橋梁工程設計中的樁基沉降

張 磊，胡志強

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

橋梁工程設計中的樁基沉降

張 磊，胡志強

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

在橋梁工程設計中，樁基沉降問題一直是橋梁工程設計的關鍵問題。本文主要結合筆者多年工作經驗，闡述了橋梁工程設計中的樁基沉降問題。

橋梁；設計；樁基；沉降；群樁

1 單樁沉降計算理論

(1)沉降量組成

單樁受到荷載作用后，其沉降量由下述三部分組成：①樁本身的彈性壓縮量；②由于樁側摩阻力向下傳遞，引起樁端下土體壓縮產生的樁端沉降；③由于樁端荷載引起樁端下土體壓縮產生的樁端沉降。1995年版的《樁基工程手冊》與史佩棟主編的《實用樁基工程手冊》均是上述意見，沉降量應該還包括一部分，即由樁土的相對滑移引起的樁端刺入量。因為一般樁端位置也有側摩阻力，有側摩阻力就有樁土相對滑移。但樁土的相對滑移的確較小。

(2)單樁沉降計算

單樁沉降計算方法主要有荷載傳遞分析法、彈性理論法、剪切變形傳遞法等。

①荷載傳遞分析法也稱傳遞函數法，它是把樁劃分為許多彈性單元，每一個單元與土體之間用非線性彈簧聯系，以模擬樁-土間的荷載傳遞關系。荷載傳遞法的關鍵是確定傳遞函數的形式，有解析法和位移協(xié)調法兩種方法，具體不再詳述，可參考《樁基工程手冊》。

②彈性理論法。彈性理論法通常把樁分成若干個均勻的受載單元，通過樁上各單元的樁位移與鄰近土位移之間的協(xié)調條件從而獲得各單元受載大小的解。樁的位移由軸向荷載下樁身的彈性壓縮求得，土的位移則油Mindlin解計算在土體內部某一點作用一荷載時在土體內另一點所產生的位移求得。

③剪切變形傳遞法。Cooke(1974)提出了摩擦樁荷載傳遞物理模型。假定當荷載水平P/Pu較小時，樁在軸向荷載P作用下沉降較小，樁與土之間不產生相對位移，因此，樁沉降時周圍土體也隨之發(fā)生剪切變形，剪應力τ從樁側表面沿徑向向四周擴散到周圍土體中。剪切變形法采用的摩擦樁的荷載傳遞物理模型比較合理。彈性理論法很容易引入到對群樁的分析，因為它考慮到土的連續(xù)性，但剪切變形傳遞法想要引入到對群樁的分析比較困難，還需要對其可行性進行探討，對其方法進行深入研究。

(3)影響單樁沉降的因素

由彈性理論法得出的影響單樁沉降的因素：

影響單樁沉降的因素主要如下：①單樁沉降隨著L/d和K的增大而減小，亦即樁愈長和樁相對愈難壓縮，單樁沉降就愈小。②Eb/Es愈大，單樁沉降就愈小。即樁端土相對越難壓縮，沉降越小。③對于細長樁(即L/d較大)，樁端持力層性狀對單樁沉降影響較小。④在《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007-2002)中采用Mindlin方法計算樁基沉降，實際上并不是彈性理論分析方法，而是分層總和法，只是用Mindlin應力公式計算附加應力。但在Mindlin應力公式中并沒有Eb/Es的參數，因此樁端處持力土層的彈性模量與樁周土彈性模量之比值Eb/Es，在規(guī)范法計算時并不影響沉降大小，沉降結果只與樁端下土層的壓縮模量有關。

(4)單樁剛柔性分析

L/d愈小和K愈大，Eb/Es的變化對單樁的沉降影響就愈大，亦即剛性樁特性愈顯明顯；不僅樁身模量較低的攪拌樁表現出柔性樁的特性，而且樁身模量很大的常規(guī)樁隨著樁長的增大也會呈現柔性樁的特性(指單樁沉降與持力層性狀關系不大)；柔性樁與剛性樁的劃分主要取決于L/d和K。

2 群樁沉降計算

(1)群樁沉降。變形形狀是樁、承臺、地基土相互影響的結果。高承臺群樁，側摩阻力的荷載傳遞過程仍與單樁相近，即遵循隨著荷載增大側摩阻力從樁頂開始逐步向下發(fā)揮。

(2)群樁沉降影響主要因素。群樁沉降涉及的因素遠比單樁沉降多，例如群樁幾何尺寸的有關參數、施工工藝與流程、地基地質條件、荷載大小和持續(xù)時間，以及承臺型式等，對于影響沉降的主要因素，單樁與群樁兩者也不相同，前者主要受樁側摩阻力影響，而后者(群樁)的沉降在很大程度上與樁端以下土層的壓縮性有關，如圖1表示持力層下有軟下臥層時，單樁試驗承載力和變形能滿足設計要求，但群樁沉降就不一定能滿足設計要求，需要驗算。

圖1 單樁和群樁下壓縮層厚對比

(3)群樁沉降計算。已有的計算方法各有其特點和適用范圍，大致可分為：彈性理論法、等代墩基法、分層總和法、數值計算法等。目前在工程中應用較廣泛的樁基沉降計算方法，仍是把群樁作為假想的實體深基礎。計算出作用在樁端平面處的壓力p后，即可按土力學課中所述的分層總和法計算樁端下土的壓縮層厚度內的變形值，即作為樁基的沉降量，其計算步驟與淺基礎的沉降計算相同。許多工程實測證明，應用明德林解計算群樁沉降比布辛納斯克解更符合實際。但由于明德林解的計算方法復雜，故一直未能得到推廣應用。通過大量計算工作，《樁基規(guī)范》在明德林解與布氏解之間建立相關關系，引入“等效沉降系數“e”，并推薦一種稱為“等效作用面分層總和法”用以計算樁基沉降。該法既保留以布氏解為基礎的分層總和法簡單實用的優(yōu)點，同時又考慮明德林解合理的內容。

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2017-03-14

張磊(1985)，男，貴州納雍人，工程師，研究方向：橋梁工程設計。

U442

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：1008-3383(2017)06-0129-01