宁海特大桥不等长桩基础问题探析

郑丽涵，陈(.福建省莆田市公路局， 福建 莆田 3500； .福州大学 土木工程学院， 福建 福州 3506)

宁海特大桥不等长桩基础问题探析

根据宁海特大桥桩基础的实际情况，阐述不等长桩基础的存在性。从地壳运动、河床变迁、洪潮影响及桥位土层分布四个角度分析造成桩长差异的原因。基于m法，分析计算多排桩及单排桩情况下不等长桩基础的内力和变形情况。结果表明：因不等长桩基础导致桩基础几何中心、弹性中心和扭转中心不重合，不等长度桩基和等长度桩基在受力特点上存在较大差异；讨论改善桩长差异的措施，如调整嵌岩深度和其他边设计边施工的方法，但措施基本停于理论，应进一步从理论提升简单必要的构造措施加以改善。

桩基础；不等长；m法；宁海特大桥

《公路桥涵地基与基础设计规范》[1](JTG D63-2007)中第5.1.5条，在同一桩基础中，除特殊设计外，不宜同时采用摩擦桩和端承桩；不宜采用直径不同、材料不同和桩端深度相差过大的桩。但在实际桩基础施工中，在复杂地质情况下，不等长桩基础是不可避免的，等长桩基础只是理想的设计状态。不等长桩基础与等长桩基础内力和位移上有何不同？不等长桩基础会产出哪些不良影响？有何改善措施？本文从这些问题展开分析。

对于桩基础的计算，最成熟的方法就是弹性地基梁法，即m法。文献[1]附录P中将地面或局部冲刷线以下hm=2(d+1)深度范围内的各层土换算成一个m值，近似作为整个桩深度的地基土比例系数，并以表格的形式，给出了对于αh>2.5的单排桩及多排桩不同情况下的作用效应及水平位移，方便工程人员使用。学者们基于m法，结合有限元计算软件，建立起桩基承台有限元模型，进行多排桩桩基-土体相互作用情况模拟，认为不等长度桩基和等长度桩基在受力特点上存在较大差异，并提出改善措施。

以宁海特大桥桩基础桩长差异展开分析，本文建模计算单排桩不等长桩基础的作用效应和水平位移，并讨论改善措施。

1 工程概况

福建省省道201线宁海特大桥，横跨木兰溪，桥梁全长1 044 m，桥面宽度41 m，左右幅分离，双向8车道。主桥为(45 m+5×70 m+45 m)变截面预应力钢筋混凝土连续箱梁，采用花篮造型实体桥墩，双排桩基础；引桥采用柱式桥墩，单排桩基础；桥台采用肋形台，双排桩基础。全桥共160根钻孔灌注桩，其中直径Φ2.2 m(1～7号、9～14号、16～22号)，128根；直径Φ1.8 m(0号台)，8根；直径Φ1.5 m(8号、15号过渡墩)，24根。

全桥基础实际桩长与设计桩长差异悬殊，如表1所示。呈以下特点：(1) 水中桩基短于陆上桩基，且主桥水中桩基基本短于设计桩长，引桥岸上桩基基本长于设计桩长。如图1所示，7～18号桩基实际成桩桩长小于设计桩长；0～6号、19～22号桩基实际成桩桩长大于设计桩长。(2) 全桥最长桩基与最短桩基相差60 m。全桥最短桩基，位于12号墩右幅，长度18.162 m；最长桩基位于21号墩左幅，长度78.162 m。(3) 同一承台桩长差异大。双排桩基础，引桥0号台右幅，最短桩长41.45 m，最长桩长61.75 m，相差20.3 m；主桥11左幅，最短桩长35.359 m，最长桩长49.811 m，相差14.452 m。单排桩基础，21号墩左幅，一根桩基78.162 m，一根桩基46.483 m，相差31.679 m。(4) 实际成桩桩长与设计桩长差异大。21号墩左幅，最长桩基78.162 m，设计桩长44.7 m，增长33.462 m；12墩右幅，最短桩长18.162 m，设计桩长41 m，缩短22.838 m。全桥实际成桩桩长与设计桩长相差15 m以上的有14根，实际成桩桩长与设计桩长相差10 m以上的有28根。

在宁海特大桥桩基础施工过程中，设计单位本来根据规范提出，对于单桩基础同一桥墩下两桩长度差宜<2.0d；对于群桩基础，同一桥墩承台下各桩长度差宜<1.5d，但最终无法实施。

