橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降研究

摘要：本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，分析了各類橋梁樁基沉降的設(shè)計(jì)方法與適用性，以此希望對樁基沉降設(shè)計(jì)方法的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用能有所參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：公路橋梁工程;樁基沉降;設(shè)計(jì)方法

引言

在公路橋梁工程的基礎(chǔ)選擇時，樁基礎(chǔ)由于沉降穩(wěn)定、承載力高以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在公路橋梁設(shè)計(jì)施工中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于樁基礎(chǔ)同時屬于復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)，關(guān)于樁基沉降的設(shè)計(jì)方法仍處于半理論、半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)。目前，應(yīng)用于公路橋梁工程中樁基沉降的設(shè)計(jì)方法種類較多，但都有著各自的適用范圍與局限性。

一、公路橋梁工程中實(shí)施樁基沉降設(shè)計(jì)的意義

當(dāng)前，在公路橋梁工程尤其是大型和特大型的橋梁中，樁基礎(chǔ)以其良好的性能得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于樁基形式的多樣性，各地區(qū)地質(zhì)條件的差異性，以及樁體與土體相互作用機(jī)理的復(fù)雜性，都給公路橋梁工程中樁基沉降的設(shè)計(jì)與計(jì)算帶來了很大的難度。因此，有必要系統(tǒng)的了解各類樁基沉降設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)與適用性，以有助于在實(shí)際工程中選擇適宜的設(shè)計(jì)方法。

二、單樁的沉降設(shè)計(jì)分析方法

單樁受到樁頂荷載作用以后，其沉降主要是樁身壓縮，樁側(cè)阻力所造成的樁端沉降，樁端荷載所造成的樁端沉降這幾種因素所構(gòu)成。目前，在公路橋梁工程實(shí)踐中，單樁沉降的設(shè)計(jì)方法主要包括了荷載傳遞法、彈性理論法以及剪切變形法等等。

1、荷載傳遞法

荷載傳遞法也被為傳遞函數(shù)法，最初是由美國學(xué)者Seed等人所提出的。該方法的基本原理是將單樁細(xì)分為多個小的彈性單元，見下圖1所示。從圖中可看出，每個單元和土體之間都存在非線性關(guān)系，通過這一關(guān)系也可模擬得出土體與單樁之間的荷載傳遞關(guān)系，且樁端的阻力也可利用該非線性關(guān)系進(jìn)行模擬。這些非線性彈簧的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系即可表示樁端阻力τ與樁端沉降s之間的關(guān)系，這些關(guān)系即為傳遞函數(shù)。

圖1" 荷載傳遞法模型示意圖

如上圖1所示，由樁體任意一個單元體的靜力平衡條件，可得到：

d²s/dz²=[Uτ/E_pA_p]（z）（1）

在式（1）中，U為單樁的截面周長，單位為m;Ap為樁的截面積，單位為m²;Ep為樁的彈性模量，單位為MPa。式（1）即為傳遞函數(shù)法的基本微分方程，求解該方程即可得到單樁頂荷載與沉降關(guān)系曲線、樁身荷載沿樁身的分布曲線以及樁側(cè)摩擦力沿樁身的分布曲線。荷載傳遞法因其直觀、簡單的特點(diǎn)，在公路橋梁樁基沉降設(shè)計(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但由于該方法是單樁—土體的靜力荷載試驗(yàn)所獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，來反推算樁側(cè)摩擦力以及樁底反力的分布曲線和分布規(guī)律情況，因此該方法其實(shí)質(zhì)是一種經(jīng)驗(yàn)方法，并不能從理論上直接得出單樁軸向位移和樁側(cè)摩擦力之間的曲線關(guān)系。

2、彈性理論法

彈性理論法主要包括了Poulos彈性理論和Geddes理論法。以常用的Geddes理論法為例，它是以半無限彈性體內(nèi)作用于一集中力為理論，從而將作用于單樁端部的壓應(yīng)力簡化為一個集中荷載，將作用于樁周圍土體的剪應(yīng)力簡化為沿著樁軸線的集中力，再將側(cè)阻力沿樁深度方向進(jìn)行矩形和三角形分解。于是，單樁端部的集中壓應(yīng)力，呈矩形和呈三角形分布的樁側(cè)阻力可分別表示為：

σ_zp=Q_ph²/K_p（2）

σ_zr=Q_rh²/K_r（3）

σ_zt=Q_th²/K_t（4）

在上式中，h是指樁體的入土深度;Q分別指單樁端部的集中壓應(yīng)力，呈矩形和呈三角形分布的樁側(cè)阻力的荷載值;K則分別指以上三種力作用在土中任意一點(diǎn)豎向的應(yīng)力系數(shù)。彈性理論法的特點(diǎn)是考慮到土體的連續(xù)性，分析結(jié)果也較為準(zhǔn)確，還可用于群樁的設(shè)計(jì)分析，因此有著較為廣泛的應(yīng)用。但由于彈性理論法將地基看作為一均勻和各向同性的理想彈性體，而忽略了工程實(shí)際存在的時間效應(yīng)與應(yīng)力效應(yīng)，因此仍需要進(jìn)一步完善。

3、剪切變形法

剪切變形法即是首先假定樁土間不發(fā)生相對位移、樁側(cè)土體上下層之間沒有相互作用，以及忽略樁端阻力，即假定樁的沉降主要是由樁側(cè)荷載傳遞所引起的。剪切變形法的樁身荷載傳遞模型，見下圖2所示。

