獨立基礎橫向承載力和撓度設計分析探討

張家源

（吉林省交通規(guī)劃設計院，吉林 長春 130021）

獨立基礎橫向承載力和撓度設計分析探討

張家源

（吉林省交通規(guī)劃設計院，吉林 長春 130021）

橋梁基礎設計作為結構設計的重要組成部分,合理的基礎設計不但能給上部結構提供安全保障,同時也可以節(jié)約工程造價和縮短工期?；A設計需滿足地基承載力、抗沖切、抗剪承載力及抗彎承載力要求。結合工作實踐經(jīng)驗對獨立基礎橫向承載力和撓度設計進行了論證分析，可為今后類似工程提供參考。

獨立基礎；橫向承載力；撓度；設計；分析

0　引　言

橋梁基礎是橋梁下部結構的組成部分，連接橋梁上部結構和地基?；A是人造的結構構件，在地面以上或地下施工?；A的作用是為橋梁結構提供支承，并在橋梁結構與地基之間傳遞荷載與能量。如果基礎的埋深大于基礎最大的平面尺寸，那么該基礎就是深基礎。當較淺的土層或巖層不足以承受上部結構的設計荷載時，就要采用深基礎，以較深的土層或巖層為持力層。某些特殊情況下選用深基礎是因為它比淺基礎更經(jīng)濟。與淺基礎相比，深基礎有許多優(yōu)點：深基礎以較深的地層為持力層，基底面積相對較小；在基底面積相同的條件下，與淺基礎相比，深基礎通?？梢猿惺芨蟮暮奢d；深基礎能夠利用性能良好的土層作為持力層，能夠抵抗較大的上拔力和橫向力，這些特點是淺基礎所不具備的。

1　橋梁深基礎的分類與選擇[1-3]

1.1常用的深基礎類型

樁基礎通常指沉入土體中的細長結構構件。然而，樁基(pile)常常作為一種廣義的術語，指代各種深基礎，包括沉入樁基礎、鉆孔樁基礎、沉井基礎或錨桿基礎。群樁(pilegroup)這一術語用來指代各種成組共同作用的深基礎。

1.2常用的橋梁基礎

橋梁基礎可以是獨立基礎、群基礎或組合基礎。獨立橋梁基礎通常包括獨立基礎、大直徑灌注樁基礎、沉井基礎、巖榫基礎以及錨碇基礎。群基礎包括沉井群基礎、沉入樁群樁基礎、灌注樁群樁基礎和巖榫群基礎。組合基礎包括沉井與沉入樁組合基礎。沉井與灌注樁組合基礎。大直徑管樁與巖榫組合基礎。擴展基礎與錨桿組合基礎以及錨碇與樁、錨桿組合基礎等。小型橋梁常采用小型基礎，如獨立基礎、鉆孔灌注樁基礎或者小型沉入式群樁基礎等。對大型橋梁，基礎可采用大直徑灌注樁基礎。各種群基礎。沉井基礎或組合基礎。如果基礎在水面上施工，那么要采用圍堰法對沉井基礎、大直徑鋼管樁基礎以及其他形式的基礎進行施工。橋梁基礎經(jīng)常在非常困難的地質條件下施工，如滑坡、可液化土體、濕陷性土體、軟土及高壓縮性土、膨脹土、珊瑚沉積土以及地下洞穴等。在這些條件下，應特別注意基礎類型選擇與設計。

1.3基礎分類

深基礎有不同的類型，可按以下條件進行分類：地質條件——基礎周邊的地質是土體或巖體。土體可能是細粒土或粗粒土：細粒土可能是軟土、稍硬土或堅硬土，粗粒土可能是松散土、中密土或密實土。巖體可能是沉積巖、火成巖或變質巖，可能是軟質巖、中硬巖或堅硬巖。土體和巖體中可能有原始缺陷和裂縫，如巖體中的節(jié)理、層理、滑移面以及斷層。水體條件也多種多樣，如河流、湖泊、水灣、海洋以及陸地上的地下水，在有些地方，還要考慮結冰及波浪的作用。安裝方法：樁基有錘擊沉入樁、現(xiàn)場澆筑樁、振動沉人樁、扭轉沉入樁、靜壓樁等，灌注樁有挖孔樁、鉆孔樁等，錨桿有鉆孔錨桿，沉井基礎有芝加哥式沉井（小型墩臺沉井）、支撐式沉井、貝諾托式沉井、開口式沉井、氣壓沉井、浮式沉井、閉口箱形沉井、波托馬克式沉井等。圍堰有板樁法、砂島法、泥漿攪 拌墻法、深層攪拌墻法等。以上方法可以組合施工。結構材料：基礎材料可以采用木材、預制混凝土、現(xiàn)澆混凝土、搗實的干硬性混凝土、灌漿混凝土、后張拉鋼筋、H形鋼、鋼管、復合材料等。地基效應：根據(jù)對周圍土體擾動的大小，樁基可分為排土樁、低排土樁和非排土樁。沉入的預制混凝土樁和下端帶管塞的鋼管樁都是排土樁，H形鋼樁和下端不帶管塞的鋼管樁都是低排土樁，鉆孔灌注樁是非排土樁。

