公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問題研究

張軍杰

摘 要：樁基承擔(dān)了公路橋梁上的全部負(fù)載，包括車輛荷載、橋梁上下部恒載，其在公路橋梁中起著重要的支撐作用，保證了公路橋梁的安全運(yùn)行。但是，受多種因素的影響，公路橋梁普遍存在樁基沉降問題，它直接威脅橋梁安全，影響橋梁的正常使用。因此，有必要深入研究和解決公路橋梁工程設(shè)計(jì)中的樁基沉降問題。本文分析了橋梁樁基的作用、樁基沉降問題發(fā)生的原因，提出防止樁基沉降的措施，以期優(yōu)化公路橋梁工程設(shè)計(jì)，減少公路橋梁發(fā)生沉降的可能性。

關(guān)鍵詞：公路橋梁;樁基設(shè)計(jì);沉降;引發(fā)原因;防止措施

中圖分類號：U443.15文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0116-03

Abstract： The pile foundation bears all the loads on the highway bridge， including the vehicle load and the dead load of the upper and lower parts of the bridge， which plays an important supporting role in the highway bridge and ensures the safe operation of the highway bridge. However， due to many factors， the settlement of pile foundations is common in highway bridges， which directly threatens the safety of the bridge and affects the normal use of the bridge. Therefore， it is necessary to in-depth study and solve the problem of pile foundation settlement in highway and bridge engineering design. This paper analyzed the function of the bridge pile foundation and the reasons for the settlement of the pile foundation， and proposed measures to prevent the settlement of the pile foundation， in order to optimize the design of highway bridge engineering and reduce the possibility of settlement of the highway bridge.

Keywords： highway bridge;pile foundation design;settlement;cause;preventive measures

公路橋梁荷載主要由樁基結(jié)構(gòu)承擔(dān)，為了保證樁基結(jié)構(gòu)在承受大量荷載的情況下依然安全、穩(wěn)固，人們需要通過技術(shù)處理加固橋梁樁基結(jié)構(gòu)。目前，通常使用的處理技術(shù)就是鉆孔灌樁技術(shù)，但受樁體、地基、承臺與土層之間的作用影響，樁基會經(jīng)常發(fā)生變化，出現(xiàn)沉降問題。樁基沉降會影響公路橋梁工程施工，如建設(shè)質(zhì)量、建設(shè)成本及建設(shè)期限。因此，設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化公路橋梁工程設(shè)計(jì)，解決樁基沉降問題。

1 樁基的作用

樁基在公路橋梁工程中起支撐作用，可以保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固和安全運(yùn)行。在公路橋梁工程中，樁基有三大作用。

1.1 緩解上部結(jié)構(gòu)沉降

樁基本身具有較大的剛度，可以分?jǐn)偤统惺茌^大的上部荷載，緩解上部結(jié)構(gòu)沉降，以免出現(xiàn)橋體變形，保證橋梁工程符合安全設(shè)計(jì)要求。另外，柱基與周圍土體存在空隙，能夠互相摩擦，使得公路橋梁上部荷載向周圍分解，保證上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

1.2 降低公路橋梁工程建設(shè)成本

部分區(qū)域自然環(huán)境較差，在進(jìn)行公路橋梁工程施工時(shí)，若地下水位較高或者需要進(jìn)行水下作業(yè)，人們可以采用樁基結(jié)構(gòu)作為橋梁基礎(chǔ)。樁基結(jié)構(gòu)既能保證公路橋梁施工質(zhì)量，又能節(jié)約成本，降低人力、物力、財(cái)力消耗。

1.3 有效抵御自然災(zāi)害的破壞

相比橋梁工程其他部位，樁基結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗拔能力，能夠有效抵御地震、大風(fēng)、洪澇等自然災(zāi)害的破壞，保證橋梁工程施工質(zhì)量和使用安全[1]。

2 樁基沉降發(fā)生的原因

軟土的壓縮性因液限的增加而升高，軟土基礎(chǔ)受到外界壓力作用后又會出現(xiàn)較高的超靜孔隙水壓力。二者容易造成軟土變形，而且變形具有流變特征，時(shí)間較長。因此，公路橋梁工程在建設(shè)過程中容易出現(xiàn)樁基沉降問題，樁基沉降從施工貫穿到橋梁運(yùn)行的整個(gè)過程，呈現(xiàn)出連續(xù)性規(guī)律[2]。為了防止橋梁樁基發(fā)生沉降，每個(gè)環(huán)節(jié)必須采取防控措施。經(jīng)分析，樁基沉降是多種因素造成的，設(shè)計(jì)階段容易忽視的影響因素有三種。

2.1 施工區(qū)域地質(zhì)因素

地質(zhì)因素方面，土體與樁基下部結(jié)構(gòu)相互作用，土體的硬度對樁基有著直接影響。土體硬度越大，土體空間的壓縮變形就越小，發(fā)生樁基沉降的可能性就越小;反之，土體硬度越小，土體空間的壓縮變形就越大，發(fā)生樁基沉降的可能性就越大。