圖2" 剪切變形法的樁身荷載傳遞模型

在上圖2中，通過對沿樁側(cè)土體單元ABCD的分析可知，當(dāng)單樁出現(xiàn)一定距離的沉降s以后，土體也會隨之出現(xiàn)沉降，并發(fā)生剪切變形到A'B'C'D'位置，并將剪切應(yīng)力傳遞到鄰近單元B'C'F'E'，這個傳遞過程是連接沿著徑向向外傳遞的。當(dāng)傳遞到x點(diǎn)（距離樁中心軸rm處）時，在該點(diǎn)區(qū)域的剪切應(yīng)變值已很小，計(jì)算中可省略。我們可以假設(shè)該區(qū)域發(fā)生的剪切應(yīng)變均為彈性性質(zhì)，則其剪切應(yīng)變和剪切應(yīng)力之間呈正比例關(guān)系。由于距離樁軸r處的土體單元的豎向位移為s，其水平位移很小，在計(jì)算中可忽略，則土體單元的剪應(yīng)變和剪應(yīng)力分別為：γ=D_s/d_r，τ=G_sd_s/d_r。其中G_s為土體的剪切模量。如果土體單元長度為a，樁側(cè)阻力為q_n，樁半徑為r₀，則根據(jù)平衡條件，可得到：

S=（τ₀r₀/G_s）lnr_m/r₀（5）

在式（5）中，S為樁側(cè)沉降量，r_m為單樁的影響半徑。剪切變形法的特點(diǎn)是能夠較為準(zhǔn)確的對深長單樁的沉降問題進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但由于該方法忽略了地基分層因素、土體參數(shù)變化因素、樁端沉降因素等諸多因素的影響，在公路橋梁工程的實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)用偏少。

三、群樁的設(shè)計(jì)分析方法

群樁沉降的性狀與單樁有著明顯的不同，它需涉及到更多的因素，包括了樁間距離、樁長比值、群樁數(shù)目等等。在公路橋梁工程中，群樁基礎(chǔ)的沉降設(shè)計(jì)計(jì)算，一直是一個難點(diǎn)問題，尤其是大型和特大型的橋梁工程群樁基礎(chǔ)的沉降設(shè)計(jì)更是如此。近年來，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算的飛速發(fā)展，為解決群樁的設(shè)計(jì)問題提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，用于群樁沉降的設(shè)計(jì)方法主要有彈性理論法、等效作用分層總和法、等代墩基法、原位測試估算法以及其它簡化方法等。

在本文中，主要分析了分層總和法，該方法也是《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）中建議采用的方法。分層總和法是采用群樁的Mindlin位移解與實(shí)體深基礎(chǔ)的Boussinesq解的比值，來修正實(shí)體深基礎(chǔ)的基底附加應(yīng)力，然后再按照分層總和的方式來計(jì)算群樁的沉降值，主要適用于樁間距≤6d的群樁基礎(chǔ)。

分層總和法可假定群樁基礎(chǔ)為一實(shí)體基礎(chǔ)，而不考慮樁基礎(chǔ)的側(cè)面應(yīng)力擴(kuò)散作用。將承臺底面的長度與寬度可看作是實(shí)體基礎(chǔ)的長與寬，即實(shí)體基礎(chǔ)的基底邊長取承臺底面邊長（Ac、Bc）;而且作用在實(shí)體樁端面的附加應(yīng)力，可以近似的等于承臺底部的平均附加應(yīng)力，其應(yīng)力分布可采用均質(zhì)直線的變形理論，，則樁基沉降量可用下列方程表示：

s=ψψ_es'""""""""" （6）

在上式（6）中，s為樁基的最終沉降來那個，單位為mm;s'為分層總和法計(jì)算得出的樁基沉降量，單位為mm;ψ為樁基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)下表1中的要求取值，也可根據(jù)當(dāng)?shù)乜煽拷?jīng)驗(yàn)取值，對于采用后澆漿施工工藝的灌注樁，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)應(yīng)乘以0.8的折減系數(shù)，當(dāng)飽和土采用預(yù)制樁時，則應(yīng)根據(jù)樁距、土質(zhì)、成樁速度和順序等因素，乘以1.3～1.8的擠土效應(yīng)系數(shù);ψ_e為樁基等效沉降系數(shù)，ψ_e=C₀+（n_b-1）/[C₁（n_b-1）+C₂，其中n_b為矩形布樁時的短邊布樁數(shù)目，C₀、C₁、C₂分別為群樁（長、寬、總樁數(shù)）的比值所得到的參數(shù)值，可根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的專門表格進(jìn)行查詢。

分層總和法的特點(diǎn)是計(jì)算方法簡單，工程原理成熟，因此在公路橋梁工程中應(yīng)用較為廣泛。但由于分層總和法將每一壓縮層需劃分為很多細(xì)層，并以此確定壓縮層的深度，因此缺乏嚴(yán)格的比較基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果也容易存在誤差和重復(fù)性差異。

結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，著重分析了各類橋梁樁基沉降設(shè)計(jì)方法的具體應(yīng)用情況，針對目前各種橋梁樁基沉降設(shè)計(jì)方法的局限性，建議我國廣大學(xué)者加強(qiáng)對各類樁基試驗(yàn)的研究，以切實(shí)弄清樁體—土體之間的相關(guān)作用關(guān)系，并提高樁基設(shè)計(jì)計(jì)算方法的通用性與精確性，從而實(shí)現(xiàn)公路橋梁工程中樁基設(shè)計(jì)質(zhì)量的全面提升。

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