2　橋梁深基礎設計依據(jù)

2.1設計概念

現(xiàn)在的基礎設計主要采用兩種設計概念，即容許應力法和極限狀態(tài)法。容許應力法要分別計算荷載產(chǎn)生的應力和基礎的極限應力。如果荷載產(chǎn)生的應力小于極限應力，就認為基礎是安全的。計算極限應力時，通常考慮安全系數(shù)2或3，以確定荷載的容許值，限制基礎的位移。為確定基礎及橋梁的容許位移，通常要對位移進行單獨分析。容許應力法依然是基礎設計中最常用的方法。最初，極限狀態(tài)法在大型橋梁設計中使用，這種方法要求基礎和上面的橋梁結構在超過某些極限狀態(tài)時，仍然能夠實現(xiàn)某些性能要求。橋梁的倒塌是一種極限狀態(tài)，設計中將荷載和承載能力分別乘以各種系數(shù)，以確保這種極限狀態(tài)是一個非常小的概率事件。設計要確保基礎在達到極限狀態(tài)之前能夠維持結構的整體性，這樣結構在遭遇到某種大的荷載作用事件時，基礎不必重建，橋梁可以在相對較短的時間內得到修復。

2.2設計承載力

2.2.1長期承載力和短期承載力

根據(jù)不同的荷載類型，基礎有兩種不同的應力狀態(tài)。全應力下的承載力對應于相對迅速加載以及不排水條件。有效應力下的承載力對應于緩慢加載以及排水條件。許多粒狀土（如礫石土和砂土等）在大多數(shù)荷載條件下的排水承載力和不排水承載力相當接近。通常假定樁基在地震作用下的承載力比在靜荷載作用下的承載力大30%。

2.2.2軸向、橫向和抗彎承載力

深基礎能提供橫向承載力以抵抗傾覆彎矩和橫向力作用，也能提供軸向承載力以抵抗軸力作用。群樁的抗彎承載力來自于單樁的軸向承載力以及樁與樁帽之間的相互作用，其大小取決于單樁的軸向承載力、樁的布置形式、樁帽的剛度以及樁和樁帽之間連接的剛度。設計和分析常常集中于單樁的軸向和橫向承載力。

2.2.3結構的承載力

基礎構件的失效可能會引起深基礎的失效。所有的基礎構件設計都要滿足在各種設計荷載以及環(huán)境條件下，能夠承受彎矩、剪力、軸力以及不發(fā)生屈曲破壞、腐蝕破壞和疲勞破壞。

2.2.4承載力的確定

深基礎設計的概念和一般過程，詳細設計包括確定單樁的軸向和橫向承載力以及群樁的承載力。現(xiàn)在有多種方法確定以上承載力，這些方法可以分為以下三大類：（1）利用巖土力學理論進行理論分析；（2）經(jīng)驗方法，包括利用標準現(xiàn)場測試進行經(jīng)驗分析、規(guī)范方法以及當?shù)亟?jīng)驗等；（3）荷載試驗，包括足尺荷載試驗、動力沉樁和打擊阻抗試驗。應當根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)、經(jīng)濟性以及其他約束條件來選擇承載力的確定方法。通常會同時采用好幾種方法，經(jīng)綜合評估和修正后得到基礎的承載力。運用以上方法時，設計人員要牢記基礎的承載力是所有構件承載力之和?；A各個構件之間、基礎周圍的土體以及基礎與土體的界面都應當符合變形協(xié)調條件?；A的沉降應當限制在容許值之內，這通常是大型基礎的設計控制條件。

3　獨立基礎軸向承載力及撓度

深基礎的軸向承載力包括端部承載力（Qend）、側面承載力(Qside)和基礎的有效重力（Wpile）o端部承載力是基礎端部附近或下方土體的壓縮承載力。側面承載力包括沿基礎側面作用的摩阻力、粘聚力和銷栓力?；A受到軸向壓力時，基礎重力的影響通常被忽略，因為它幾乎等于挖掉的土體的重量。但基礎受到軸向上拔力時，則應當考慮基礎的重力作用。

側面和端部承載力與樁的位移相關。只有在樁產(chǎn)生較大的向下位移之后，才能實現(xiàn)最大的端部承載能力；然而，側面承載力在樁產(chǎn)生相對較小的向下位移后就能達到最大值。樁身的軸向位移越靠近頂部越大，越靠近底部越小。側面承載力取決于位移的大小，其大小通常沿樁身呈不均勻分布。如果樁身很長，側面承載力不會沿樁身同時達到最大值。

采用容許應力法進行設計時，樁的容許承載力是樁在正常使用條件下的設計承載力。將樁的極限承載力除以安全系數(shù)就得到樁的容許承載力，這樣可以限制樁的沉降，并考慮了材料、安裝、荷載計算以及其他各種不確定因素的影響。對深基礎，根據(jù)估算的極限承載力的可靠性，其安全系數(shù)通常在2～3之間取值。如果在現(xiàn)場進行了足尺荷載試驗，那么安全系數(shù)通常取2。