2.2 公路橋梁工程設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)

橋梁樁基沉降的出現(xiàn)率比較大，在進(jìn)行橋梁工程設(shè)計(jì)時(shí)，部分設(shè)計(jì)人員因循守舊，易沉降部分采用搭板設(shè)計(jì)，但受軟土層的影響，搭板設(shè)計(jì)又達(dá)不到提高橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性的目的，其在承受較大荷載時(shí)容易產(chǎn)生裂縫，加重樁基負(fù)荷，增加沉降發(fā)生率。為了分散橋梁墩柱的承受力，有些設(shè)計(jì)人員會采用承臺設(shè)計(jì)，但是現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有對承臺有具體要求。設(shè)計(jì)人員缺乏參照標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)自身的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，容易使設(shè)計(jì)方案與工程實(shí)際產(chǎn)生出入[3]。

2.3 樁基類型選擇

實(shí)踐表明，樁基類型的選擇與樁基沉降表現(xiàn)形式相關(guān)，樁基形式不同，樁基沉降程度不同。比如，鉆孔樁與打孔樁對樁基礎(chǔ)沉降情況的影響明顯不同。在同樣承受較大的荷載時(shí)，鉆孔樁基礎(chǔ)沉降表現(xiàn)形式為地基土體壓縮變形，打孔樁基礎(chǔ)沉降表現(xiàn)形式為樁間土體壓縮變形。

3 公路橋梁工程設(shè)計(jì)中防止樁基發(fā)生沉降的措施

當(dāng)前，人們不僅要優(yōu)化公路橋梁工程設(shè)計(jì)，還要改進(jìn)公路橋梁工程施工方法，多方位預(yù)防和解決公路橋梁工程樁基沉降問題。

3.1 實(shí)地勘察地質(zhì)狀況

公路橋梁工程設(shè)計(jì)要首先考慮施工區(qū)域的地質(zhì)狀況，樁基沉降程度受地質(zhì)狀況影響。因此，要第一時(shí)間對施工區(qū)域地質(zhì)狀況進(jìn)行勘察，掌握準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)和施工提供可靠數(shù)據(jù)。地質(zhì)勘察期間，要調(diào)查清楚地質(zhì)形態(tài)成因、地質(zhì)地層厚度、地基土體軟硬度等內(nèi)容，通過實(shí)地調(diào)查形成調(diào)查報(bào)告，詳細(xì)說明地質(zhì)特性，尤其是各地層分布情況、樁基情況，并根據(jù)實(shí)地考察，初步確定樁型和長度?？辈旃ぷ饕龅娇茖W(xué)、規(guī)范，保證數(shù)據(jù)的精確度，為公路橋梁工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，為預(yù)防樁基沉降做好準(zhǔn)備。

3.2 保證橋梁樁基的基本性能

樁基設(shè)計(jì)的目的是增強(qiáng)橋梁上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其主要涉及橋梁樁型、橋梁結(jié)構(gòu)方案的選擇;樁徑、樁長、樁距參數(shù)的計(jì)算與確定;單柱基結(jié)構(gòu)形式的選擇;樁基承載能力及基礎(chǔ)應(yīng)力的計(jì)算與確定;樁基、樁帽結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì);樁基位置的平面設(shè)計(jì)等。樁基設(shè)計(jì)要考慮環(huán)境變化對樁基的影響及施工中可能發(fā)生的多種常見問題，并制定相應(yīng)的對策。

設(shè)計(jì)的樁基必須滿足基本的性能要求。首先，樁基要具有良好的荷載傳遞性能，使得地基承受來自橋梁橫向和縱向的負(fù)載，以分擔(dān)橋梁上部結(jié)構(gòu)的負(fù)荷。其次，樁基要具有良好的抗彎性能，樁基本身只有具有一定的剛度和抗彎能力，才能應(yīng)對來自上下部結(jié)構(gòu)的多種壓力加載，減少環(huán)境等因素的影響[4]。

3.3 選擇正確的樁型及布局

在樁基設(shè)計(jì)中，首先要考慮樁基類型及長度，根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境因素的優(yōu)勢與劣勢，對施工工藝、工期、樁基構(gòu)成進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，并選擇合理的樁基長度和類型。在樁基設(shè)計(jì)中，使用較多的樁基類型有預(yù)制柱、鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、沉管灌注柱等，鉆孔灌注樁是公路橋梁工程中較為常用的樁基類型。具體采用哪種類型，要根據(jù)施工現(xiàn)場、施工環(huán)境及橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造、上下部負(fù)荷能力進(jìn)行合理選擇[5]。

