公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問(wèn)題的分析及解決對(duì)策

摘要 文章以某橋梁樁基沉降作為切入點(diǎn)，簡(jiǎn)要敘述過(guò)快沉降、傾斜沉降、不規(guī)則沉降三類橋梁樁基沉降現(xiàn)象的形成機(jī)理，闡述公路橋梁工程設(shè)計(jì)層面上存在的樁基沉降問(wèn)題，最后提出有效解決對(duì)策。旨在預(yù)防樁基沉降問(wèn)題出現(xiàn)，最大限度減小樁基沉降對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能、橋梁使用壽命造成的影響，保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與交通安全。

關(guān)鍵詞 公路橋梁;工程設(shè)計(jì);樁基沉降;解決對(duì)策

中圖分類號(hào) U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）06-0123-03

引言

樁基是公路橋梁工程中最為常見(jiàn)的基礎(chǔ)形式，有穩(wěn)定性強(qiáng)、變形量小、承載力高的特點(diǎn)，可以有效應(yīng)對(duì)地震區(qū)軟弱地基、液化地基等問(wèn)題[1]。然而，在工程建設(shè)、使用期間，因上部橋梁結(jié)構(gòu)體積龐大，在巨大結(jié)構(gòu)荷載作用下，出現(xiàn)樁基沉降問(wèn)題，形成質(zhì)量缺陷與安全隱患，在這一工程背景下，對(duì)樁基沉降問(wèn)題的研究解決是十分必要的。

1 工程概況

某路段公路橋梁地形復(fù)雜，樁基沉降問(wèn)題嚴(yán)重，大部分地段揭露，工程地質(zhì)性能差（如表1），主要在表層揭露，在基坑開(kāi)挖、樁基施工及成槽施工時(shí)易發(fā)生掉塊、塌孔、滲水、漏漿等。施工過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生大量的粉塵、污水、泥渣等污染物，并且渣土外運(yùn)、大型機(jī)械設(shè)備吊裝等施工活動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生較多的噪聲，且該區(qū)段工期緊張，工程量大。

2 公路橋梁樁基沉降機(jī)理

由于地質(zhì)條件的影響，該項(xiàng)目公路橋梁樁基問(wèn)題比較明顯，常見(jiàn)的沉降問(wèn)題具體分析如下：

2.1 過(guò)快沉降

過(guò)快沉降是樁基結(jié)構(gòu)在工程施工、使用期間短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大沉降量的一種現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因在于樁頂力遠(yuǎn)超出地基承載力，因產(chǎn)生過(guò)大的樁頂力-地基沉降差值，致使樁基快速沉降，差值與沉降值保持正比關(guān)系，差值越大，則樁基沉降速度越快[2]。同時(shí)，在樁基沉降量超過(guò)一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列次生問(wèn)題出現(xiàn)，如公路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高隨之下降，進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、主體結(jié)構(gòu)坍塌情況。

2.2 傾斜沉降

傾斜沉降是樁基結(jié)構(gòu)向一側(cè)傾斜、兩側(cè)樁基沉降量不一致的一種現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞樁基結(jié)構(gòu)與橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)橋梁坍塌等質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)，形成機(jī)理與不規(guī)則沉降問(wèn)題較為相似，產(chǎn)生原因包括樁基兩側(cè)土體承載力不一致、受到橫向外力干擾。如該工程項(xiàng)目中樁基兩側(cè)土體承載力較強(qiáng)和較弱時(shí)，受到應(yīng)力作用影響，致使樁基朝承載力較弱一側(cè)土體方向傾斜倒塌。

2.3 不規(guī)則沉降

不規(guī)則沉降是橋梁結(jié)構(gòu)中全部樁基的傾斜角度、沉降速度和受損程度不一致，各處樁基的樁頂力與地基承載力差值超出合理范圍，或是僅部分橋梁樁基出現(xiàn)沉降問(wèn)題的一種現(xiàn)象，呈現(xiàn)出樁基無(wú)序沉降情況，還有可能引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)斷裂和局部崩裂等問(wèn)題出現(xiàn)[3]。而不規(guī)則沉降現(xiàn)象的主要產(chǎn)生原因包括樁基高度及角度缺乏一致性、受多種力學(xué)因素影響、各樁基應(yīng)力差值過(guò)大。