2 桩长差异形成原因分析

宁海特大桥位于木兰溪下游感潮河段，究其桩长差异悬殊原因，与桥位处水文地质情况较复杂、基岩岩面起伏大有很大关系。具体分析如下：

2.1 地壳运动造成岩面起伏

根据文献[2]，距今1300多年前，木兰陂所在的南北洋平原大部分地区，还是一片白浪滔滔的海湾。后来海岸上升，海水后退，逐渐演变成海边的沼泽地。说明当时地壳运动时，部分岩石隆起部分岩石下沉，高低不平；或者原始岩层形成时，岩浆运动激烈，岩浆冷却后形成的基岩面起伏大。

表1 桩长情况表 单位：m

2.2 河床位置变迁

根据文献[3]提供的估计是元丰六年(1083年)木兰溪下游河段图(如图2所示)及文献[3]中的阐述“木兰溪下游河段原先是一条顺直的河流，那么为何会形成今天这样蜿蜒曲折的河段呢？”，木兰溪下游河床位置变迁的可能性较大，现有河床位置以前可能为陆域，受河流冲刷小，因此基岩面较高，桩基较短。

2.3 桥位位于洪潮交界处

根据文献[3-4]，木兰溪发源于福建省泉州戴云山脉，流经德化、永春、仙游、莆田市区，迂回于南北洋，至山江口注入兴化湾，流域面积1 732 km2，河长105 km。上游地处山区，下游的木兰陂至山江口26 km为感潮段，受潮汐影响严重。木兰溪下游从木兰陂开始分为4段：(1) 木兰陂到港利约4.2 km，河段弯曲不大；(2) 郑坂至港利约12 km，该河段弯多、弯密、弯急，有10处大转弯；(3) 港利至桥兜约5.5 km，该河段河面逐渐开阔，水位受洪潮交替影响；(4) 桥兜至三江口约4.3 km，该河段河面宽敞，水位主要受潮位控制。木兰溪下游洪潮交界在宁海桥上下的一段河段内，在这一交界段下游，潮水起控制作用，在交界段上游，洪水起控制作用。说明宁海桥位位于洪潮交界处，受洪潮共同影响，水文地质复杂，造就桥梁桩基础长度差异。

2.4 桩基础穿越土层厚度差异大

根据地质钻探及桩基础施工过程中，所揭示的桥位处土层分布情况如下：

(1) 素填土：灰色、浅灰色，很湿，松散状。主要为耕植土，成份以黏性土为主，含有少量植物根系和小粒径砾石。局部地段含有碎石等硬杂质，含量约10%，厚度一般为0.80 m～2.00 m。

(2) 淤泥：深灰色，流塑，饱和，含少量有机质及腐殖质，局部夹薄层细砂。略有臭味。干强度高，韧性中等，稍有光滑，摇振反应慢。本层局部相变成淤泥质黏土，厚度3.20 m～18.90 m。

(3) 中细砂：深灰色，饱和，松散—稍密状，成份主要为石英及石英质砾石为主，级配不良，以中砂为主，局部含有少量泥质，厚度一般为2.30 m～6.30 m。

(4) 卵石：杂色，饱和，稍密—中密状，主要有卵石、圆砾、中粗砂和少量黏性土组成，局部相变为圆砾层。骨架颗粒母岩成份主要为中等风化凝灰熔岩或花岗岩，粒径一般为60 mm～100 mm，局部可达200 mm以上，砾石呈亚圆状，充填物主要为中粗砂及少量黏性土，颗粒级配较好，厚度2.70 m～11.40 m。

(5) 残积砂质黏性土：灰白、褐黄色，稍湿—湿，上部以可塑状为主，下部为硬可塑状为花岗岩风化残积而成。可见母岩残余结构，长石及暗色矿物已完全风化成黏土矿物，黏性较差，厚度6.40 m～9.00 m。

(6) 全风化花岗岩：灰白、灰黄、浅黄色，稍湿，坚硬，有残余强度，成份主要为石英、长石矿物，岩石已风化成砂土状，岩体结构呈散体状，极破碎。遇水后易软化崩解，浸水后可捏成团，岩体完整程度为极破碎，为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级，厚度1.20 m～13.90 m。

(7) 强风化花岗岩：褐黄色、浅灰色，坚硬，原岩矿物成分主要为石英和长石，块状构造，钻进有响声，岩芯呈碎块状，局部为散土状，锤击声哑，无回弹，属软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，厚度1.40 m～14.40 m。

(8) 中风化花岗岩：浅灰、灰白色，坚硬，花岗结构，块状构造，岩石的完整程度为较破碎，裂隙一般发育，岩芯呈柱状—长柱状，锤击声脆，为较硬岩，岩石质量基本等级为Ⅳ级。

