橋梁設(shè)計過程中樁基沉降問題處理分析

江勇

（遵義市交通勘察設(shè)計有限公司，貴州遵義 563000）

0 引言

樁基作為橋梁常用基礎(chǔ)類型，其設(shè)計結(jié)果決定了橋梁上下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果樁基設(shè)計不當，樁基將產(chǎn)生明顯的工后沉降。因此，在實際的設(shè)計工作中必須對樁基的設(shè)計引起足夠重視，從設(shè)計上就避免沉降問題的發(fā)生，保證橋梁樁基質(zhì)量。

1 樁基礎(chǔ)概述

樁基礎(chǔ)有多種類型，可從不同方面按照不同方法實施分類。若按照承臺和地面之間的相對位置進行分類，可分成低樁承臺樁基礎(chǔ)和高樁承臺樁基礎(chǔ)。如果樁承臺底面處在地面以下，則屬于低樁承臺樁基礎(chǔ)，而如果樁承臺底面處在地面以上，則屬于高樁承臺樁基礎(chǔ)。重力式橋臺、實體橋臺及橋墩一般采用的是低樁承臺樁基礎(chǔ)，肋板臺、輕型橋臺側(cè)一般采用高樁承臺樁基礎(chǔ)。

若按照承載性質(zhì)分，可將樁基礎(chǔ)分成摩擦型樁和端承型樁，其中，摩擦型樁還能進一步細分為摩擦樁與端承摩擦樁，前者是指在承載能力達到極限狀態(tài)后，樁頂部的豎向荷載主要由樁側(cè)阻力充分承擔，其樁端阻力可以小到忽略不計；而端承摩擦樁是指在承載能力達到極限狀態(tài)后，樁頂部的豎直方向荷載由樁側(cè)的阻力大部分承擔[1]。同樣，端承型樁也能進一步分成兩種，即端承樁與摩擦端承樁，端承樁是指承載能力達到極限狀態(tài)后，樁頂部的豎直方向荷載均由樁端的阻力負責承擔，樁側(cè)的阻力可以小到忽略不計；而摩擦端承樁是指在承載能力達到極限狀態(tài)后，樁頂部的豎直方向荷載主要由樁端阻力承擔。因摩擦樁與端承樁的荷載傳遞與支撐方式存在很大差異，一般情況下，摩擦樁產(chǎn)生的沉降比端承樁大，會使墩臺出現(xiàn)不均勻沉降，對此在同一個工程的同一個下部橋墩或橋臺的樁基礎(chǔ)當中，不可同時設(shè)置摩擦樁與端承樁兩種樁型。

若按照具體成樁方式，可將樁基分成以下幾類：一是非擠土類樁，即在成孔時將與樁身體積相當?shù)耐馏w開挖出來，再灌注混凝土，導致樁周與樁底土體均存在應力松弛情況，目前最常用的鉆孔樁與挖孔樁都屬于該類樁；二是部分擠土樁，即在成孔時有輕微的擠土作用，使樁周土自身工程性質(zhì)不會產(chǎn)生太大變化，目前常見的此類樁型包括打入式預制樁及敞口鋼管樁；三是擠土樁，即成樁時樁周土體被完全擠開，導致土體自身工程性質(zhì)相較于天然狀態(tài)出現(xiàn)很大變化，目前較為常見的此類樁基包括以下三種：預制樁、混凝土管樁及沉管樁。

若按照樁徑的大小，可將樁基分成以下三種：一是小樁，即樁徑不超過250mm 的樁；二是中等直徑樁，即樁徑在250～800mm 范圍內(nèi)的樁；三是大直徑樁，即樁徑不小于800mm 的樁[2]。