3 公路橋梁工程設(shè)計(jì)中的樁基沉降問(wèn)題

3.1 現(xiàn)場(chǎng)勘察工作開(kāi)展不到位

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)分布砂層、巖層埋深較淺時(shí)選用灌注樁，在現(xiàn)場(chǎng)分布較厚淤泥質(zhì)土層時(shí)選用預(yù)制樁，在現(xiàn)場(chǎng)分布粘土層或是風(fēng)化巖層時(shí)選用沖孔灌注樁，在現(xiàn)場(chǎng)位于巖溶地區(qū)且地下水較為豐富時(shí)選用預(yù)應(yīng)力管樁或是預(yù)制樁。然而，當(dāng)前在部分工程中，并未對(duì)地質(zhì)環(huán)境勘察工作予以高度重視，地質(zhì)勘察范圍有限，沒(méi)有全面掌握現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件和了解深層地質(zhì)構(gòu)造，而是依賴主觀因素進(jìn)行判斷、選擇樁基類型與施工工法，最終在施工期間出現(xiàn)樁基沉降問(wèn)題。該項(xiàng)目公路橋梁工程位于西部平原地貌區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)地層以填筑土、古生界混合基巖與殘積土為主，選擇鉆孔灌注樁和沖擊成孔方法，在施工期間，橋梁右幅多處橋墩及樁基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘得知，現(xiàn)場(chǎng)基巖是由震旦系閃長(zhǎng)巖、花崗質(zhì)脈體等組成的混合巖，有著極為明顯的風(fēng)化特性，因錯(cuò)誤選取鉆孔方法，受到施工擾動(dòng)而在成孔期間形成過(guò)厚樁周泥皮，使得樁周地層摩阻力下降而出現(xiàn)樁基沉降問(wèn)題。

3.2 樁基選型問(wèn)題

針對(duì)工程施工的特點(diǎn)，結(jié)合公司在其他同類工程施工的經(jīng)驗(yàn)，充分貫徹科學(xué)管理，專業(yè)化分工的原則，為確保工程安全、優(yōu)質(zhì)、高效、按期完成，認(rèn)真分析樁基選型問(wèn)題。不同類型樁基適用的地質(zhì)條件、橋梁上部結(jié)構(gòu)類型、施工條件與荷載類型存在明顯差異，如果錯(cuò)誤選擇樁基類型，或是出于成本角度著想刻意選擇與標(biāo)準(zhǔn)相近的樁基類型，會(huì)對(duì)樁基承載力造成程度不一的影響，在樁基使用期間有可能出現(xiàn)傾斜、位移與沉降現(xiàn)象。項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)富集地下水和處于有水路段時(shí)，考慮到區(qū)域土體受水體侵蝕作用影響，易出現(xiàn)樁基沉降現(xiàn)象，需要選擇樁柱式單排樁作為樁型，額外設(shè)置承臺(tái)來(lái)控制樁基沉降量。而在樁基處于水中時(shí)，則需要在樁基長(zhǎng)度計(jì)算過(guò)程中扣除沖刷深度[4]。此外，不同類型樁基在相同荷載條件下的沉降情況存在明顯差異，對(duì)樁基類型的合理選擇，可以有效控制樁基沉降發(fā)展情況和減輕損失。例如，在橋梁樁基承受過(guò)大外部荷載時(shí)，選用打孔樁會(huì)出現(xiàn)樁間土體壓縮變形現(xiàn)象，選用鉆孔樁則出現(xiàn)地基土體壓縮變形的現(xiàn)象。

3.3 樁基布局問(wèn)題

在公路橋梁工程中，樁基布局和橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系，如果樁基布局缺乏合理性，會(huì)對(duì)橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)造成程度不一的影響，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)樁基沉降、橋梁坍塌等一系列問(wèn)題出現(xiàn)。例如，在樁基間隔距離過(guò)小時(shí)，導(dǎo)致橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)相對(duì)集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)兩端應(yīng)力值有所不足，容易在兩端部位出現(xiàn)樁基沉降現(xiàn)象，在沉降量過(guò)大時(shí)造成橋梁兩端坍塌。因此，在樁基布局設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，必須重點(diǎn)考慮樁基平面布置、樁基中距設(shè)計(jì)、樁與承臺(tái)邊緣設(shè)計(jì)三項(xiàng)問(wèn)題。

