哈萨克斯坦扎姆希河桥项目群桩基础特性的应用研究

吴志贤

中铁十四局集团有限公司, 山东济南 250010

0 引言

交通运输对世界经济的发展和进步起着不可或缺的作用。现代交通追求效率，追求合理的综合交通运输成本，通过管理创新、技术创新等手段实现其重要价值，桥梁、道路作为交通命脉推动着交通运输的发展。在工程实践中，桩基础作为最常见的基础形式，拥有高承载力，强抗震力、高稳定性等优点，在高层建筑和软土地区得到了广泛的应用。桥梁工程桩基基础中预制桩的应用正在逐步推广，但由于工期、地质、技术经济条件、施工工艺等诸多方面的具体要求，需综合考虑其应用范围[1-3]。

本文结合哈萨克斯坦扎姆希河桥项目，对预制群桩基础的应用进行论证，对群桩基础的桩长、桩间距及群桩侧阻力进行群桩模拟分析，以验证沉入桩参数选择的正确性。

1 项目概况

哈萨克斯坦共和国国级公路“Astana-Karaganda-Balkash-Almaty”改造段是M-36“俄国边界(叶卡捷琳堡)-阿拉木图”公路的一部分，起讫桩号为KM1713—KM1740，设计里程为27 km，主要工程包括路基工程、路面工程、桥涵工程、交通安全设施工程等。

该项目为双向4车道1-6级(哈萨克斯坦规范标准)公路，设计行车速度为120 km/h，路基宽度为25.5 m，包括扎姆希河跨河桥，长99.68 m，桩号为NK258+36.43—NK259+36.11；钢筋混凝土管道28道，总长为912.86 m。主体路基土石方为170 万m3，附加层13.03 万m3，下基层59.6 万m3，基层57.6 万m3，沥青面层51.9 万m3。该标段工期为34个月，2019年6月开工。

2 施工条件

2.1 气候条件

该项目区域为极强的大陆性气候，气温波动范围极大，空气干燥、降水较少。年平均气温为5.4 ℃，1月份最冷，平均温度为-14.7 ℃；7月份最热，平均温度为24.0 ℃，年均降雨量为137 mm，其中冬季平均降雨量为61 mm，春夏季平均降雨量为76 mm，冬季土壤冻结标准深度约为158～234 cm。项目所处地每年11月至次年3月为冬歇期，冬季周期较长，有效施工时间为4～10月，施工时间短。

2.2 地质条件

线路建设区域地质构造包括石炭系沉积层、多克劳花岗岩块粗粒花岗岩、冲积、坡积-洪积和残积第四系沉积层。该桥所处沉积层有坡积-洪积亚黏土、亚砂土、碎石土和角砾土、冲积砂砾土。线路旁地带主要是轻质砂质亚黏土、亚砂土、含亚砂土填料的碎石土。土壤主要是天然土、过湿土，天然土可用作路基建设基础，过湿土进行特殊处理后方可用于路基施工。该区域还包括盐碱地、风化、沼泽化、底部侵蚀等不利地段。该桥梁桩基础为群桩基础，桩基部分如图1所示。

a)正视图 b)俯视图图1 扎姆希河跨河桥桩基示意图

2.3 主要施工工艺及施工重点、难点

受施工工期和当地气候条件的限制，为进一步优化工期，合理安排施工组织，大部分构件均采用预制构件，其中跨河桥的桩基础为预制群桩基础。

预制桩经济效益好，施工方便，能有效缩短工期。然而，在选择群桩时需根据地质水文条件，在受力相同时，对桩长、桩径、桩间距以及桩的侧摩阻力等方面进行对比，并结合施工的难易程度选择最优方案。群桩施工时受群桩自身的几何特征、受力变化、桩侧及桩端的土性等因素综合影响，群桩承载力与各单桩承载力计算不同，为简化群桩基础，方便受力分析和计算，假设群桩承载力等于各单桩承载力之和[4-6]。扎姆希河跨河预制桩基础的打桩施工工艺流程如图2所示。

3 群桩影响因素

研究表明，群桩承载力及沉降主要受桩周围土质、桩中心距、桩体刚度、桩长、桩径等因素影响[7-8]。

3.1 土质

该桥的群桩主要为端承桩，在桩端具有足够承载力的前提下，土的摩擦系数较小时，土对桩身的摩擦力不予考虑。当土的摩擦系数较大时，通过桩身与土体间的摩擦力，可以抵抗较大的上部荷载，更好地控制沉降[9-13]。

图2 预制桩施工工艺流程

通过深度小于14.0 m的地质钻井勘查跨线桥施工区的土壤。距顶部1.5～2.0 m深度处发现地下水，7.0 m深度处发现亚砂土填料的水饱和砂砾土，7.0～8.5 m深度处发现夹杂碎石的塑性亚砂土，14.0 m深度处发现夹杂碎石的塑性亚砂土层。跨线桥所有支承基层的天然承重基础采用夹杂碎石的塑性亚砂土层，通过计算确定其具有足够承载力。

3.2 端承桩的工作机理

桩端土的压塑性较小，端承桩承受竖向荷载时，桩身相对于土体的位移有限，侧阻力占总受力的比例较小，大部分外加载荷传递到桩端，相邻桩的桩侧和桩端应力之间彼此影响小。桩端变形较小，桩顶下沉也较小，承台对底部土体的影响忽略不计。每根端承桩的工作机理和单桩相似，群桩的承载力相当于单桩承载力的叠加，其它影响忽略不计。即端承桩的桩端承载力可以近似为各单桩的承载力之和[14-17]。计算时，群桩效应系数[18]

