橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降問題解析

羅 帥

(商洛市交通設(shè)計(jì)院,陜西 商洛 726000)

0 引 言

橋梁樁基沉降是常見的一項(xiàng)問題,此類問題的出現(xiàn)會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性造成很嚴(yán)重的影響。所以在橋梁設(shè)計(jì)階段需要考慮樁基沉降的影響,采取科學(xué)有效的方式提高設(shè)計(jì)方案水平,達(dá)到工程項(xiàng)目的建設(shè)需求。

1 樁基的作用

1.1 緩解上部結(jié)構(gòu)沉降

橋梁樁基自身具備的剛度非常大,能夠有效分?jǐn)傄约俺惺苌喜繕蛄航Y(jié)構(gòu)分布的荷載,可以將上部結(jié)構(gòu)的沉降問題抵御,能避免梁體變形的情況,滿足工程安全設(shè)計(jì)的目標(biāo)。同時(shí),由于樁基和周圍土體之間存在空隙,兩者間能夠?qū)嵺`相互摩擦,可以讓橋梁上部的荷載均勻的向著四周分散,達(dá)到橋梁上部穩(wěn)固性的需求[1]。

1.2 降低公路橋梁工程建設(shè)成本

橋梁施工階段某些地區(qū)的自然環(huán)境相對較差,在公路橋梁項(xiàng)目施工環(huán)節(jié)中,如果地下水位較高或者在水下區(qū)域開展現(xiàn)場施工,通常人們會(huì)優(yōu)先選擇使用樁基作為橋梁基礎(chǔ)形式。使用樁基礎(chǔ)能夠有效提高橋梁工程的質(zhì)量水平,還能夠降低項(xiàng)目成本,實(shí)現(xiàn)綜合效益的全面提升。

1.3 有效抵御自然災(zāi)害的破壞

與橋梁的其他結(jié)構(gòu)位置對比,樁基礎(chǔ)的抗拔性能較高,可以抵抗地震、狂風(fēng)、洪澇等自然災(zāi)害的干擾和影響,確保橋梁工程結(jié)構(gòu)滿足安全性、穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

2 樁基沉降發(fā)生的原因

2.1 施工區(qū)域地質(zhì)因素

從地質(zhì)條件層面分析可知,土體和樁基礎(chǔ)存在相互作用,土體結(jié)構(gòu)的硬度對于樁基質(zhì)量存在直接影響。土體硬度越大其可以壓縮的空間就會(huì)越小,在施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)樁基沉降的概率就會(huì)越低;反之,如果土體硬度小則可以壓縮的空間較大,樁基發(fā)生沉降的問題就會(huì)越嚴(yán)重[2]。

2.2 公路橋梁工程設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)

橋梁樁基礎(chǔ)沉降問題發(fā)生率比較高,存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。在橋梁工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),部分設(shè)計(jì)人員水平不高,設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)沒有積極的應(yīng)用先進(jìn)設(shè)計(jì)理念。在沉降的位置還選擇使用搭板設(shè)計(jì)方式,導(dǎo)致受到軟弱層結(jié)構(gòu)的干擾和影響,搭板設(shè)計(jì)的強(qiáng)度無法滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn),在受到外部較大載荷的作用下會(huì)導(dǎo)致裂縫的發(fā)生,樁基受到的負(fù)荷增大,誘發(fā)嚴(yán)重的沉降問題。為了能夠?qū)蛄憾罩Y(jié)構(gòu)受到的作用力分散處理,有些設(shè)計(jì)人員會(huì)優(yōu)先選擇使用承臺(tái)設(shè)計(jì)方式,但是目前并未對這一方面做出明確的規(guī)定,造成設(shè)計(jì)水平較低。

2.3 樁基類型選擇

通過相關(guān)資料分析了解到樁基的結(jié)構(gòu)形式和沉降問題存在直接的關(guān)系,樁基形式的差異,沉降反應(yīng)也會(huì)有差異。比如,鉆孔樁和打孔樁所出現(xiàn)的沉降問題也是不同的。相同荷載作用之下,鉆孔樁基礎(chǔ)的沉降形式為土體壓縮變形,而打孔樁則是樁間土壓縮變形[3]。