3.4 墩臺(tái)身問(wèn)題

橋梁結(jié)構(gòu)由上部結(jié)構(gòu)、墩臺(tái)身、樁基結(jié)構(gòu)三部分組成，墩臺(tái)身在其中起到承受上部結(jié)構(gòu)荷載、連同自身重量向地基傳遞的作用，要求墩臺(tái)身具有一定的剛度、強(qiáng)度與良好穩(wěn)定性能，合理選擇截面形式與設(shè)計(jì)墩身尺寸，如果墩臺(tái)身存在設(shè)計(jì)缺陷，將無(wú)法起到應(yīng)有作用，引發(fā)樁基位移、傾斜、不良沉降等問(wèn)題出現(xiàn)，如在承重柱傾角過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致橋梁主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力以傾斜狀態(tài)向下方樁基傳遞。

4 公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問(wèn)題的解決對(duì)策

4.1 做好地質(zhì)勘察工作

在樁基設(shè)計(jì)前，必須提前做好現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察工作，全面查明工程沿線地質(zhì)條件，對(duì)存在軟土地基等不良地質(zhì)問(wèn)題的地段進(jìn)行詳細(xì)勘察，剖析不良地質(zhì)現(xiàn)象深部情況，判斷對(duì)橋梁及樁基結(jié)構(gòu)可能造成的影響。隨后，在現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)開(kāi)展鉆探、試驗(yàn)與原位測(cè)試作業(yè)，對(duì)比測(cè)試結(jié)果與前期掌握的勘察信息，從而補(bǔ)充地質(zhì)勘察內(nèi)容和篩選沖突內(nèi)容，進(jìn)一步掌握工程地質(zhì)條件。該項(xiàng)目中，綜合分析橋位地質(zhì)條件、擬采用樁基類型等因素來(lái)布設(shè)若干鉆孔，在各處墩臺(tái)布設(shè)4～5個(gè)鉆孔，在鋸齒狀基巖面等部位布設(shè)輔助鉆孔，根據(jù)地層構(gòu)造確定鉆孔深度，如在分布巖石層與粘質(zhì)土層時(shí)的最小鉆孔深度為3 m與25 m，對(duì)鉆探樣品進(jìn)行檢測(cè)。最后，在現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果與鉆探測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上，編制現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察報(bào)告、繪制橋位河床地質(zhì)斷面與鉆孔柱狀斷面圖，將其作為樁基設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

4.2 樁基選型優(yōu)化設(shè)計(jì)

在樁基選型優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一方面，綜合分析地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)、荷載類型、施工條件等多方面因素，確定最終樁型，如在現(xiàn)場(chǎng)分布砂土層、黏土層或是粉土層時(shí)優(yōu)先選擇沉管灌注樁，在上覆土層無(wú)法提供充足樁側(cè)阻力時(shí)選用低承載力群樁，在施工工期緊張且粉砂層埋藏較小時(shí)選用靜壓預(yù)制樁，在工程現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)離城市區(qū)域時(shí)選擇施工噪聲大但樁身質(zhì)量可控性強(qiáng)的打入式預(yù)制樁。另一方面，為保證樁基應(yīng)力均衡狀態(tài)，要求所選類型樁基的高差、應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，重點(diǎn)提升結(jié)構(gòu)剛度與改善圈梁拉通性，預(yù)防不均勻沉降問(wèn)題出現(xiàn)，如在沉降深度大于130 mm且構(gòu)筑物長(zhǎng)高比小于2.5的情況下，可額外設(shè)置縱橫墻，以維持樁基結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物長(zhǎng)高的匹配狀態(tài)。

