公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問題研究

何玉柱 （安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

根據(jù)相關(guān)規(guī)程了解到，公路橋梁工程雖然一定會(huì)出現(xiàn)沉降問題，但是要避免過快沉降、不規(guī)則沉降、傾斜沉降的現(xiàn)象，否則就可以判定工程質(zhì)量存在缺陷，因此應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)此進(jìn)行管控。眾所周知，公路橋梁工程沉降現(xiàn)象的產(chǎn)生原因在于橋梁結(jié)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)荷載與地基承載力之間的關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)控制措施當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)從此兩者之間的關(guān)系著手，探討有效的控制措施并加以實(shí)用。

1 公路橋梁各類樁基沉降形成原理

介于工程本身壓力與地質(zhì)環(huán)境承載力之間關(guān)系的不同表現(xiàn)形式，會(huì)產(chǎn)生過快沉降、不規(guī)則沉降、傾斜沉降等現(xiàn)象，對(duì)此下文將分析其中原理。

1.1 過快沉降原理

過快沉降是指公路橋梁工程樁基在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大幅度的沉降現(xiàn)象，代表工程項(xiàng)目的使用壽命較短。造成這種現(xiàn)象的原理很簡(jiǎn)單，即公路橋梁工程的樁頂力超過地基承載力太多，所以在短時(shí)間內(nèi)才會(huì)出現(xiàn)大幅度沉降，沉降的具體速度由樁頂力與地基承載力之間的差值決定，差值越大沉降速度就遠(yuǎn)大。當(dāng)出現(xiàn)過快沉降現(xiàn)象時(shí)，公路橋梁工程的設(shè)計(jì)標(biāo)高會(huì)迅速下降，而在下降過程當(dāng)中介于多種力學(xué)因素，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定，使得橋梁主體結(jié)構(gòu)坍塌。

1.2 不規(guī)則沉降原理

不規(guī)則沉降是指公路橋梁工程所有樁基的沉降速度、程度、角度等方面不相同，存在超出合理范圍的差值現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，就說(shuō)明公路橋梁工程樁基的高度、角度不統(tǒng)一，那么介于此類工程的體長(zhǎng)特點(diǎn)，很容易導(dǎo)致局部崩裂、斷裂等現(xiàn)象，是一種危害極大的影響。造成不規(guī)則沉降的原因很多，例如上述（1.1過快沉降）就是一種可能在沉降中因?yàn)槠渌蛩馗蓴_就出現(xiàn)不規(guī)則沉降的原因，但不規(guī)則沉降也會(huì)直接出現(xiàn)，即在公路橋梁工程所有樁基的條件下，如果兩個(gè)樁基的重力與地質(zhì)土體之間的應(yīng)力差值超出了合理范圍，那么就會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則沉降現(xiàn)象。

1.3 傾斜沉降原理

傾斜沉降是指公路橋梁工程樁基在沉降過程當(dāng)中出現(xiàn)了傾斜現(xiàn)象，在此現(xiàn)象之下，樁基的穩(wěn)定性會(huì)受到極大的破壞，很容易造成公路橋梁工程坍塌問題。傾斜沉降的形成原理與不規(guī)則沉降類似，但其屬于單體樁基的局部“不規(guī)則沉降”，在單體樁基條件下，如果樁基一側(cè)土體承載力較弱，另一側(cè)較強(qiáng)，此時(shí)介于應(yīng)力之間的關(guān)系，樁基就會(huì)倒向承載力較弱的一側(cè)，形成傾斜沉降現(xiàn)象。另外，傾斜沉降現(xiàn)象還會(huì)因?yàn)橐恍┩饬Ω蓴_出現(xiàn)，通常這些外力為橫向外力，當(dāng)橫向外力對(duì)樁基造成重大沖擊時(shí)，就會(huì)引發(fā)傾斜沉降。下圖為傾斜沉降示例。

橋梁樁基不均勻沉降

2 公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問題

2.1 地質(zhì)環(huán)境勘察工作不足

理論上為了保障公路橋梁工程的樁基穩(wěn)定，在正式設(shè)計(jì)之前有必要對(duì)實(shí)地環(huán)境進(jìn)行勘察，以此了解橋位處地基的物理力學(xué)性能情況，之后圍繞實(shí)地情況來(lái)進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)。但是在許多實(shí)例設(shè)計(jì)當(dāng)中可見，不少設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，并沒有很好的進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境勘察工作，更多的依靠自身的主觀思維來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)就導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)地環(huán)境脫節(jié)，容易造成上述中的不良沉降現(xiàn)象。具體來(lái)說(shuō)，不少設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境勘察工作時(shí)，其勘察的項(xiàng)目普遍存在不完整現(xiàn)象，使得最終勘察的結(jié)果也存在缺陷，使得在正式設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，針對(duì)這些缺陷只能依靠主觀思維進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。

2.2 樁基選型問題

針對(duì)不同的地質(zhì)環(huán)境，理應(yīng)選擇相應(yīng)類型的樁基，這需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)地情況來(lái)進(jìn)行分析，山區(qū)底層起伏，需同時(shí)考慮墩臺(tái)縱橫向地基土類型，同一墩臺(tái)宜采用同種類型樁基。然而部分設(shè)計(jì)人員在樁基選型工作當(dāng)中，其更加重視工程成本，所以會(huì)刻意選擇一些與標(biāo)準(zhǔn)相近的樁基類型，此類樁基雖然在某種角度上也可以實(shí)現(xiàn)一定的承載力，但是終究還是存在缺陷，尤其在受到一些外力干擾之后，此類樁基很可能會(huì)出現(xiàn)位移、傾斜的現(xiàn)象，那么就會(huì)形成不良沉降問題[2]。