3 公路橋梁樁基設(shè)計(jì)中對沉降問題的控制

3.1 公路橋梁樁基沉降分析的主要方法

(1)單樁樁基的沉降分析

公路橋梁單樁樁基沉降分析環(huán)節(jié),主要是從載荷分析、剪切變形、彈性理論等角度出發(fā)。通過載荷傳遞分析法進(jìn)行分析時(shí),把樁基分散為多個(gè)相同長度的樁基單元,應(yīng)用非線性彈簧模擬樁基段和土層發(fā)生的關(guān)系,然后在樁基端部位上應(yīng)用非線性彈簧方式模擬分析。公路橋梁施工,需要應(yīng)用多種儀器、儀表等工具做好測量工作的監(jiān)控和管理?；诩羟凶冃畏治龇绞街饕菓?yīng)用形變傳遞模型作為樁基沉降計(jì)算的方式,這一模型內(nèi)假設(shè)人為載荷變形量比較小,樁基軸向負(fù)載力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降的問題,在沉降發(fā)生之后容易給土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪切作用,但是土層沒有出現(xiàn)位移,剪切應(yīng)力會(huì)沿著樁基礎(chǔ)的側(cè)面會(huì)逐步的擴(kuò)散到表面。彈性理論主要是應(yīng)用彈性理論方式進(jìn)行樁土的系統(tǒng)化計(jì)算與分析,以明確單個(gè)樁基礎(chǔ)在縱向達(dá)到承載力方面的要求,同時(shí)還能夠充分的了解樁基土作用和位移間的關(guān)系,從而進(jìn)行樁間土、樁基對于土層的作用方式,所以進(jìn)行沉降計(jì)算為保證橋梁工程質(zhì)量提供基礎(chǔ),樁基設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)持力層的設(shè)計(jì)參數(shù),具體注意內(nèi)容見圖1。

注:(1-持力層;2-樁;3-樁基承臺(tái);4-上部建筑物;5-軟弱層)圖1 樁基持力層結(jié)構(gòu)

(2)群樁樁基的沉降分析

基于群樁樁基的沉降分析主要是根據(jù)彈性理論、實(shí)體深基礎(chǔ)、等效作用分層方式等為主。彈性理論就是要對橋梁群樁基礎(chǔ)的沉降條件展開全面深入分析和研究,以位移法、應(yīng)力法等條件作為基礎(chǔ)進(jìn)行,還要結(jié)合簡化的彈性理論計(jì)算確定位移變化的施加情況,把樁體結(jié)構(gòu)側(cè)向摩擦力看做是線性變化的形式,再進(jìn)行單樁分析、疊加獲取群樁分析的方法進(jìn)行。實(shí)體深基礎(chǔ)方式是進(jìn)行承臺(tái)下群樁、土層結(jié)構(gòu)等效分析的墩實(shí)體深基礎(chǔ)的形式,在該墩基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)內(nèi),群樁在運(yùn)行中并不會(huì)產(chǎn)生土體壓縮性反應(yīng),并且通過擴(kuò)展的計(jì)算方式來明確群樁沉降狀況,防止計(jì)算過程存在數(shù)據(jù)偏差,可以假設(shè)實(shí)體基礎(chǔ)底面關(guān)系,了解沉降可以壓縮的概率,并且要詳細(xì)計(jì)算和分析樁基礎(chǔ)周圍發(fā)生剪力變化形式。等效作用分層方式主要是進(jìn)行均勻土體群樁沉降、均勻負(fù)荷作用之下的矩形基礎(chǔ)比值計(jì)算分析,得到計(jì)算結(jié)果之后就能夠做好等代墩基礎(chǔ)附加應(yīng)力分析,以分層總和的方式了解群樁的沉降情況[4]。

