桥梁工程设计中桩基沉降问题解析

罗 帅

(商洛市交通设计院,陕西 商洛 726000)

0 引 言

桥梁桩基沉降是常见的一项问题,此类问题的出现会给桥梁结构的稳定性与安全性造成很严重的影响。所以在桥梁设计阶段需要考虑桩基沉降的影响,采取科学有效的方式提高设计方案水平,达到工程项目的建设需求。

1 桩基的作用

1.1 缓解上部结构沉降

桥梁桩基自身具备的刚度非常大,能够有效分摊以及承受上部桥梁结构分布的荷载,可以将上部结构的沉降问题抵御,能避免梁体变形的情况,满足工程安全设计的目标。同时,由于桩基和周围土体之间存在空隙,两者间能够实践相互摩擦,可以让桥梁上部的荷载均匀的向着四周分散,达到桥梁上部稳固性的需求[1]。

1.2 降低公路桥梁工程建设成本

桥梁施工阶段某些地区的自然环境相对较差,在公路桥梁项目施工环节中,如果地下水位较高或者在水下区域开展现场施工,通常人们会优先选择使用桩基作为桥梁基础形式。使用桩基础能够有效提高桥梁工程的质量水平,还能够降低项目成本,实现综合效益的全面提升。

1.3 有效抵御自然灾害的破坏

与桥梁的其他结构位置对比,桩基础的抗拔性能较高,可以抵抗地震、狂风、洪涝等自然灾害的干扰和影响,确保桥梁工程结构满足安全性、稳定性的标准。

2 桩基沉降发生的原因

2.1 施工区域地质因素

从地质条件层面分析可知,土体和桩基础存在相互作用,土体结构的硬度对于桩基质量存在直接影响。土体硬度越大其可以压缩的空间就会越小,在施工环节出现桩基沉降的概率就会越低;反之,如果土体硬度小则可以压缩的空间较大,桩基发生沉降的问题就会越严重[2]。

2.2 公路桥梁工程设计不严谨

桥梁桩基础沉降问题发生率比较高,存在较高的风险。在桥梁工程项目设计环节,部分设计人员水平不高,设计环节没有积极的应用先进设计理念。在沉降的位置还选择使用搭板设计方式,导致受到软弱层结构的干扰和影响,搭板设计的强度无法满足结构稳定性的标准,在受到外部较大载荷的作用下会导致裂缝的发生,桩基受到的负荷增大,诱发严重的沉降问题。为了能够将桥梁墩柱结构受到的作用力分散处理,有些设计人员会优先选择使用承台设计方式,但是目前并未对这一方面做出明确的规定,造成设计水平较低。

2.3 桩基类型选择

通过相关资料分析了解到桩基的结构形式和沉降问题存在直接的关系,桩基形式的差异,沉降反应也会有差异。比如,钻孔桩和打孔桩所出现的沉降问题也是不同的。相同荷载作用之下,钻孔桩基础的沉降形式为土体压缩变形,而打孔桩则是桩间土压缩变形[3]。

3 公路桥梁桩基设计中对沉降问题的控制

3.1 公路桥梁桩基沉降分析的主要方法

(1)单桩桩基的沉降分析

公路桥梁单桩桩基沉降分析环节,主要是从载荷分析、剪切变形、弹性理论等角度出发。通过载荷传递分析法进行分析时,把桩基分散为多个相同长度的桩基单元,应用非线性弹簧模拟桩基段和土层发生的关系,然后在桩基端部位上应用非线性弹簧方式模拟分析。公路桥梁施工,需要应用多种仪器、仪表等工具做好测量工作的监控和管理。基于剪切变形分析方式主要是应用形变传递模型作为桩基沉降计算的方式,这一模型内假设人为载荷变形量比较小,桩基轴向负载力会导致结构出现沉降的问题,在沉降发生之后容易给土体结构产生剪切作用,但是土层没有出现位移,剪切应力会沿着桩基础的侧面会逐步的扩散到表面。弹性理论主要是应用弹性理论方式进行桩土的系统化计算与分析,以明确单个桩基础在纵向达到承载力方面的要求,同时还能够充分的了解桩基土作用和位移间的关系,从而进行桩间土、桩基对于土层的作用方式,所以进行沉降计算为保证桥梁工程质量提供基础,桩基设计时需要重点关注各个持力层的设计参数,具体注意内容见图1。