2.3 樁基布局問題

樁基的布局是公路橋梁工程當(dāng)中造成不良沉降的主要原因之一，樁基的布局代表了工程的應(yīng)力結(jié)構(gòu)布局，那么當(dāng)樁基布局不佳，應(yīng)力結(jié)構(gòu)勢(shì)必也會(huì)出現(xiàn)相同問題，此時(shí)就引發(fā)了不良沉降現(xiàn)象。具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)某個(gè)工程當(dāng)中，其設(shè)計(jì)的樁基間距較小，那么工程整體的應(yīng)力結(jié)構(gòu)就相對(duì)集中，此時(shí)工程兩端的應(yīng)力就略顯空虛，所以在這種樁基布局之下，工程兩端的樁基就可能會(huì)出現(xiàn)不良沉降，同時(shí)也加大了兩端坍塌的可能性，因此針對(duì)該現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)防控[3]。

2.4 墩臺(tái)身問題

在一般的公路橋梁工程架構(gòu)上，其大致可以分為上部結(jié)構(gòu)、墩身或臺(tái)身、樁基3個(gè)部分，其中墩臺(tái)身是承接其他兩項(xiàng)的重要結(jié)構(gòu)，如果墩臺(tái)身出現(xiàn)問題，勢(shì)必導(dǎo)致一系列不良現(xiàn)象，其中就包括了不良沉降。具體來(lái)說(shuō)，墩臺(tái)身作為公路橋梁工程的中間部位，如果其出現(xiàn)了傾斜就會(huì)導(dǎo)致樁基傾斜或者位移，同樣引發(fā)不良沉降，而在小部分工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，就存在這樣的問題，其承重柱的傾角過大，使得公路主體應(yīng)力呈傾斜狀態(tài)傳遞到樁基上。

3 公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問題改善方法

3.1 做好地質(zhì)勘察工作

針對(duì)地質(zhì)勘察工作，首先設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)要求所有參與工程設(shè)計(jì)的工作人員參與到勘察工作當(dāng)中，并且在工作之前做好相應(yīng)的工作計(jì)劃，同時(shí)列出需要勘察的項(xiàng)目，再對(duì)勘察項(xiàng)目進(jìn)行嚴(yán)格審核，確保勘察項(xiàng)目的完整性，之后在正式勘察工作當(dāng)中，需要嚴(yán)格圍繞計(jì)劃來(lái)開展工作。其次需要對(duì)所有項(xiàng)目的勘察結(jié)果進(jìn)行審核，確保其準(zhǔn)確無(wú)誤，此時(shí)才可以以勘察工作結(jié)果為基準(zhǔn)，進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，以免出現(xiàn)不良沉降問題。

3.2 樁基選型改善方法

公路橋梁工程時(shí)常會(huì)遇到臨水環(huán)境，此類環(huán)境的土體松軟，極易出現(xiàn)不良沉降現(xiàn)象，那么針對(duì)此環(huán)境，設(shè)計(jì)人員需要做好基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作。橋位處軟土層較厚時(shí)，樁柱式單排裝，需設(shè)承臺(tái)，減少樁基不均勻沉降產(chǎn)生的不利影響。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，還需要根據(jù)實(shí)地情況來(lái)進(jìn)行選擇。此外，位于水中的樁基礎(chǔ)，要考慮水流沖刷帶來(lái)的不利因素，樁基長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)，要扣除沖刷深度。

3.3 樁基布局改善

在進(jìn)行樁基布局設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員首先需要通過計(jì)算來(lái)得到每個(gè)樁基的受力范圍，其次在根據(jù)公路橋梁工程的總長(zhǎng)，計(jì)算樁基布局中的樁基數(shù)量，最終依照計(jì)算結(jié)果，將樁基依照受力范圍來(lái)均勻分布，可以有效改善樁基布局造成的沉降問題。此外，在一些特殊條件之下，可能無(wú)法均勻分布樁基，那么就需要通過一些附加結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)此也需要通過相應(yīng)的計(jì)算來(lái)得出強(qiáng)度差值，再依照差值進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

3.4 墩臺(tái)身的優(yōu)化

在一般的設(shè)計(jì)要求之下，設(shè)計(jì)人員必須保障墩臺(tái)身的受力均勻，對(duì)于異型墩臺(tái)，要盡可能保證墩臺(tái)正投影形狀對(duì)稱，通過承臺(tái)傳遞均勻的豎向力給樁基，且較少樁頂附加彎矩。此外，為了消除不良沉降問題，在設(shè)計(jì)當(dāng)中有必要對(duì)墩臺(tái)身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行保障，使其能夠有足夠的橫向承載力，并滿足混凝土最小裂縫要求。在通航河流要做好橋墩橋臺(tái)的防撞措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問題，通過本文分析得到以下結(jié)論：公路橋梁工程的不規(guī)則沉降現(xiàn)象存在多個(gè)種類，主要可以分為過快沉降、不規(guī)則沉降、傾斜沉降；在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，如果不能良好的控制工程應(yīng)力、角度都會(huì)造成不良沉降現(xiàn)象；針對(duì)各類工程設(shè)計(jì)中造成不良沉降的原因，提出了相關(guān)的改善建議。