2 橋梁樁基設(shè)計步驟與內(nèi)容

樁基設(shè)計步驟與內(nèi)容為：其一，選擇適宜的樁基形式，如混凝土樁還是鋼管樁，樁基尺寸。樁基形式確定是否合理，直接影響橋梁安全、使用功能及造價。在選擇具體樁基類型的過程中，要充分考慮以下要點：樁基所在場地范圍內(nèi)的地質(zhì)條件、橋型及結(jié)構(gòu)特點、樁基主要受力特點。其二，持力層確定和樁長選擇。在確定持力層及樁長的過程中，要充分考慮以下因素：單樁承載力符合要求、橋墩或橋臺不會產(chǎn)生明顯沉降及沉降差異、綜合考慮樁基工程造價、充分考慮樁基施工技術(shù)合理性與可行性。其三，保證樁基合理布置。當樁數(shù)相同，采用不同樁基布置方法時，樁基自身承載力和可以發(fā)揮出的作用也存在很大差異。其四，樁基水平方向承載力確定。對于基底水平方向剪力與傾覆力矩，通常情況下產(chǎn)生水平力的原因有以下幾種：地震力、風的作用力、汽車的制動力、臺后的填土壓力、溫度的升降產(chǎn)生的溫度力，彎橋還需要考慮離心力的作用。在高烈度地震區(qū)，地震是主要控制因素，在地震區(qū)進行樁基設(shè)計時，應充分考慮以上作用。其五，明確樁基施工可能給周圍環(huán)境造成的影響，并注意技術(shù)是否具有良好的經(jīng)濟性與合理性[3]。

3 橋梁樁基設(shè)計特點與作用

樁基設(shè)計作為橋梁設(shè)計的主要環(huán)節(jié)，保證樁基設(shè)計質(zhì)量是使橋梁達到穩(wěn)定和耐用的關(guān)鍵所在，必須引起設(shè)計人員的高度重視。樁基能將橋梁承受的水平與豎直方向荷載可靠傳遞至地基，樁基自身有良好剛度與抗彎能力，由于不同工程在很多方面都存在明顯差異，所以樁基類型選擇也有很大差異。通常而言，目前較為常用的樁型包括以下幾種：預制樁、鉆孔樁、挖孔樁和沉管樁。橋梁樁基應能支撐自身重量與所有外部荷載，如果樁基存在隱患問題，會對橋梁工程的其他建設(shè)項目造成很大影響。在公路橋梁工程中，樁基主要具有以下幾個方面功能和作用：其一，樁基有很大的剛度，可減少整體結(jié)構(gòu)沉降，對形變進行均勻分擔，以滿足橋梁設(shè)計剛度的要求；其二，樁體和周圍土體存在一定摩擦作用，能將橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載均勻傳遞到土體，從而減輕地基受到的壓力，為橋梁上部結(jié)構(gòu)提供可靠支撐，保證橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；其三，如果區(qū)域地下水的水位相對較高，或持力層位于地下水位以下，則優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)的形式，方便施工，減少地下水對結(jié)構(gòu)的影響；其四，樁側(cè)剛度與抗拔力相對較強，可有效抵抗水平方向作用力與傾覆力矩，同時還能減小地震可能對橋梁造成的影響，進而保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定；其五，如果地基發(fā)生液化，可通過將樁基設(shè)置從液化層中穿過，直到穩(wěn)定巖土層，將液化土可能給橋梁造成的影響降至最低[4]。

4 橋梁樁基設(shè)計沉降問題分析

4.1 明確樁基沉降規(guī)律

由于巖土本身具備可壓縮的特性，在地基土受到外力作用后會產(chǎn)生一定超靜孔隙水壓力，導致地基土產(chǎn)生變形，還會延續(xù)很長一段時間，導致基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降。橋梁建設(shè)中，基礎(chǔ)會產(chǎn)生一定沉降現(xiàn)象，并且這種沉降現(xiàn)象還會保持相對較長的時間，并不會因為工程的建成而徹底結(jié)束。如果橋梁地基沉降相對較大，則會在橋梁整體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生影響，當問題較為嚴重時，會給橋梁的正常和安全使用造成致命影響，導致這種情況發(fā)生的主要原因為樁基產(chǎn)生不均勻沉降或短時間內(nèi)產(chǎn)生很大沉降。當發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象時，會使樁基上部產(chǎn)生傾斜或扭曲，或產(chǎn)生開裂，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，情況嚴重時還有可能產(chǎn)生倒塌?；诖耍跇痘O(shè)計開始前必須做好現(xiàn)場實際情況調(diào)查，明確地質(zhì)條件與水文地質(zhì)，并據(jù)此采取針對性措施，對地基形變予以嚴格控制，減少或從根本上防止樁基沉降造成的不利影響[5]。

