公路桥梁工程设计中的桩基沉降问题

2018-10-11

中国公路 2018年18期

钻孔灌注桩具有后期支撑作用稳定性高、承载能力强的特点，所以对于上部结构荷载较大的公路桥梁而言，钻孔灌注桩是大部分公路工程的首选。要保证工程的造价、质量、工期及工程的使用寿命，就必须充分考虑公路桥梁桩基沉降的设计是否符合工程情况。笔者结合自身工作经验，就公路桥梁工程设计中的桩基沉降问题进行探讨。

桩基沉降的原因

端承型群桩沉降

公路桥梁工程中的桩群结构类型有很多，其中出现频率最高的是端承型桩群。组成部分主要是端承桩，因此，刚硬性极强的持力层成为这种桩群结构最显著的特点。端承型桩群正式投入使用后，能够长时间承受巨大的重量，能够利用不同的承台将重量分散输送到各个群桩地下层。这种承力模式不仅能让桩体对自身承载的重量进行有效控制，还能在一定程度上提升桩体的承载强度。桩底部位四周土层的坚固度与群桩沉降现象有直接的联系，而上述方法可以有效增加土层坚固度，极大地降低端桩刺入土层或者桩体发生沉降的几率。

图1 端承群桩

摩擦性群桩沉降

虽然摩擦桩群和端承桩群都有出现沉降的可能性，但引发沉降的原因有很大差异。工作人员在全面分析端承型群桩的过程中发现，每个单桩之间都存在大小值不同的综合作用力，这种综合作用力比较小，几乎可忽略不计。但由于这些综合作用力伴随产生一些相互作用力，所以在分析摩擦桩群时，要充分考虑每个单桩之间的影响力，因为摩擦是传递建筑荷载重量的主要形式。不同的桩端土层和不同的单桩之间还存在重叠应力的问题，这大大加深了桩基之间的摩擦力对桩基承载能力的影响。从这个角度分析可知，与群桩能力强度有关的不仅仅是单桩承载力的相互叠加影响，还要全面考虑桩体之间的影响和干扰。

单桩的沉降分析计算

荷载传递分析法

分析单桩荷载的过程中，使用频率最高的就是荷载传递分析法，这种方法严格遵循了规定范围内负荷承载变形，以镜像的方式完成对具体传递反映的计算。具体的工作原理为：以相同长度为要求，将桩基础分为多个桩段，每一个桩段即为一个弹性单元，再以非线性弹簧模拟每个桩段和土层之间的联系。这种方法在负荷承载传递运用曲线中，通常假定与桩基础位移有关的变量只有该点的摩擦阻力，除此以外的任意位置点的摩擦阻力对其都没有影响。

对剪切变形传递的分析

研究者库克在1974年建立并提出了关于摩擦桩符合承载传递的模型，存在很多假设，即桩基础的轴向负荷承载与荷载水平成正比，且荷载承载越小，沉降程度越低。而一旦出现桩沉降就会给周围土地造成恶性影响，具体表现为剪切变形。所以，无论桩土之间发生相对位移与否，由于剪应力的径向扩散渠道很多，其能通过桩基础侧面的表层扩散，最终给桩基础和四周的土体结构造成影响。相比之下，摩擦桩段承载的负荷比其他桩基要小很多，在使用过程中发生沉降大多是因桩侧负荷传递引起的。

对弹性理论法的分析

基于弹性理论角度分析土与桩、桩与桩、土与土之间的作用方式，是研究单桩基础在纵向上的承载力前提下，分别分析承载力和基础土层之间的作用力和相对位移的关系。以弹性理论为中心，可在分析过程中拓展出系列的单桩沉降计算法，但所有计算方式的有效应用都是建立在桩基础位移和周围土层位移保持同步和协调的条件下的。从轴向承载下的桩基础桩身的压缩情况就能得出桩基础发生位移的结果，具体则可以通过某个定点产生的Minidlin位移得知桩四周土体的位移。

对单向压缩分层总和法的分析

运用单向压缩分层总和法计算公路桥梁桩基沉降结果，从总量角度而言相对精准，因为是通过全面分析桩基周围土层的各项参数得出的数据。单向压缩分层总和法属于一种浅基础层面的总沉降量计算法，这种方法被应用于大直径单桩，尽管这类单桩的桩侧阻力较小，但较大的桩基底面积能帮助整个桩基分担重量。比如在深基计算的过程中，当外界一切条件都相同时，通过明氏应力分布法分析桩基沉降量，所得的量总值几乎等同于工程设计和推算时的总量；而运用布氏公式法计算所得的值通常有偏差，相比于实际测量值要偏大30%，甚至50%；用分层总和法分析单桩沉降量时，依据压缩层的计算深度，参照相关规定，或者实际经验来确定。

群桩的沉降分析计算

对弹性理论法的分析

弹性理论的群桩沉降分析法，主要依据是应力解和Minidlin解，属于结合了位移与应力的一种计算法。一般的弹性理论，还有一种从简化弹性理论角度出发的位移求解法，是以应立法中的子桩侧面摩擦力为线性，通过多次叠加单桩分析结果得到桩群沉降量。

对实体深基础法的分析

就目前工程界现状而言，应用最为广泛的群桩沉降法是实体深基础法，这种计算方法在具体应用中是基于等效墩基原则选定的，选定对象为承台下的桩群和桩间土，以设定的等代墩基范围为准，使桩基在不发生压缩或变形的情况下投入使用。

对整个群桩沉降情况的分析

运用Peck、Terzaghi等人提出的分析模式，即以探究桩间土之间存在压缩变形的可能性为目的改变假想实体基础底面的位置，Peck曾建议在桩端平面以上的高度放置假想实体的基础底面，选定桩长1/3的位置，或者在桩柱穿过软弱土层进入坚硬土层的1/3持力层深度进行选定，但是影响假想基底位置变动的因素有很多，而这种方式没有考虑全面，所以这种方法在实际应用中并不能系统地反映问题。

TonlLLnson等人建立的模式是通过扩散或增大实体基础底面积，来分析桩群外围总剪应力对桩基沉降的影响，具体操作的关键是从群桩桩顶外围按照一定斜率扩散。

由于地基土附加应力的精度与桩基沉降问题的研究有关键性的联系，所以为了进一步提高该作用力地方精度，国内外有关学者在Mindlin公式的基础上，以估算桩基荷载作用为研究方向，开创出了一系列地基附加应力计算法，当中还包括了Mindlm解与Boussinesq解两种方式的对比计算法。

对等效作用分层总和法的分析

早在很久以前就有人提出过等效作用法，并在长期的应用中取得了不错的效果，目前被广泛应用于桩基技术规范设计中。在研究均匀土质的过程中，相同荷载下的矩形基础所受到的Boussinesq解和相同土质参数下群桩沉降所受的Mindlin解，这两个值的比较计算一直以来都是设计中的一大难题，但合理的运用等效作用法就能简单得出并修正等代墩基的附加应力值。