3.2 公路橋梁樁基沉降的計(jì)算

公路橋梁項(xiàng)目的樁基沉降問題是無法從根本上消除,要想消除這些問題防止出現(xiàn)復(fù)雜、繁瑣的情況,則以土體力學(xué)變化情況展開分析,樁基礎(chǔ)的沉降需要從土體流變、固結(jié)變形等方面出發(fā),樁基沉降現(xiàn)象是刺入變形。在現(xiàn)場使用各種合適的測量設(shè)備可以了解應(yīng)力變化情況,做好細(xì)節(jié)的觀測工作,如果不能準(zhǔn)確的掌握應(yīng)力變化情況,分析變化關(guān)系,了解客觀發(fā)展變化時(shí)局情況,并且構(gòu)建相應(yīng)的模型,以得到樁體周邊土層真實(shí)應(yīng)力關(guān)系。土體的樁基結(jié)構(gòu)長期觀測后了解到相應(yīng)的規(guī)律,樁基沉降的發(fā)生要經(jīng)過較長的時(shí)間,很多的公路橋梁在運(yùn)營之后才會(huì)發(fā)生。因此,公路橋梁樁基沉降和時(shí)間存在直接的關(guān)系。樁基出現(xiàn)沉降變形的問題,有些原因是刺入變形問題,在檢測環(huán)節(jié)要做好時(shí)間長度的分析,防止徐變、固結(jié)問題的發(fā)生。樁基沉降方式的過程中,樁端和兩側(cè)土體以“非線性”特點(diǎn),土體塑性變化一般在達(dá)到極限承載力之后才會(huì)表現(xiàn)出來。按照樁側(cè)摩阻力的分析研究發(fā)現(xiàn),位移比較小的情況下,和摩阻力的大小是正比的關(guān)系,相對位移和摩阻力相差最大,容易導(dǎo)致移動(dòng)問題發(fā)生。細(xì)長樁基結(jié)構(gòu)形式來說,樁基周圍土體超出極限參數(shù),會(huì)出現(xiàn)滑移的情況,極易導(dǎo)致范圍的擴(kuò)大,樁基和樁基之間土體變形固結(jié)、變形等會(huì)和滑移范圍變化是周期性變化,所以造成樁基發(fā)生刺入變形[5]。

3.3 選擇正確的樁型及布局

路橋工程項(xiàng)目的樁基設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),首先要對現(xiàn)場情況展開全面調(diào)查,了解結(jié)構(gòu)特性,分析樁基類型以及強(qiáng)度。目前在路橋工程項(xiàng)目中,可以選擇的樁基類型比較多,比如預(yù)制樁、鉆孔灌注樁等,經(jīng)過多種樁基形式的對比分析,發(fā)現(xiàn)鉆孔灌注樁的施工效果非常好。因?yàn)槊總€(gè)路橋項(xiàng)目所處自然環(huán)境,地質(zhì)條件都不同,設(shè)計(jì)和施工人員應(yīng)該從實(shí)際情況出發(fā),選擇最佳的樁基類型。在樁基布局的環(huán)節(jié),如果選擇應(yīng)用單樁的施工方式,通過單樁沉降計(jì)算方法確定樁基設(shè)計(jì)方案。具體分析方法如下:(1)荷載傳遞分析法。根據(jù)規(guī)定荷載變形的情況展開分析,了解荷載對樁基的影響;(2)剪切變形法。假設(shè)樁間、樁側(cè)土體沒有發(fā)生任何的變化,也不會(huì)存在外力干擾作用,如果單樁出現(xiàn)沉降的情況,土體位置也會(huì)發(fā)生下移的情況,存在剪切的問題,受到剪切應(yīng)力作用,造成剪切力減小。因此,單樁設(shè)計(jì)時(shí),通過剪切力的分析方法確定樁徑參數(shù),根據(jù)剪切變形法來計(jì)算單樁樁徑,有效的預(yù)防發(fā)生沉降問題。(3)彈性理論法。綜合分析單樁受到的豎向作用力,了解該作用力和樁土之間的位移關(guān)系,從而分析樁體和土的作用關(guān)系。(4)單向壓縮分層總和法。該方法是分析各層的相應(yīng)參數(shù),了解到各層的沉降量,從而得出沉降參數(shù)值。比如路橋項(xiàng)目采用群樁基礎(chǔ)的形式,為了預(yù)防發(fā)生樁基沉降的問題,應(yīng)該綜合分析多方面因素。因?yàn)槿簶痘A(chǔ)承載力并不是單樁承載力相加后得到的,在沉降計(jì)算時(shí),應(yīng)該通過實(shí)體深基礎(chǔ)法、分層總和法等。實(shí)體深基礎(chǔ)法是通過擴(kuò)展計(jì)算的方法得到群樁承載力參數(shù),按照該數(shù)據(jù)進(jìn)行群樁沉降計(jì)算,為了提高計(jì)算的精度,在計(jì)算要充分分析土體壓縮變形、單樁剪切應(yīng)力等作用。分層總和法應(yīng)該先分層計(jì)算各層沉降量,考慮到單值沉降綜合,在該過程中計(jì)算各層沉降量,確定各層壓縮系數(shù),但是也要分析地基沉降的情況。因?yàn)檫@一方法可以獲取地基最終沉降值,根據(jù)該參數(shù)可以進(jìn)行群樁設(shè)計(jì)優(yōu)化與分析,促進(jìn)樁基設(shè)計(jì)水平的提升,也能確保在樁體投入使用后發(fā)生嚴(yán)重的沉降問題,確保結(jié)構(gòu)的整體性合格。