注:(1-持力层;2-桩;3-桩基承台;4-上部建筑物;5-软弱层)图1 桩基持力层结构

(2)群桩桩基的沉降分析

基于群桩桩基的沉降分析主要是根据弹性理论、实体深基础、等效作用分层方式等为主。弹性理论就是要对桥梁群桩基础的沉降条件展开全面深入分析和研究,以位移法、应力法等条件作为基础进行,还要结合简化的弹性理论计算确定位移变化的施加情况,把桩体结构侧向摩擦力看做是线性变化的形式,再进行单桩分析、叠加获取群桩分析的方法进行。实体深基础方式是进行承台下群桩、土层结构等效分析的墩实体深基础的形式,在该墩基础的结构内,群桩在运行中并不会产生土体压缩性反应,并且通过扩展的计算方式来明确群桩沉降状况,防止计算过程存在数据偏差,可以假设实体基础底面关系,了解沉降可以压缩的概率,并且要详细计算和分析桩基础周围发生剪力变化形式。等效作用分层方式主要是进行均匀土体群桩沉降、均匀负荷作用之下的矩形基础比值计算分析,得到计算结果之后就能够做好等代墩基础附加应力分析,以分层总和的方式了解群桩的沉降情况[4]。

3.2 公路桥梁桩基沉降的计算

公路桥梁项目的桩基沉降问题是无法从根本上消除,要想消除这些问题防止出现复杂、繁琐的情况,则以土体力学变化情况展开分析,桩基础的沉降需要从土体流变、固结变形等方面出发,桩基沉降现象是刺入变形。在现场使用各种合适的测量设备可以了解应力变化情况,做好细节的观测工作,如果不能准确的掌握应力变化情况,分析变化关系,了解客观发展变化时局情况,并且构建相应的模型,以得到桩体周边土层真实应力关系。土体的桩基结构长期观测后了解到相应的规律,桩基沉降的发生要经过较长的时间,很多的公路桥梁在运营之后才会发生。因此,公路桥梁桩基沉降和时间存在直接的关系。桩基出现沉降变形的问题,有些原因是刺入变形问题,在检测环节要做好时间长度的分析,防止徐变、固结问题的发生。桩基沉降方式的过程中,桩端和两侧土体以“非线性”特点,土体塑性变化一般在达到极限承载力之后才会表现出来。按照桩侧摩阻力的分析研究发现,位移比较小的情况下,和摩阻力的大小是正比的关系,相对位移和摩阻力相差最大,容易导致移动问题发生。细长桩基结构形式来说,桩基周围土体超出极限参数,会出现滑移的情况,极易导致范围的扩大,桩基和桩基之间土体变形固结、变形等会和滑移范围变化是周期性变化,所以造成桩基发生刺入变形[5]。

