公路橋梁工程設(shè)計(jì)中的樁基沉降研究

公路橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載通常較大，采用后期質(zhì)量穩(wěn)定、承載能力高的鉆孔灌注樁通常成為絕大多數(shù)公路橋梁工程首選的形式。公路橋梁樁基沉降的設(shè)計(jì)是否適用于工程，對(duì)工程造價(jià)、質(zhì)量、工期及工程的后期使用壽命影響很大。筆者結(jié)合工作實(shí)踐.對(duì)樁基沉降在設(shè)計(jì)中的應(yīng)該注意的一些問題進(jìn)行初步研究。

1、正確區(qū)分端承樁和摩擦樁等樁基類型

通常根據(jù)樁基礎(chǔ)根據(jù)其在土中受力情況不同，我們把樁基分為端承樁和摩擦樁。

端承樁是指穿過軟弱土層而達(dá)到深層堅(jiān)實(shí)土的一種樁，其上部結(jié)構(gòu)荷載主要由樁尖阻力來承擔(dān)；然而摩擦樁是完全設(shè)置在軟弱土層一定深度的一種樁，上部結(jié)構(gòu)荷載要由樁尖阻力和樁身側(cè)面與土之問的摩擦力共同來承擔(dān)。實(shí)際上，大量現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明：樁側(cè)阻力、端阻力的發(fā)揮性狀與上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質(zhì)和嵌巖深徑比、樁底沉渣厚度等因素有關(guān)。

2、單樁的沉降分析計(jì)算

2.1荷載傳遞分析法

荷載傳遞分析法是單樁荷載一變形分析最常用的一種方法，這種方法是從規(guī)定的荷載變形傳遞方式來計(jì)算樁對(duì)荷載的反應(yīng)。其基本的概念是：將樁離散為一系列等長的樁段(彈性單元)，每一樁段與土之間的聯(lián)系用非線性彈簧來模擬，樁端處土體也用非線性彈簧與樁端聯(lián)系。

在運(yùn)用荷載傳遞曲線中，該法假定任意點(diǎn)的樁位移僅與那一點(diǎn)的摩阻力有關(guān)，而與樁其它位置的摩阻力無關(guān)，故沒有考慮土體的連續(xù)性，所以對(duì)分析樁群的荷載沉降關(guān)系是不合適的。

為了獲得現(xiàn)場(chǎng)的荷載傳遞曲線，需要安裝許多的儀器進(jìn)行樁的荷載試驗(yàn)，且試驗(yàn)成果推廣到另外場(chǎng)地并不一定是完全成功的。

2.2剪切變形傳遞法

Cooke(1974)提出了摩擦樁荷載傳遞的物理模型，該模型為了簡化計(jì)算，作了一系列假定并認(rèn)為：當(dāng)荷載水平p／pu較小時(shí)，樁在軸向荷載尸作用下沉降較小，樁土之間不產(chǎn)生相對(duì)位移，亦即樁沉降時(shí)周圍土體亦隨之產(chǎn)生剪切變形，剪應(yīng)力從樁側(cè)表面沿徑向向四周擴(kuò)散到周圍土體中；摩擦樁一般在工作荷載作用時(shí)，樁端承擔(dān)的荷載比例較小，沉降主要是由樁側(cè)傳遞的荷載所引起。

2.3彈性理論法

彈性理論法是對(duì)柱土系統(tǒng)用彈性理論方法來研究單樁在豎向荷載作用下樁土之間的作用力與位移之間的關(guān)系，進(jìn)而得到樁對(duì)土，土對(duì)樁，樁對(duì)樁以及土對(duì)土的共同作用模式。以彈性理論法為根據(jù)發(fā)展出一些計(jì)算單樁沉降的方法，這些解法雖略有不同，但一般都基于樁的位移與臨近土位移的協(xié)調(diào)條件，為此，借助于軸向荷載下樁身的壓縮求得樁的位移，又應(yīng)用荷載作用于半無限體內(nèi)某一點(diǎn)所產(chǎn)生的Mindlin位移解求得樁周土體的位移。由于彈性理論假定樁土界面普遍滿足彈性即界面不發(fā)生滑移這一條件，沿界面諸相鄰點(diǎn)的樁位移應(yīng)與土位移相等，由此即可求得樁身摩阻力和樁端阻力的分布，并進(jìn)而求得樁的位移分布。