4.3 樁基布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

在樁基布局優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首先，在選用群樁基礎(chǔ)時(shí)，要求群樁圍合面積形心和外荷載合力作用點(diǎn)保持重合狀態(tài)，遵循均勻布置原則，將樁體按照環(huán)形、對(duì)稱形或是梅花形排列方式加以布置，在彎矩值過(guò)大時(shí)可以對(duì)各樁位置加以調(diào)整，無(wú)須保持等距狀態(tài)，但需要樁中距和邊樁外側(cè)間距控制在允許范圍內(nèi)。同時(shí)，在樁距符合要求條件下，優(yōu)先在承臺(tái)外圍部位布置樁體，起到改善基礎(chǔ)性能與提升整體慣矩的作用。其次，根據(jù)所選用樁基類型來(lái)設(shè)計(jì)樁中距。例如，在選用摩擦樁時(shí)，將承臺(tái)底部樁中距保持在1.5倍樁徑及以上，將振動(dòng)沉入摩擦樁的樁尖部位中距保持在4倍樁徑及以上，將鉆挖摩擦樁中距保持在2.5倍成孔直徑及以上。而在選用端承樁時(shí)，將基巖上沉入樁中距控制在2倍邊長(zhǎng)及以上，將嵌入基巖的管樁中距控制在2倍管樁外徑及以上。最后，做好樁與承臺(tái)邊緣設(shè)計(jì)工作，根據(jù)樁徑或是邊長(zhǎng)來(lái)確定二者間距，如在樁徑不超過(guò)1 000 mm時(shí)，將邊樁外側(cè)和承臺(tái)邊緣間距控制在0.5倍樁徑以上且超過(guò)250 mm，而在樁徑超過(guò)1 000 mm時(shí)，將二者間距控制在0.3倍樁徑以上且超過(guò)500 mm。同時(shí)，根據(jù)樁基類型選擇樁與承臺(tái)連接方式，如在選用預(yù)制樁時(shí)，直接將預(yù)制樁頂部埋入承臺(tái)即可，在選用鉆挖灌注樁時(shí)，則將灌注樁頂部主筋伸入承臺(tái)。

4.4 墩臺(tái)身優(yōu)化設(shè)計(jì)

在墩臺(tái)身優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，優(yōu)先選擇重力式橋墩，這類橋墩可憑借自身重力有效平衡外力和維持穩(wěn)定狀態(tài)，有著體積大、重量大、墩身厚實(shí)的特征，僅需少量配筋或無(wú)須配筋即可，但對(duì)地基條件有著嚴(yán)格要求，且阻水面積較大，需要根據(jù)工程情況而定，同時(shí)，也可選擇異型墩臺(tái)，但需要保持墩臺(tái)受力均勻狀態(tài)，如保持墩臺(tái)正投影形狀的對(duì)稱狀態(tài)，確保墩臺(tái)可以將上部結(jié)構(gòu)荷載豎向、均勻地傳遞至樁基，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大樁頂附加彎矩。隨后，根據(jù)橋梁跨徑來(lái)設(shè)計(jì)墩帽厚度，中小跨徑橋梁中保持0.4 m及以上的墩帽厚度，在大跨徑橋梁中保持0.5 m以上的墩帽厚度，并在墩臺(tái)帽內(nèi)設(shè)置構(gòu)造鋼筋，將墩臺(tái)帽出檐寬度設(shè)定為5～10 cm。

4.5 單樁沉降設(shè)計(jì)

針對(duì)單樁沉降問(wèn)題，可采取荷載傳遞法、彈性理論法或是剪切變形法進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，荷載傳遞法是將單樁劃分為若干彈性單元，由于各彈線單元與土體保持非線性關(guān)系，進(jìn)而推測(cè)土體、單樁的荷載傳遞關(guān)系，模擬不同樁端阻力值時(shí)的樁基狀態(tài)，獲取假定單元體靜力平衡條件時(shí)的單樁頂荷載和沉降關(guān)系、樁側(cè)摩擦力沿樁身分布情況、樁身荷載沿樁身分布情況，從而確定樁基類型和樁長(zhǎng)等設(shè)計(jì)參數(shù)。彈性理論法是將單樁端部壓應(yīng)力視為集中荷載，將樁機(jī)周圍土體剪應(yīng)力視為沿樁軸線分布的集中力，對(duì)側(cè)阻力樁深方向加以分解處理，在其基礎(chǔ)上確定單樁設(shè)計(jì)方案和解決樁基沉降問(wèn)題，但在應(yīng)用彈性理論法時(shí)容易忽視時(shí)間、應(yīng)力效應(yīng)問(wèn)題。而剪切變形法是假定樁土間不出現(xiàn)相對(duì)位移現(xiàn)象，且樁側(cè)土體上下層不產(chǎn)生作用力的條件，當(dāng)單樁出現(xiàn)沉降現(xiàn)象且到達(dá)特定點(diǎn)位時(shí)，土體隨之沉降，形成剪切應(yīng)力并沿徑向向外傳遞，剪切應(yīng)力成正比關(guān)系，在這一前提下設(shè)計(jì)樁基樁徑。同時(shí)，重點(diǎn)考慮地基分層、樁端阻力以及參數(shù)變化等問(wèn)題。