4.2 樁基類型與長度確定

在實際的樁基設(shè)計過程中，確定適宜的樁型與樁長作為重要內(nèi)容之一，直接影響樁基整體質(zhì)量，必須引起設(shè)計人員高度重視，保證所選樁基類型及樁長的合理性與可行性。在實際工作中，應先做好場地環(huán)境勘察工作，對樁基施工可能對周邊環(huán)境造成的影響進行深入分析，并確定成樁是否合理可行，確定的施工工藝方法是否滿足相關(guān)要求以及樁基的經(jīng)濟性是否合理。在初步確定樁基類型與長度后，還應根據(jù)實際情況進行適當?shù)膬?yōu)化調(diào)整，以此在保證樁基安全和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡可能降低工程投資。在必要的情況下，可以充分參考借鑒地區(qū)內(nèi)其他類似工程的樁基設(shè)計成果，以此有效保證樁基設(shè)計質(zhì)量，使樁基的設(shè)計與設(shè)置均能到最佳效果，防止由于設(shè)計不謹慎導致樁基產(chǎn)生不均勻沉降[6]。

4.3 樁體豎向極限承載力的確定

對于橋梁樁基豎直方向的承載力，按建筑標準，不同標準建筑等級下樁基承載力的確定方法不同。如果樁基按照甲級標準進行設(shè)計，則應通過單樁靜載試驗明確樁體的極限承載力大??；如果樁基按照乙級標準進行設(shè)計，同時施工場地范圍內(nèi)地質(zhì)條件相對簡單，則可參照同地區(qū)其他類似工程實際條件開展樁基設(shè)計，并通過原位測試加以綜合論證，確定方案的合理性與可行性；如果樁基按照丙級標準進行設(shè)計，則需通過原位測試根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗參數(shù)進行設(shè)計。對復合樁基礎(chǔ)，在對樁體自身豎直方向極限承載力進行分析計算時，如果樁基主要承受的是軸心荷載，則必須保證復合樁基自身豎向承載力達到工程要求，而如果樁基主要承受的是偏心荷載，則要適當提高標準，并驗算其穩(wěn)定性；當施工場地范圍內(nèi)存在地震荷載因素的影響時，則要通過計算確定樁基的豎直方向承載能力[7]。

4.4 水平方向承載與位移計算

為了從根本上保證橋梁樁基結(jié)構(gòu)安全，在實際的設(shè)計過程中還要對其水平方向承載與位移進行分析計算。在實際工作中通常要從下列兩個方面入手實施計算：一方面是單樁基礎(chǔ)；另一方面是群樁基礎(chǔ)。對單樁基礎(chǔ)而言，主要承受水平方向作用力，在使用中應滿足各項特征要求，對于水平荷載等級為甲級和乙級的樁基，要采用水平靜載試驗的方法確定樁基的特征值；對于樁身的實際配筋率可以達到0.65%以上的混凝土灌注樁，可采用靜載試驗的方法來確定，如果地面產(chǎn)生10mm 左右的水平方向位移，則應將荷載的3/4 作為樁身特征值；對于樁身的實際配筋率不足0.65% 的樁基，可將臨界荷載3/4 作為樁身特征值。對群樁而言，如果力矩較大或有水平方向作用力，應先考慮群樁效應，之后通過計算確定樁基水平方向的承載力對應的特征值，如果承載的底部、土體和地基之間在摩擦系數(shù)上存在很大關(guān)聯(lián)，則必須謹慎確定樁基特征值[8]。

4.5 承臺計算

對橋梁樁基承臺而言，在計算中應對不同內(nèi)容進行分別驗算，如截面變化出實際受剪承載力與斜截面驗算，承臺的抗沖切驗算等。如果承臺懸挑邊存在很多剪切截面，則要對每個斜截面實際受剪承載力都予以驗算與判斷。對條形承臺梁而言，其彎矩可采用彈性地基梁作為依據(jù)來分析。如果樁端持力層為深度和厚度均相對較大的巖體，則其硬度較大，并且和樁柱軸線未能達到重合，此時需將樁基看作鉸支座，之后按照連續(xù)梁形式來計算。在樁基承臺設(shè)計中，應對承臺結(jié)構(gòu)正截面通過計算確定受彎承載力，在設(shè)計與配筋過程中都要按照相關(guān)規(guī)范實施控制。