2.4單向壓縮分層總和法

單向壓縮分層總和法就是根據(jù)各土層的參數(shù)分別計(jì)算各層的沉降后總和求得總的沉降量。這種淺基礎(chǔ)的最終沉降量的常用計(jì)算方法在樁基設(shè)計(jì)中，主要用于大直徑的的單樁(墩)，考慮到其樁側(cè)阻力的荷載分擔(dān)比相對(duì)較小，樁端底面積大且其荷載分擔(dān)比也較大，因此可仿照擴(kuò)展基礎(chǔ)采用單向壓縮分層總和法計(jì)算沉降。當(dāng)用以計(jì)算深基沉降的其它條件相同時(shí)，用明氏應(yīng)力分布求得的最終沉降與實(shí)側(cè)推算結(jié)果較為接近；而用布氏公式算得的值要比實(shí)測(cè)值大1／2至1／3，并且給出的實(shí)用應(yīng)辦計(jì)算公式及附加應(yīng)力系數(shù)表格。用分層總和法分析單樁沉降時(shí)，要考慮壓縮層的計(jì)算深度，可參照文獻(xiàn)的有關(guān)規(guī)定確定，或按照一些實(shí)甩的經(jīng)驗(yàn)公式確定。

3、群樁的沉降分析計(jì)算

3.1彈性理論法

彈性理論法群樁沉降分析的塞本假定與單樁相同，其主要依據(jù)是MindIin解的位移與應(yīng)力解，以此為基礎(chǔ)形成位移法和應(yīng)力法，此外還發(fā)展了一種簡化彈性理論位移法，以位移解為基本解，但采用應(yīng)力法中關(guān)子樁側(cè)摩阻力為線性的假定，疊加法是比較成熟和應(yīng)用較廣的一種簡化方法，詳細(xì)闡述了其原理和計(jì)算過程，該法在忽略樁對(duì)土位移的加強(qiáng)效應(yīng)簡單的假定基礎(chǔ)上，把單樁的分析擴(kuò)展到樁群，

3，2實(shí)體深基礎(chǔ)(等代墩基)法

實(shí)體深基礎(chǔ)法是現(xiàn)在工程界應(yīng)用最廣泛的一種計(jì)算群樁沉降的方法該計(jì)算模式是將承臺(tái)下的群樁及樁間土看作一個(gè)等效墩基的一個(gè)實(shí)體深基礎(chǔ)，在此等代墩基范圍內(nèi)，樁間土不產(chǎn)生壓縮如同實(shí)體墩基一樣工作，然后按照擴(kuò)展基礎(chǔ)的沉降計(jì)算方法來計(jì)算群樁的沉降。

由于計(jì)算時(shí)考慮的前提條件不同，研究者提出和使用著計(jì)算的不同模式，其主要差別在于選用的假想實(shí)體基礎(chǔ)底面的位置不同，以及對(duì)地基土中附加應(yīng)力的考慮和計(jì)算不同根據(jù)樁距地基土的性質(zhì)不同，樁間土實(shí)際上是會(huì)產(chǎn)生不同程度的壓縮變形，另一方面假想的實(shí)體基礎(chǔ)外圍存在著側(cè)面剪應(yīng)力的擴(kuò)散作用為了消除這些差別對(duì)群樁沉降計(jì)算的影響人們采取了一些措施，集中表現(xiàn)在所采用的模式上。這些措施是：

1.變動(dòng)假想實(shí)體基礎(chǔ)底面的位置，以考慮樁間土存在壓縮變形的可能，這是Peck和Terzaghi等人建議的模式Peck等建議將假想實(shí)體基礎(chǔ)底面置于樁端平面以上高度處，取為樁長的1／3處(樁位于均勻并土中時(shí))或進(jìn)入持力層深度的1／3(柱穿過軟弱土層并進(jìn)入堅(jiān)硬土層時(shí)]這種建議涉及的影響因素過于單一，因?yàn)榧傧牖孜恢蒙仙囊蛩睾芏?，采用此法不能全面反映這些情況。

2.從群樁樁頂外圍按一定斜率(例如角或1：4斜率)向下擴(kuò)散增大假想實(shí)體基礎(chǔ)底面積，以考慮樁群外圍總剪應(yīng)力對(duì)沉降分析的影響，這是TonlLLnson等人的模式。

3.為了改善地基土附加應(yīng)力估計(jì)的精度，近年來國內(nèi)外根據(jù)半無限彈性體內(nèi)集中力的Mindlin公式發(fā)展了一些估計(jì)樁基荷載作用下地基土附加應(yīng)力的方法，還有一種將Mindlm解與Boussinesq解對(duì)比來估計(jì)等代墩基的等效基底附加應(yīng)力。

3.3等效作用分層總和法

等效作用法最早由黃強(qiáng)，劉金礪，(1940)提出，隨后被健既樁基技術(shù)規(guī)范推薦采甩此法系將均質(zhì)土中群樁沉降的Mindlin解與均布荷載下矩形基礎(chǔ)的Boussinesq解之比值用以修正等代墩基的基底附加應(yīng)力，然后按一般分層總和法計(jì)算群樁的沉降。

4、結(jié)論

本文對(duì)目前公路橋梁工程設(shè)計(jì)中的柱基的沉降計(jì)算理論進(jìn)行了分析，包括單樁和群樁的沉降分析，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了論述，但應(yīng)該注意，在實(shí)際中，要采用何種理論要看實(shí)際的情況而定。