3.3 选择正确的桩型及布局

路桥工程项目的桩基设计环节,首先要对现场情况展开全面调查,了解结构特性,分析桩基类型以及强度。目前在路桥工程项目中,可以选择的桩基类型比较多,比如预制桩、钻孔灌注桩等,经过多种桩基形式的对比分析,发现钻孔灌注桩的施工效果非常好。因为每个路桥项目所处自然环境,地质条件都不同,设计和施工人员应该从实际情况出发,选择最佳的桩基类型。在桩基布局的环节,如果选择应用单桩的施工方式,通过单桩沉降计算方法确定桩基设计方案。具体分析方法如下:(1)荷载传递分析法。根据规定荷载变形的情况展开分析,了解荷载对桩基的影响;(2)剪切变形法。假设桩间、桩侧土体没有发生任何的变化,也不会存在外力干扰作用,如果单桩出现沉降的情况,土体位置也会发生下移的情况,存在剪切的问题,受到剪切应力作用,造成剪切力减小。因此,单桩设计时,通过剪切力的分析方法确定桩径参数,根据剪切变形法来计算单桩桩径,有效的预防发生沉降问题。(3)弹性理论法。综合分析单桩受到的竖向作用力,了解该作用力和桩土之间的位移关系,从而分析桩体和土的作用关系。(4)单向压缩分层总和法。该方法是分析各层的相应参数,了解到各层的沉降量,从而得出沉降参数值。比如路桥项目采用群桩基础的形式,为了预防发生桩基沉降的问题,应该综合分析多方面因素。因为群桩基础承载力并不是单桩承载力相加后得到的,在沉降计算时,应该通过实体深基础法、分层总和法等。实体深基础法是通过扩展计算的方法得到群桩承载力参数,按照该数据进行群桩沉降计算,为了提高计算的精度,在计算要充分分析土体压缩变形、单桩剪切应力等作用。分层总和法应该先分层计算各层沉降量,考虑到单值沉降综合,在该过程中计算各层沉降量,确定各层压缩系数,但是也要分析地基沉降的情况。因为这一方法可以获取地基最终沉降值,根据该参数可以进行群桩设计优化与分析,促进桩基设计水平的提升,也能确保在桩体投入使用后发生严重的沉降问题,确保结构的整体性合格。

3.4 优化桥头抗震问题处理方法

我国的很多地区都是地震高发带,对于这些地区来说,一旦发生地震灾害,会给路桥工程产生很大的影响,所以必须要加强路桥工程的抗震设计,提升结构的稳定性与安全性。对于建设规模比较大的道路与桥梁工程来说,如果没有采取科学合理的抗震设计方案,发生地震之后结构损坏会非常的严重,进而引发严重的坍塌事故,造成的危害性是巨大的。目前广泛应用的抗震措施如下。

(1)设计人员在遵循总体设计标准和规范的要求,选择合适的桥位、桥型、孔径、道路线位等,尽量的避免在地震高发区进行建设,将构造物移动到相对稳定的区域。对于地震烈度较高的区域,为了提高安全性,要加强道路与桥梁工程的形式、尺寸的设计,防止发生突变的情况。

(2)设计人员加强对于道路和桥梁的抗震计算,各项参数达到科学性与合理性的要求,优化桥梁的重量,提高道路和桥梁的连接稳定性、可靠性,促进整体效果的提升。设计人员根据设计方案的要求,进行可靠性的评估与核算,确保符合国家标准要求,提高安全性。

3.5 完善共振问题处理方法

道路与桥梁工程建设施工中,共振的问题比较常见,也会给工程结构产生很大的危害和影响。为了能够更好的解决共振的问题,应做好如下工作。

(1)在确定设计方案的环节,应该综合分析各个方面要素,采取消除共振效应的措施,提高抗干扰性,降低共振效应发生率。在道路与桥梁的设计中,加强振幅的控制,可以通过减震器的布置方式减小共振频率,提高结构的安全性[5]。

(2)设计人员在进行共振波振幅与共振效应的设计环节,选择使用多种截面尺寸的形式,消除地震的干扰和影响,优化抗震结构设计方案,消除共振的问题,提高道路与桥梁运行的稳定性。

3.6 控制措施

在项目开展环节想要其实提升工程质量,需要先了解分析钻机技术特点,明确操作标准。从开钻、持续钻进、停钻后的中心开钻、地质条件变化后关注相应内容,然后以成孔技术进行管理和控制。且在施工环节落实清孔作业方式,在距离设计标高10 cm位置上开始清孔作业,将孔底全部清理干净。清孔工作结束后,安装钢筋笼,各个结构尺寸严格控制,垂直度、位置精度合格。此外,还需要按照基础工程的地基情况选择针对性的混凝土灌注方法,保证混凝土灌注的质量满足实际需要。一般而言,在混凝土灌注阶段要对施工工艺进行全面管控,同时还需要对混凝土的温度进行控制,避免温差过大出现的裂缝问题。

4 结 语

总而言之,在桥梁设计阶段对于桩基沉降问题要给予高度的重视,要通过设计方法的优化提高桥梁基础结构的稳定性以及安全性。且在项目施工环节按照沉降问题的原因,选择科学的处理方式,如此才能够推进工程项目的正常开展。