在樁基布局上，若選用單樁就能滿足工程需要，則要在樁基設(shè)計(jì)中合理使用單樁沉降分析計(jì)算法。單樁沉降分析計(jì)算法常用的有四種：荷載傳遞分析法、剪切變形傳遞法、彈性理論法、單項(xiàng)壓縮分層總和法。荷載傳遞分析法是根據(jù)規(guī)定的荷載變形傳遞方式來計(jì)算樁對荷載的反應(yīng)。剪切變形法的原理是假設(shè)樁間和樁側(cè)土體都沒變化，不考慮其他阻力因素影響，如果單樁發(fā)生沉降，土體會隨沉降發(fā)生位置下移，出現(xiàn)剪切現(xiàn)象，受剪切應(yīng)力傳遞作用影響，相應(yīng)剪切力變小。因此，單樁基設(shè)計(jì)可以利用剪切力計(jì)算樁徑，剪切變形法設(shè)計(jì)的單樁樁徑數(shù)值能夠有效預(yù)防樁基沉降。彈性理論法則根據(jù)單樁受到的豎向作用力與樁土之間發(fā)生作用產(chǎn)生的位移關(guān)系，計(jì)算出樁體與土的共同作用。單向壓縮分層總和法是依據(jù)各土層的參數(shù)計(jì)算出各層土的沉降量，然后計(jì)算各土層沉降量總和，得出沉降量[6]。

若工程樁基需要群樁基礎(chǔ)，則在應(yīng)對樁基沉降時(shí)還需要考慮眾多影響因素。群樁基礎(chǔ)承載力不是簡單的單樁承載力相加，群樁沉降設(shè)計(jì)計(jì)算主要運(yùn)用的方法有實(shí)體深基礎(chǔ)法、分層總和法。實(shí)體深基礎(chǔ)法的計(jì)算原理是利用擴(kuò)展計(jì)算方法，計(jì)算群樁承載力，根據(jù)群樁承載力計(jì)算群樁沉降值，為保證計(jì)算的精確性，還需要考慮土體存在的壓縮變形情況及每個(gè)單樁樁基剪切應(yīng)力的影響。分層總和法指的是先分層計(jì)算各土層沉降量，然后根據(jù)單值計(jì)算沉降量總和。各層沉降量的計(jì)算參照的是各土層的壓縮性系數(shù)。但是，在計(jì)算中要充分考慮影響地基沉降的因素，分層總和法計(jì)算出的是地基的最終沉降量，根據(jù)分層總和法計(jì)算的準(zhǔn)確數(shù)值對群樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，預(yù)防樁基發(fā)生沉降現(xiàn)象[7]。

3.4 優(yōu)化樁基布局

一個(gè)科學(xué)、合理的樁基布局能夠有效緩解樁基沉降，樁基能否均勻布局取決于對樁柱荷載范圍、橋梁總體長度、樁基數(shù)量的準(zhǔn)確計(jì)算。三個(gè)環(huán)節(jié)緊緊相連，每個(gè)環(huán)節(jié)的精確度都直接影響下一個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算，只有三個(gè)環(huán)節(jié)都準(zhǔn)確無誤，才能確保樁基布局準(zhǔn)確，進(jìn)而有效確保樁基沉降問題得以解決。但是，受地質(zhì)環(huán)境的影響，在樁基難以保證均勻布置的情況下，人們需要根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，通過其他附加結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)不足，減少樁基沉降。

3.5 確保墩臺施工質(zhì)量

墩臺橋梁施工耗時(shí)多、花費(fèi)高，墩臺質(zhì)量與樁基沉降有著密切關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照公路橋梁工程設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定，以保證各個(gè)墩臺之間受力上下、左右保持一致，平均分配承重。設(shè)計(jì)中，要明確和規(guī)范控制墩臺施工質(zhì)量的措施，比如，在墩身混凝土施工過程中，要明確規(guī)定混凝土澆筑厚度及方向，測量混凝土含水量、坍落度、溫度，使各項(xiàng)數(shù)值控制在要求范圍內(nèi)，澆筑時(shí)分層澆筑混凝土，并把每層澆筑間隔時(shí)間控制在1.5 h內(nèi)?；炷琳駬v過程中不得與模板、鋼筋、預(yù)埋鐵件發(fā)生碰撞，并防止混凝土表面出現(xiàn)較大氣泡，嚴(yán)格控制振搗工藝，保證混凝土振搗的密實(shí)性[8]。

4 結(jié)語

樁基沉降是在整個(gè)橋梁工程中出現(xiàn)頻率大、時(shí)間持續(xù)比較久的質(zhì)量問題，若樁基沉降處在合理范圍內(nèi)，對橋梁工程并無大的影響，那么及時(shí)采取補(bǔ)救措施，公路橋梁仍能保證安全通行能力。但是，若樁基沉降超出控制范圍，影響橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，則對橋梁安全性造成威脅，降低橋梁使用期限，甚至造成重大交通安全事故。在公路橋梁工程設(shè)計(jì)中，要防止樁基發(fā)生沉降。設(shè)計(jì)人員必須明確樁基沉降發(fā)生的原因，在設(shè)計(jì)過程中依據(jù)施工現(xiàn)場條件及地質(zhì)情況，制定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕し桨?，多措并舉，保證橋梁安全通行，穩(wěn)步推進(jìn)公共設(shè)施建設(shè)，延長橋梁使用壽命，保障公眾出行安全。

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