从以上土层分布情况，可知各土层厚度差异大，导致桩长差异悬殊。

图1 全桥桩长情况对比图

图2 元丰六年(1083年)木兰溪下游河段图

3 不等长桩基础计算

3.1 基于m法的计算原理

不同承台下桩长差异大，对结构受力影响不大；但同一个承台下桩长差异大，对桩基础整体受力影响则不可忽视。文献[1]等对于不等长桩基础的内力及位移计算均采用m法计算原理，即桩侧土对桩基的水平作用采用节点线弹性支撑模拟，水平弹簧的支承刚度为：

Ki=b1×m×hi×Si

(1)

式中：b1为桩基的计算宽度；m为地基土的比例系数；hi为地面(或最大冲刷线)到i点的深度；Si为i节点所在土层的土层厚度。

3.2 双排桩基础

文献[5-7]对群桩基础的不等长桩基情况进行了有限元模拟计算。文献[5]提出规范将地面或局部冲刷线以下hm=2(d+1)深度范围内的各层土换算成一个m值，近似作为整个桩深度的地基土比例系数，有所不妥；并通过计算结果表明，对于群桩基础，不等长度桩基和等长度桩基在受力特点上存在较大差异：(1) 长度小的桩基承受的弯矩大，长度大的桩基承受的弯矩小；(2) 各桩身会产生较大的扭矩。文献[6]提出m法计算桩基础时未考虑桩侧土摩阻力的影响，通过采用节点多折线弹性支承模拟桩侧摩阻力对桩基的竖向作用，研究桩侧土摩阻力对长短组合桩基轴力分布的影响。文献[7]中提出当群桩基础的桩长不等时，会导致桩基础几何中心、弹性中心和扭转中心不重合，因此基础会产生一定的附加内力、不均匀沉降等一系列对上部结构不利的影响。

3.3 单排桩基础

文献对群桩基础不等长桩基的计算比较多，对单排桩情况的不等长桩基础的内力及位移情况的研究比较少，本文重点计算对单排桩情况下不等长桩基础的内力及位移情况。

用MIDAS软件建模，承台和桩基础均采用梁单元进行模拟。桩基初始长度为50 m，每米为一个单元，嵌岩桩采用固结(约束X、Y、Z三个方向的平动及Z方向的转动)进行模拟边界条件。桩基穿越土层及所采用的数据，如表2所示。根据文献[4]附录P，经计算b1取2.88；承台顶受到的外荷载为N0=22 906.5 kN，Q0=1 300 kN，M0=6 872 kN·m。进行以下五个工况计算：工况1，水平弹簧的支承刚度，所有节点采用同一值3×106kN/m；工况2，水平弹簧的支承刚度，每个节点不一致，弹性支承只到卵石层；工况3，水平弹簧的支承刚度，每个节点不一致，弹性支承桩基础全长设置；工况4，水平弹簧的支承刚度，每个节点不一致，弹性支承桩基础全长设置，桩基长度一根40 m，另外一根50 m；工况5，水平弹簧的支承刚度，每个节点不一致，弹性支承桩基础全长设置，桩基长度一根30 m，另外一根50 m。五种工况下，桩顶截面的位移、轴力和弯矩情况如表3所示。给出有限元模型，并给出节点号16、66的位置，其中工况1和工况4的差别是桩长不同，是一个桩长度相同，另外一个桩相差10 m，是短了？还是长了10 m？竖向支承情况怎么样？如果分析后面的改进措施，嵌岩桩桩端是否应该固定支撑？

从表3可知，对于单排嵌岩桩基础：(1) 桩周土对抵抗水平力所起的作用与其本身的变形有关，土体压缩的越厉害，其抗力发挥的程度越大，而自桩顶以下，桩的水平方向变形越来越小，土体埋深越大，土体对抵抗水平荷载的应该是越低，其m值的大小也越不重要。(从工况2和工况3可知)该条验证了文献[1]按m法计算弹性桩基水平位移及作用效应第176页的条文说明。(2) 整个桩基础的m值可采用hm深度范围的换算的m值来计算。(3) 桩基础不等长，桩顶截面水平位移是等长桩基情况的10倍以上。(4) 不等长桩基础中的两根桩基础长桩桩顶截面的轴力、弯矩及水平位移大于短桩的。