式中：pu为群桩的极限承载力，Qu为单桩极限承载力，n为桩的根数。

3.3 沉桩及控制

扎姆希河跨河桥采用预制桩基，可通过提高混凝土等级来提高桩身刚度，施工采用柴油锤桩机，需对桩头做好防护措施。 在对预制桩进行施打时，一般情况下应按照从中间向四周、间隔跳打的方式，桩长不同时先深后浅，桩径不同时先大后小，以避免应力过于集中。桩间距小时群桩虽会产生挤土效应，但在不饱和土中，土体受力收缩，可以抵消产生的挤压应力，同时增强土体强度，并可以充分利用桩间的挤土加强桩身与土之间的摩擦力，以提高桩的承载力。扎姆希河跨河桥的桩基主要为端承桩，以贯入度控制为主，标高控制为辅[19-24]。由于桩间距较小，所以也需要同时考虑侧向摩擦力的影响。

4 群桩模拟分析

群桩的控制重点是对沉降的控制。在设计阶段需根据地质状况，综合考虑桩长L、桩间距和桩端阻力等对沉降的影响。本文通过不同的试验，绘制相关曲线，对扎姆希河跨河桥的群桩预制基础设计方案进行分析。

4.1 桩长不同时竖向荷载作用下的受力-沉降曲线

不同桩长L时，桩基承载力p对沉降s的影响如图3所示。

图3 不同桩长下群桩p-s曲线

理论分析及现场试验都表明：p不会随着L的增加而持续增加。在一定长度内，p随L的增加而提高，但L达到一定值时，桩顶的荷载可以全部由桩侧摩阻力[19]平衡。如果继续增加桩顶荷载，桩会因为超过单桩竖向抗压极限承载力而受到破坏[13]，此时的桩顶荷载称为临界荷载，L称为临界长度或者临界深度。桩的长径比R主要影响p的传递，R>100 时，桩顶的荷载几乎全部由侧阻力来承担，端阻力可忽略不计，此时的桩一般为摩擦桩。此桥的桩基为端承桩，所以R不宜太大。即在桩径不变的条件下，桩长越小越有利于端承桩作用的发挥。

由图3可看出：L分别取7.5、10.0、12.5、15.0、17.5 m，p随L的增大而增大。当p一定且受力小于600 kPa时，s随L增大而减少的变化趋势并不明显。此桥的桩为方形，等效为相等周长的圆柱，则长径比

R=L/D=πL/4a≈20，

式中：D为桩直径，a为方形桩的边长。

综合考虑各方面因素，确保桩端阻力得到最大发挥，扎姆希河跨河桥的长径比R≈20，在一定程度上为最优方案。

4.2 桩距不同时竖向荷载作用下的p-s曲线

桩距S不同时，群桩的p-s曲线如图4所示。

图4 不同桩距下群桩p-s曲线

由图4可知：同等竖向荷载作用下，s随桩间距S的增大而增大。桩间距分别为5D(D为桩径)、6D，承载力p>400 kPa时，s随着p的增大而增大，且此时p的增大对沉降影响更大，此种情况不利于控制沉降。桩间距为3D、4D时，s随着p的增大而增大，但趋势变缓。因此，当3D

扎姆希河跨河桥群桩基础8桩的桩间距S=L/(7a)=3.4(由图1b)得出)，即该桥的桩间距S=3.4D，考虑到不同桩距对沉降的影响，则S=3.4D为优选方案。

4.3 群桩侧阻力分析

图5 不同桩长下桩端阻力与p关系曲线

桩长为10、15、20 m时，桩端阻力[17]变化曲线如图5所示。

由图5可知，桩端阻力随着p的增加而增大，当p增加到一定值时，桩端阻力曲线出现拐点，桩端阻力随着p的增加而减小。由于桩端阻力与桩侧摩阻力存在互补关系，说明此时已不能忽略侧摩阻力对桩的影响。在图5中，L为15、20m时，必须考虑侧摩阻力的影响，由此可以得出，随着桩长的增长，侧摩阻力的影响将增加，端阻力的发挥将受到影响。因此，在该土质条件下，L=10 m时端阻力随着p的增大一直增加，说明桩侧摩阻力最小。扎姆希河跨河桥的桩长为9 m，此时桩端阻力接近于最大状态，有利于发挥端承桩作用。

5 结语

以哈萨克斯坦共和国国级公路“Astana-Karaganda-Balkash-Almaty”改造段M-36“俄国边界(叶卡捷琳堡)-阿拉木图”公路项目为依托，在当地气候、地质条件下，结合工程施工的重点和难点，探究扎姆希河桥项目群桩基础的特性。群桩效应的影响因素比较多，各因素对群桩的作用非常复杂，而且各影响因素之间存在叠加现象。对群桩的土层分布情况、桩身几何特性、端承桩的工作机理、沉降控制方面进行分析，根据不同桩长、桩间距和桩端阻力对沉降的影响曲线，验证沉入桩参数选择的正确性。

在不同地质条件及不同类别的工程中，沉入群桩的数据仍需要进一步的验证。未来预制群桩基础在桩基领域中将会得到更充分的应用，具有施工速度快、质量高但施工参数较复杂等特点，预制群桩基础的研究将为提高施工效率提供必要的基础。