公路桥梁工程设计中的桩基沉降问题分析

2021-04-10李红建

工程技术研究 2021年18期

李红建

巩义市公路工程处，河南郑州 451200

我国经济的不断发展，科技的不断进步，促进了我国公路桥梁的建设，但是随着桥梁建设的不断发展，各方面的建设问题也开始不断出现，如桩基的沉降问题。桩基支撑着整个桥梁，对桥梁的整体建设至关重要。因此，有必要对桥梁工程进行研究，提高桩基设计的合理性，促进桥梁工程的建设。桥梁工程桩基的设计和建设水平是桥梁建设的关键。在进行桩基设计和建设时，需要管理好每一个重要环节，从而保证桥梁的建设质量。

1 桩基的影响因素

1.1 桩基荷载

荷载形式主要包括永久性荷载和可变性荷载。因为施工建设过程中会出现很多因素影响，所以还存在偶然性荷载。永久性荷载可以对桥梁桩基的结构与自重产生影响，可变性荷载会对车辆制动与牵引产生影响，偶然性荷载即桩基受到自然灾害的影响[1]。因为桥梁桩基在运行过程中会受到各种因素的影响，所以设计人员在进行桩基设计时要全面分析桥梁建设的真实情况，合理地对桩基进行设计。一般来说，荷载组合的形式可以分为两种，一种是桩基承载力达到极限，在这种情况下，桩基结构的安全性与稳定程度都将降低，不能够承受任何作用力；另一种是桩基的承载力在使用过程中达到极限，在这种状态下，桩基可能已经发生变形，必须对桩基变形的实际情况进行严格分析和管理。

1.2 桩基侧向的承载力

桩基的侧向承载力也会受到各种各样的影响。首先，在进行桩基设计时，应该确保桩体结构自身重力与其他作用力都处于桩体结构最大的承受范围内。其次，要研究桩体自身能够承受的水平力。最后，需要分析底盘所产生侧向承载力的承受能力。目前，我国相关规定表明，在进行公路桥梁建设的过程中，桩头水平位移的长度不能超过桩径长度的1%。

1.3 负摩擦力

对地表进行开挖或者对地下水进行过度开采都会导致桩基周围底层出现塌陷现象。底层相对于桩体来说下降范围较大，土壤会带动桩基向下伸展，从而增加桩轴自身的作用力，在桩基运行的过程中，这种作用力会变成负摩擦力，工作人员在对这种作用力进行分析计算时，必须全面考虑每个公式的计算规律，如果存在持续时间较短的荷载或者其他较小的作用力，可以在计算过程中忽略不计。

1.4 桩基间隔

在桥梁建设的过程中，桩基间距的设计也具备一定的要求。首先，在进行桩基间距的设计时，应尽量减少桩基数量，以免对桥梁建设造成不利的影响。其次，在进行桥梁建设的过程中，应减少群桩所产生的不利影响。由于在桩基承受荷载的过程中，相邻的桩基也会受到一些叠加的影响，从而产生群桩效应，因此如果每个桩的间距太短，一定程度上会影响桩基的承载力，进一步影响施工质量。要想桩基在受力过程中不受其他桩基的影响，桩基间隔距离必须达到桩径长度的约7倍。但是这个观念在施工的过程中很难被人采纳。大部分国家的桩基规范表明，桩基之间的间距最小值应该在桩头直径的3～4倍，否则会导致水力底盘的反力系数出现问题[2]。

2 桩基沉降的类型

2.1 端承型群桩发生沉降现象的原因

端承类型的群桩是由多个端承桩基所构成，持力层的承受能力强，桥梁上部承载的重量过大，通过端承台从多个桩基传到端承桩下的地层，因此端承型群桩的承载力较大。一般来说，桩基底部的土层不会突然出现沉降问题，发生刺入式沉降问题的概率较低，而且由于群桩通过自身进行挤压，导致桩基自身出现压缩现象，从而降低了沉降数值。刺入式沉降现象与桩基自身挤压下降的数值都非常小，减小了桩基侧面的摩擦力，从而导致下层传到群桩的综合力度减小[3]。