基礎的橫向承載力就是抵抗由于縱向力和作用在基礎頂?shù)膬A覆力矩引起的橫向撓度的能力。對于獨立基礎，橫向抵抗力來自三個方面：側向土壓力，基底剪力，支座端面的非均勻分布壓力。對于長樁，側向土壓力是基本的橫向抗力。

3.1BROMS設計法

BROMS提出了一種估算樁的極限橫向承載力的方法。假設樁短且剛性僅考慮剛性平移和轉動運動，只計算樁的極限橫向承載力。該法假設粘性和無粘性土壤的極限橫向壓力分布；并根據(jù)圖1和圖2中關于極限橫向壓力假設的注解，用不同的頂層剛性情況計算樁的橫向承載力。由于假設的局限性，通常應用BROMS法初步估算樁的極限橫向承載力。

圖1　上端自由、剛性短樁的極限荷載情況

圖2　上端固定、剛性短樁的極限荷載情況

3.1.1極限橫向土壓力

沿著樁長計算極限橫向壓力qh,u：

對于黏性土：qh,u=9cu

式中：Cu為土壤的剪力強度；Kp為被動土壓力系數(shù)；p'0為等效覆蓋層壓力。

將獲取到的生命體征數(shù)據(jù)按照格式要求填充至輸入張量（tensor）中，將輸入數(shù)據(jù)與權值相乘，再與偏移值相加，經(jīng)過兩個隱藏層后，再通過ReLU 變換和Softmax 層得到最終輸出變量，在進行梯度下降函數(shù)求解過程中，將會采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型的輸出結果作為其輸入，保證梯度下降函數(shù)的最優(yōu)。

3.1.2上端自由的極限橫向承載力

上端自由的樁的極限承載力p。用下面的公式計算：

式中：L為樁的埋置長度；H為橫向力合力在地表以上的距離；B為樁的直徑；L’為從地表以下1.5B的深度，測量樁的埋置長度；L'0為地表以下1.5B的深度測量轉動中心深度；Lo為轉動中心的深度；

3.1.3上端固定的極限橫向承載力

上端固定狀態(tài)的樁的極限承載力p。用下面的公式計算：對于黏性土：pu=9cuB（L-1.5B）對于非黏性土：pu=1.5γ'BL2K

3.2橫向承載力的p-y偏移法

p-y法是分析樁橫向受力的一種最為普通的方法，其中，根據(jù)溫克爾假設，樁的橫向撓度的土反力按照局部的非線性彈性處理。把樁模擬為一根支撐在變形地基上的彈性梁。p-y法具有多種用途，可以用來解決包括不同的土類、層狀土、非線性土性能和不同的樁材料、橫截面以及不同的樁端連接方式等問題。

3.2.1分析模型和基本方程

橫向荷載作用下，樁的分析模型與p-y曲線見圖3。

圖3　橫向荷載作用下采用p-y曲線對樁的分析模型

梁變形地基問題的基本方程可以表達為：

式中：y為樁上石點的橫向撓度；EI為樁的彎曲剛度；Px為梁柱的軸向力；p為單位長度上的土反力；q為橫向分布荷載。

下面的關系式還適用于邊界條件的研究：

式中：M為彎矩；Q為梁柱的剪力；θ為樁的轉角。

在橫向荷載作用下p-y法是分析樁的重要工具。通?？梢垣@得一個合理的結果。求解上述的方程需要用有限差分法或其他方法，由于迭代的復雜性，一般需要計算機編程運算。值得注意的是，溫克爾假設忽略連續(xù)介質的整體作用。一般地，如果土的性質像某種連續(xù)介質，加載時，某點的撓度會影響到其他點的撓度。

4　結　語

本文簡要介紹了柱下獨立基礎的橫向承載力和撓度設計驗算方法，獨立基礎因其計算簡便、形式簡單、經(jīng)濟節(jié)約、傳力直接、施工方便等優(yōu)點被廣泛用于工程建設中。但是在實際工程設計中還要考慮防水、抗震等諸多因素。確定地基承載力是一項比較復雜的工作,在實際工程中可采用現(xiàn)場載荷試驗的方法,可以取得較為精確可靠的地基承載力特征值來進一步驗證設計的科學及合理性。進行現(xiàn)場載荷試驗,需要相應的試驗費用和時間,但是采用現(xiàn)場載荷試驗成果進行設計計算,不僅安全可靠,而且現(xiàn)場載荷試驗得到的地基承載力值往往高于采用其他方法得到的地基承載力值,從而可以節(jié)省地基基礎工程方面的投資,因此是值得做的。

[1]劉純薈.獨立基礎常見設計問題 [J].建筑技術開發(fā),2013(3): 34-35,59.

[2]李鵬舉,馮仲齊,李偉.雙柱獨立基礎的計算理論探討及其有限元分析[J].四川建筑科學研究,2013(3):107-111.

[3]吉紀全,朱亮,尤志清.獨立基礎中基礎系梁的設計方法及技術措施[J].四川建筑,2015(2):155-156.

U445.55

A

1009-7716（2016）11-0052-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.014

2016-06-28

張家源（1982-），男，吉林長嶺人，工程師，從事路橋設計工作。