3.4 優(yōu)化橋頭抗震問題處理方法

我國的很多地區(qū)都是地震高發(fā)帶,對于這些地區(qū)來說,一旦發(fā)生地震災(zāi)害,會(huì)給路橋工程產(chǎn)生很大的影響,所以必須要加強(qiáng)路橋工程的抗震設(shè)計(jì),提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。對于建設(shè)規(guī)模比較大的道路與橋梁工程來說,如果沒有采取科學(xué)合理的抗震設(shè)計(jì)方案,發(fā)生地震之后結(jié)構(gòu)損壞會(huì)非常的嚴(yán)重,進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的坍塌事故,造成的危害性是巨大的。目前廣泛應(yīng)用的抗震措施如下。

(1)設(shè)計(jì)人員在遵循總體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求,選擇合適的橋位、橋型、孔徑、道路線位等,盡量的避免在地震高發(fā)區(qū)進(jìn)行建設(shè),將構(gòu)造物移動(dòng)到相對穩(wěn)定的區(qū)域。對于地震烈度較高的區(qū)域,為了提高安全性,要加強(qiáng)道路與橋梁工程的形式、尺寸的設(shè)計(jì),防止發(fā)生突變的情況。

(2)設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)對于道路和橋梁的抗震計(jì)算,各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到科學(xué)性與合理性的要求,優(yōu)化橋梁的重量,提高道路和橋梁的連接穩(wěn)定性、可靠性,促進(jìn)整體效果的提升。設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求,進(jìn)行可靠性的評估與核算,確保符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,提高安全性。

3.5 完善共振問題處理方法

道路與橋梁工程建設(shè)施工中,共振的問題比較常見,也會(huì)給工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的危害和影響。為了能夠更好的解決共振的問題,應(yīng)做好如下工作。

(1)在確定設(shè)計(jì)方案的環(huán)節(jié),應(yīng)該綜合分析各個(gè)方面要素,采取消除共振效應(yīng)的措施,提高抗干擾性,降低共振效應(yīng)發(fā)生率。在道路與橋梁的設(shè)計(jì)中,加強(qiáng)振幅的控制,可以通過減震器的布置方式減小共振頻率,提高結(jié)構(gòu)的安全性[5]。

(2)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行共振波振幅與共振效應(yīng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),選擇使用多種截面尺寸的形式,消除地震的干擾和影響,優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,消除共振的問題,提高道路與橋梁運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.6 控制措施

在項(xiàng)目開展環(huán)節(jié)想要其實(shí)提升工程質(zhì)量,需要先了解分析鉆機(jī)技術(shù)特點(diǎn),明確操作標(biāo)準(zhǔn)。從開鉆、持續(xù)鉆進(jìn)、停鉆后的中心開鉆、地質(zhì)條件變化后關(guān)注相應(yīng)內(nèi)容,然后以成孔技術(shù)進(jìn)行管理和控制。且在施工環(huán)節(jié)落實(shí)清孔作業(yè)方式,在距離設(shè)計(jì)標(biāo)高10 cm位置上開始清孔作業(yè),將孔底全部清理干凈。清孔工作結(jié)束后,安裝鋼筋籠,各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸嚴(yán)格控制,垂直度、位置精度合格。此外,還需要按照基礎(chǔ)工程的地基情況選擇針對性的混凝土灌注方法,保證混凝土灌注的質(zhì)量滿足實(shí)際需要。一般而言,在混凝土灌注階段要對施工工藝進(jìn)行全面管控,同時(shí)還需要對混凝土的溫度進(jìn)行控制,避免溫差過大出現(xiàn)的裂縫問題。

4 結(jié) 語

總而言之,在橋梁設(shè)計(jì)階段對于樁基沉降問題要給予高度的重視,要通過設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化提高橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性。且在項(xiàng)目施工環(huán)節(jié)按照沉降問題的原因,選擇科學(xué)的處理方式,如此才能夠推進(jìn)工程項(xiàng)目的正常開展。