表2 土层情况表

4 不等长桩基础的改善措施

为了改善不等长桩基础的产生的不良影响，提高结构的可靠度，消除附加内力变形，对桩基础采取了相应的改善措施。

4.1 调整嵌岩深度

宁海特大桥由于基岩面起伏大，尤其是水中主桥持力基岩面高，持力基岩上覆盖土层厚度薄，为减少桩长差距，设计单位提出加大嵌岩深度措施，如表4、表5所示。根据地质评价论证会专家意见，设计桩端持力层为中风化花岗岩，上部覆盖有厚度大于5.5 m的卵石、全风化花岗岩、强风化花岗岩，桩基入岩深度要求可根据卵石、全风化花岗岩、强风化花岗岩的总厚度进行调整，上述岩土层总厚度较大时，桩基入岩深度可以小一些。若强风化花岗岩岩层单轴饱和抗压强度达20 MPa～30 MPa，可考虑作为桩端持力层，但入岩深度应适当加大。

表3 桩顶截面内力情况

表4 嵌岩深度表(H>20 m)

表5 嵌岩深度表(H≤20 m)

注：表中d为桩基直径。

该方法中，对于短桩，加大了嵌岩深度，部分嵌岩深度达到了5d，对于桩径2.2 m的桩基，嵌岩深度达到11 m，虽然结构安全性有保障，但作业班组情绪大，劳动积极性不高；对于长桩，虽然专家提出，覆盖土层厚，可以考虑部分摩阻力，减少嵌岩深度，但没有人愿意去冒这个风险，实施过程中不具备可操作性。

4.2 其他改善方法

文献[7]中，基于为了让三心统一(几何中心、弹性中心和扭转中心)，根据扭转中心和弹性中心的计算公式，提出4种改善措施，一是调整混凝土强度等级，通过改变弹性模量(E)来调整；二是调整桩径(改变A、I)；三是相对承台几何中心非对称布桩；四是同时调整混凝土强度等级(E)和桩径(R)。文献中亦对4种改善措施进行评价，方法一改善效果不明显；方法二同一承台不同桩径，操作性不强，且桩径不可能无休止增大；方法三对桩基外排造成墩台“短悬臂”现象，可操作性依然不强；方法四相对比较合理。但以上方法，均只停留在理论上。

文献[6]中提出可以用有限元法定量分析桩长不同时群桩内力，指导桩基设计及现场桩基终孔，合理控制工程造价，具有重要意义。但这亦意味边施工边设计，边设计边施工，操作上亦存在难度。是否有简单的构造上的措施，方便工程应用，值得进一步研究探索。

5 结 论

(1) 单排嵌岩桩基础，在不考虑桩侧土的竖向摩阻力情况下，两根桩基不等长会导致桩顶水平位移产生突变。

(2) 从桩基一定深度起可不考虑桩周土体对桩基的水平支承作用。对于单排嵌岩桩基础，计算时在该深度范围内可以采用统一支承刚度。

(3) 不等长桩基础会引起桩基础内力变化及变形加大，应研究采取必要的构造措施。

[1] 中华人民共和国交通部.公路桥涵地基与基础设计规范：JTG D63-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 李文辉.木兰陂小史[J].中国水利，1984(1)：39-40.

[3] 陈伯淦.木兰溪下游河道特性及蜿蜒曲折的原因初析[J].水利科技,1998(2)：36-41.

[4] 陈国华.木兰溪下游防洪工程淤泥施工技术研究[J].水利水电技术,2004，35(11)：64-67.

[5] 施权君,韦达洁.用有限元法计算不等长桩基的内力[J].山西建筑，2007，33(6)：130-131.

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[7] 何志芬，李甲宝，刘梦麟.群桩基础桩长差异的改善措施分析[J].桥隧工程，2014(1)：166-168.

Analysis of the Problems of the Unequal Length Pile Foundation of the Specially Long Span Bridge in Ninghai

ZHENG Lihan1, CHEN Shen2

(1.PutianBureauofPublicRoadsofFujianProvence,Putian,Fujian351100,China; 2.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

According to the real situation of the pile foundation of the specially long span bridge in Ninghai, the existence of pile foundation with different length is discussed. The reasons are analyzed from four aspects: crustal movement, river-bed evolution, the influence of flood and tide, soil layer distribution. Based on M method, the internal force and deformation of unequal pile foundation under the condition of multi-row piles and single-row piles are studied and calculated. Results showed that there are differences on mechanical characteristics between the unequal length and the equal length pile foundation, because the geometric center, the elastic center and the torsion center of the unequal length pile foundation are not coincident. Moreover, the measures to improve the difference of pile length have been proposed, such as adjusting the depth of embedded rock and other methods designed during construction, but the measures basically stopped at the theory stage, more research should focus on the necessary structural measures upgrading from theory.

pile foundation; unequal length; m method; Ninghai specially long span bridge

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.041

2016-07-03

郑丽涵(1984—)，女，福建莆田人，工学硕士，主要从事路桥管理工作。 E-mail:214638787@qq.com

TU473

A

1672—1144(2016)06—0213—05