4.6 其他設(shè)計注意事項

4.6.1 對于基礎(chǔ)承臺頂部標高。在一般地形條件中，承臺頂面和地面之間應保持不超過0.5m 間隔距離。處在常水位中的承臺，其頂部應能和常水位保持平齊。處在需填土范圍內(nèi)的承臺，其頂部和地面實際標高差值一般超過0.5m。當橋墩所在位置為邊遠地區(qū)時，為減小承臺基礎(chǔ)開挖施工可能給對既有建筑設(shè)施造成的不利影響，承臺底部可至于地面位置，而將承臺露于外部，而在城鎮(zhèn)或現(xiàn)有道路旁，側(cè)應將承臺頂部埋于地面以下或于地面齊平。當承臺位置存在沖刷時，應考慮沖刷對承臺及樁基的影響，適當加深承臺深度或采用必要的防護措施。若橋梁所處位置存在凍深，還應考慮凍深對承臺底面的影響，一般應將承臺底面至于設(shè)計凍深線以下。

4.6.2 為盡量減小沉降，樁底必須處在承載力足夠的持力層上，持力層承載力應能達到350kPa 以上，且進入持力層中的深度應能滿足規(guī)范的要求，并經(jīng)驗算確定。如果相鄰兩個基礎(chǔ)的地質(zhì)條件相差較大，則會使不同基礎(chǔ)樁基的長度存在很大差異，需要在設(shè)計過程中進行專門的分析研究。嵌巖樁巖層頂板厚度通常要達到4m 以上，樁尖的設(shè)置根據(jù)結(jié)構(gòu)要求進行。如果鉆探深度已經(jīng)達到30m 依然無法找到厚度不小于4m 的頂板，則對于樁身直徑在1.50m 以內(nèi)的樁基，其樁側(cè)累計頂板厚度應達到5.0m 以上，而對于樁身直徑超過1.50m 的樁基，樁側(cè)累計頂板厚度應達到7.0m 以上，支承頂板厚度應能達到3m 以上，且嵌入巖層內(nèi)至少0.5m。從巖層中通過的樁體，應能與巖壁之間達到緊密聯(lián)結(jié)，不可使用擴筒等方式進行隔離。對于大跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的橋梁，因其梁部剛度相對較大，所以對沉降變形極為敏感，其沉降變形值更應嚴格控制，這需要在實際的樁基設(shè)計中給予足夠的重視，采取必要的檢測措施對樁底質(zhì)量進行檢查，同時采取有效的措施加以補強。

4.6.3 當采用墩基礎(chǔ)時，可不進行沉降計算，但要在說明中給出施工注意事項；對摩擦樁進行分析時，應充分考慮典型地質(zhì)情況。承臺樁基礎(chǔ)布置必須符合剛性角方面的要求，承臺厚度為樁徑的1.5～2.0倍。若承臺的剛性角無法達到要求，則可考慮進行加臺階。樁基設(shè)計除了要對單樁側(cè)面土體實際承載力與樁底土體實際承載力進行檢算，還要對樁身穩(wěn)定性及材料強度進行驗算。當橋墩高度相對較矮時，樁基主要由單樁承載力進行控制，而當橋墩高度相對較大時，樁基主要由橫縱方向產(chǎn)生的位移進行控制。當基巖深度相對較大時，為減少實際沉降量，可按照摩擦樁對基樁進行分析和計算。

4.6.4 控制樁底沉渣厚度。樁底沉渣厚度對樁基的沉降影響較大，樁基成孔后樁底會有一定量的沉渣無法清理干凈，若沉渣厚度較大，樁基施工完成后會產(chǎn)生比較大的沉降量，因此需對樁基的沉渣厚度進行嚴格控制，各規(guī)范均對樁基的沉渣厚度進行了嚴格控制。

5 結(jié)語

綜上所述，樁基礎(chǔ)是橋梁工程最常用的基礎(chǔ)類型，樁基設(shè)計則在很大程度上決定了橋梁上部結(jié)構(gòu)能否保持穩(wěn)定，尤其是決定了橋梁的沉降，良好的樁基設(shè)計能起到減小樁基沉降的作用，防止在施工過程中或施工完成后導致樁基產(chǎn)生較大的沉降。以上分析提出了樁基設(shè)計中可防止樁基產(chǎn)生較大工后沉降的要點與做法，旨在為實際的樁基設(shè)計工作提供參考依據(jù)。