2.2 摩擦型群桩的下降原因与过程

摩擦类型的群桩与端承型的沉降原因不同，端承型每个桩基与承受台之间相互作用的力度可以不进行计算。但是摩擦类型的群桩与其他桩基和承受台的力度是相互影响的，而桥梁的承载重量是以摩擦力的形式进行传送。因此，在单个桩基的情况下，每一个桩基之间以及桩基与土壤之间都会出现叠加的力度，造成桩基的承载能力与摩擦力之间的影响，也会让端顶的承载能力受到一定程度上的影响。因此，在研究群桩的承载力的过程中，需重视研究群桩之间相互影响所产生的作用。

3 桩基下降的检测方法

3.1 静载试验技术

静载试验技术是一种新型的检测方法，其检测流程如下：首先将特别制作的加载机器固定在桩内的指定位置，把加载机器所使用的高压油管道与位移杆转移到土层上方，再使用高压泵对荷载油箱进行加油，通过荷载箱将力传送到桩基，使桩基上部产生的摩擦力与桩基下部产生的端阻力保持平衡。通过QS曲线变化，判断公路桥梁桩基自身的承受能力、桩基沉降具体的情况、桩基压缩的情况、土层的变形情况等。

3.2 高应变动测试技术

高应变动测试技术是由美国一家测试企业所发明的，这种技术依托于计算机软件。该技术是先计算承载力，而承载力是通过桩基上部激发阻力所产生的应力波与速度波所测得的。在桥梁建设的过程中普遍采用高应变动测试技术与曲线拟合技术。测量桩基垂直承载力的极限是高应变动测量技术独特的优势，不需要其他辅助桩基，并且测试时间相对较短、成本低、效率高。此外，该技术可以测试单个桩基的承载能力与桩基自身的重力，还可以显示桩基的全面性、桩基阻力的分布情况等。

3.3 声波透射技术

声波透射技术是在灌注混凝土前，在桩基的内部设置多根声测管道，从而提高超声波传送和接收信息的便利程度。此外，还可以使用超声波对各个横切面的声音参数进行测量，并对所测得的声音参数进行数值研究，进一步计算出桩基内部混凝土结构的下沉情况，从而针对性地增强混凝土结构的强度指标。

3.4 钻孔取芯技术

钻孔取芯技术是通过使用相关的专业仪器对部分桩基进行抽芯取样，并根据桩基取样的真实状况，分析桩基的数据信息、混凝土各方面的情况、桩基承载力那层的厚度等。该技术能够准确地触碰到桩基内部，使测量的桩基数据更加准确。但是该技术只能对桩基的部分情况进行研究，不能够测得桩基内部的整体状况，而且会对桩基的内部结构造成一定破坏。因此，该技术在公路桥梁建设过程中较少被采用。

4 单桩负载量的计算

在公路桥梁建设过程中，通常使用传递分析的方法进行单桩负载量的计算，在桩基底部与土层上部采用非线性弹簧进行试验，在桩基的尾端也采用相同的试验方法。但是根据施工的真实情况，进行测试时需要使用各种的设施设备，因此传递分析方法一般很少被使用。

剪切式的传递分析法的使用则减少了计算桩基承载力的步骤，简化了计算方法。若桩基发生下沉，会导致桩基四周的土坑发生变形，而桩基周围的土层没有进行位移，那么这些力度将从桩基的上部向四周产生影响，待承载力到达极限时，摩擦桩基所承受的作用力会越小。因此，桩基下沉大多是由于桩基侧面的承载力所导致的。

弹性法是使用相关的理论知识对桩基与土层之间的相互摩擦力、位移与作用力进行研究，进一步得到土层与桩基相互对应的作用力。测量人员在使用弹性法的过程中，应该注意桩基与土层是否具有弹性条件。

5 群桩下沉数值的计算

一般来说，测量人员会通过实体检测的方法对群桩的下沉情况进行分析，将土层里的群桩与承力台的桩基都作为测量实际数值的基础，在不超出墩基基础的范围内，对桩基群进行分析。使用这种方法，土层内部不会发生相互挤压等状况。同时，可以使用扩展计算的方法对桩基群的下沉桩基进行数值计算，要想避免出现误差，需要研究相对应的措施，并注意周围其他作用力的干扰。等同效果作用法可以在桩基的测量技术中使用，计算土层下沉的数值，通过这一数值结果利用分层求和方法计算桩基的下沉数值。