4.6 群樁沉降設(shè)計(jì)

針對(duì)群樁沉降問(wèn)題，考慮到這類樁基結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，沉降問(wèn)題涉及群樁數(shù)目、樁間距離等因素，可選用分層總和法與實(shí)體深基礎(chǔ)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，分層總和法適用于樁間距不超過(guò)6d的群樁基礎(chǔ)，假定公路橋梁群樁為實(shí)體基礎(chǔ)，依托群樁位移解和基礎(chǔ)Boussinesq解比值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)基礎(chǔ)基底附加應(yīng)力值加以修正處理，計(jì)算群樁沉降量[5]。而實(shí)體深基礎(chǔ)法則是通過(guò)擴(kuò)展計(jì)算來(lái)確定群樁承載力、沉降值，并在計(jì)算過(guò)程中重點(diǎn)考慮周圍剪切應(yīng)力、土體壓縮變形等因素造成的影響，確定不同荷載條件時(shí)的附加應(yīng)力值，以此來(lái)獲取準(zhǔn)確的樁基極限承載力計(jì)算結(jié)果，解決樁基相互影響、群樁承載力與相同數(shù)量單樁承載力總合不一致的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

4.7 樁基加固設(shè)計(jì)

為預(yù)防和減少樁基沉降問(wèn)題出現(xiàn)，需要根據(jù)已掌握工程信息，對(duì)易沉降的樁基部位進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，用于強(qiáng)化樁基結(jié)構(gòu)性能和提升強(qiáng)度，主要加固方法包括樁側(cè)及樁底壓漿加固、增設(shè)鉆孔灌注樁、增設(shè)預(yù)制管樁、加樁頂升與樁底高壓注漿。例如，在某公路橋梁工程中，選擇采取加樁頂升與樁側(cè)樁底壓漿的加固方法。其中，加樁頂升是在原有基樁側(cè)方額外設(shè)置4根鉆孔灌注樁，通過(guò)勁性骨架與植筋方式連接新舊樁基，一同承擔(dān)上部橋梁結(jié)構(gòu)載荷，與承臺(tái)組成梁體頂升平臺(tái)。而樁側(cè)樁底壓漿是在樁側(cè)部位與樁底部位地層處通過(guò)無(wú)縫鋼花管注入泥漿，在泥漿固結(jié)后起到加固樁側(cè)土體、強(qiáng)化樁底端承力與樁側(cè)摩阻力的作用，從而解決樁側(cè)泥皮問(wèn)題，避免鉆孔灌注樁因過(guò)厚樁周泥皮而沉降。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，樁基沉降是公路橋梁工程中一項(xiàng)典型的質(zhì)量問(wèn)題，在樁基沉降超限時(shí)嚴(yán)重破壞橋梁結(jié)構(gòu)、縮短橋梁使用年限和危及橋梁使用安全，必須得到有效解決。設(shè)計(jì)人員需要對(duì)樁基沉降問(wèn)題予以高度重視，正確了解不同種類沉降現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，找尋設(shè)計(jì)層面上誘發(fā)樁基沉降的具體問(wèn)題，圍繞實(shí)際問(wèn)題來(lái)采取樁基選型優(yōu)化、布局優(yōu)化、單樁/群樁沉降設(shè)計(jì)等解決對(duì)策，這也是保障工程建設(shè)質(zhì)量，推動(dòng)我國(guó)公路橋梁事業(yè)快速發(fā)展的重要舉措。

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收稿日期：2022-01-06

作者簡(jiǎn)介：周毅（1977—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：市政道路橋梁設(shè)計(jì)。