉积物堆积不稳定，当正常固结或超固结的沉积物上有一个或多个低固结层呈互层时，便产生这些因素的综合，这时没有内部变形也可使块体移动。

3)沉积物在高地势上的堆积。

高地势上堆积的物质很容易滑下来，因为周围都是斜坡。但是，其不稳定性仍然是堆积速率、固结度和倾斜梯度的函数。即使沉积物附着很好，但如果外层物质比内部物质松散，或者负荷太大，则部分块体也会向下运动。

4)大暴风浪。

大暴风浪可以引起一个构造内部的剧烈震动。而震动又可以传播到海下的沉积物;而且大暴风浪也可以直接影响海底的沉积物。

在外力触发下，不稳定沉积物有可能发生移动并造成危害。在我国近海地区，主要存在着海底滑坡、泥流和海底浊流等地质风险。其多发生于河口三角洲前缘和大陆坡转折处，由于处于水下，液体的润滑作用大大减小，此类灾害产生的边坡临界角，在地震、新构造运动、海啸、风暴潮等动力触发下，甚至在坡度为0.5°的地带，即可发生此类边坡灾害位移。这类地质灾害，可能对海洋桥梁基础造成致命危害，甚至影响其上部结构受力。

2 海底沉积物移动对桥梁基础的影响

前面阐述了很多松软沉积物的移动问题，但是沉积物移动的后果和对海上建筑物、桥梁结构的影响有:第一，由于沉积物运动时，其强度下降，因而可能引起支撑力的下降，进而引发桥梁桩基础的承载力下降。第二，侧向的沉积物运动可能对桥梁桩基础产生横向拖拽力，并使桩顶产生水平位移，对桩身受力情况不利。

2.1 沉积物运动引起桩基础承载力下降

通过实验室周期性加载试验表明:在重复加荷的情况下，土体强度会发生明显下降，对松软物质更是如此，这是由于孔隙水压力增加的结果。在区域重复加载作用期间，如风暴浪作用，可能产生持续数小时的周期性应力作用，对于渗透性较差的粘结性沉积物，会使得孔隙水压力增大，因而其土体强度会发生明显下降。而在地震力作用下，可以认为作用时间较短，以致孔隙水压力的数值还来不及增大，因而沉积物的强度也不会显著降低。

通过风暴浪对海底影响的浅层试验表明，在风暴期间，沉积物的强度显著降低［3］。起初，风暴产生了多次应力换向，而没有引起平均孔隙压力的显著增加。最后，在风暴浪的作用下，沉积物结构开始破坏，孔隙压力迅速增加。这一现象类似于砂土中的液化作用，但是由于这些沉积物的渗透性与砂土相比要低得多，所以，沉积物的破坏速度也要慢得多。同时，沉积物中的某些凝聚力也阻止了强度的完全降低。但是，综合来看，松软沉积物在风暴作用下，很容易产生土体强度的显著下降。

但是，对于桥梁基础结构，上层有松软沉积物时，桩基通常要深入到海底坚硬持力层上，因此上层松软沉积物的强度降低，对桥梁结构桩基础承载力影响不会太大。因此，这里主要讨论有沉积物的横向移动，引起的拖拽力，对桥梁结构基础受力的影响。

2.2 松软沉积物的物理性质

对于现代沉积物，通常认为这些物质的性质更像粘—弹性物质。在稳定荷载作用下，粘—弹性物质的变形跟时间有关，其刚度随加荷速率的增加而增加，卸荷的应力—应变曲线不同于加荷的应力—应变曲线［2］。国外通常采用原位切样叶片作为强度测量装置，对松软沉积物进行试验。装置一个能测量剪切样品扭矩T的转换器，一个能测量叶片转动角θ的角位换能器和一个能准确控制叶片转动速度的驱动机构。这样，把设备放入松软沉积物中进行试验，可以测算出扭矩T与转动数据之间的关系。

每一个转动速度可以计算一个粘—弹性正割剪切刚度¯G:

其中，Tn为标准化扭矩，用一个与叶片尺寸有关的参数除以实际扭矩，就能得到。当转动角很小时，¯G就等于线性粘—弹性剪切模量。

2.3 松软沉积物横向移动引起的拖拽力

动力学对空气和水的横向运动，对物体的拖拽作用研究已经很多，本文借用了其中的结论。流体通过圆柱体运动，在圆柱体上产生的单位长度的拖拽力可以用一般形式表示为:

其中，CD为拖拽系数;D为圆柱直径;f(M)为流体的某些相应的物性;f(V)为流体速度的一个函数。

而缺少实验数据时，可采用Marti根据理论和试验资料对松软沉积物的拖拽因子进行的计算结果。单位长度的拖拽力可以表示为:

其中，Cu为沉积物的不排水剪切强度;D为桩柱的直径。

但式(2)并没有反映沉积物运动速度的作用。

2.4 考虑移动速度影响的沉积物运动引起的拖拽力

Marti利用大型样品剪切设备深入研究，用装有仪表的桩柱模型在沉积物中来回移动来模拟沉积物运动速度对桩基础的作用。

假设:考虑速度作用的最简单方法是利用以速度为自变量的剪切强度。这样，可以作如下的试验:在沉积物中以不同的移动速度，移动装有仪表的桩柱，用V/D来表示。其中，V为移动速度;D为桩柱的直径。由于沉积物的非排水强度与速度有关，所以剪切强度应以某些标准应变率表示，在这种情况下，叶片转动速度为0.014 3 rad/s，这个速度就是现场叶片的转动速度。处于这个速度的剪切强度叫做Cuo。因而，根据试验结果和理论分析，最终的拖拽力方程应该为:

FD=11.42×D×Cu×(125.9)n×(V/D)n(3)［1］

式(2)说明了沉积物移动对建筑物的真实影响。显然，桩周围的沉积物，其非排水剪切强度是非常重要的，它与拖拽力的关系是线性的。降低沉积物剪切强度的任意一个因素(如周期性荷载)也将减少拖拽力。但是，沉积物的移动速度又将随着剪切强度的减少而增加，这样带来的不利作用远远大于剪切强度降低带来的好处，因而，增加沉积物的移动速度，对桩基础的受力产生不利影响。

3 横向拖拽力作用下桩体受力分析

海洋桥梁基础设计计算时，如果没有确切的试验数据来确定海底松软沉积物在风暴浪作用下的移动速度，可以近似采用FD= 11.42×D×Cu来计算桩身所受的横向拖拽力。横向拖拽力对桩体的作用主要体现在:水平力作用下桩身产生的水平位移和内力的作用，下面分别从桩身变位(侧移和转角)、桩身内力(弯矩和剪力)和桩侧土应力进行分析。

在沉积物移动横向拖拽力作用下，桩体受力可看作是在沉积物厚度上均匀分布的作用力，如图1所示，其中y1是沉积物土层厚度，y2是桩进入不扰动土层的深度。

图1 横向拖拽力对桩作用图示

合力作用点可近似的看作位于沉积物厚度中点处。

对于承受侧向荷载的桩的分析，大体可以分为地基系数法和弹性理论法，目前大多采用地基系数法。考虑松软沉积物移动时，其自身抗力主要来源于桩深入下层不扰动的土层中所产生的抗力，因此，可采用地基系数法，对桩体位移及土体受力进行计算。

地基系数法［4］认为桩侧土抗力的大小不仅与土的种类有关，而且与侧向外力作用或力矩作用下桩身产生的侧向位移的大小有关，当桩身侧向位移较小时，桩身任意点处的土抗力与桩身侧移之间可近似考虑为线性关系，而桩身侧移较大时，则土抗力与桩身侧移应按非线性关系考虑。

目前，我国和国外对于桥梁等结构的基桩分析，大多认为这类结构位于土体顶部的侧移不太大，一般认为仅在1 cm左右，因此桩身任一点处桩侧抗力与该点处桩身侧移之间的关系可以近似地看作是线性的。

综上所述，当桩基础顶层松软沉积物在大暴风浪的作用下运动时，对桩体产生的横向拖拽力可由式(2)计算得出，其计算结果可作为短期荷载计入到桩体受力计算中，可以提高计算准确程度，并提高桩的安全性。

4 结语

本文通过对沿海地区灾害地质状况的分析整理，可以判断松软沉积物的扰动、滑坡可能对桥梁桩基础造成影响，分析了松软沉积物移动对桩基础产生的横向拖拽力，并对桩身在横向力作用下的受力分析，这样可以尽量避免跨海桥梁在设计施工中可能出现的问题，以达到降低风险、提高效率的目的。

［1］ 阿诺德·博曼.近海地质风险［M］.北京：石油工业出版社，1990.

［2］ 许东禹.中国近海地质［M］.北京：地质出版社，1997.

［3］ 聂 武，孙丽萍，李治彬，等.海洋工程钢结构设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

［4］ 胡人礼.桥梁桩基础分析和设计［M］.北京：中国铁道出版社，1987.