樁基礎(chǔ)沉降計算中的幾個問題

魏定龍

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展,高速鐵路客運(yùn)專線的不斷出現(xiàn),對橋梁墩臺基礎(chǔ)沉降量的要求越來越嚴(yán)格,高速試行規(guī)范中規(guī)定:

橋梁墩臺基礎(chǔ)沉降按恒載計算,其工后沉降限值,對靜定結(jié)構(gòu)墩臺均勻沉降:

對于有砟軌道:30 mm;對于無砟軌道:20 mm。

相鄰墩臺沉降差:

對于有砟軌道:Δ=150 mm;

對于無砟軌道:Δ=5 mm。

超靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺沉降量之差除應(yīng)符合上述規(guī)定外,還應(yīng)根據(jù)沉降差對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響而定。

通過多年的工作實(shí)踐和總結(jié),其計算理論如下。

1 計算簡圖

樁基沉降及假想實(shí)體基礎(chǔ)計算簡圖見圖1,圖2。

群樁地基強(qiáng)度驗(yàn)算的常用方法之一是,假定作用在承臺底面的荷載,從最外一圈的樁頂,以θ=φ0/4的擴(kuò)散角向下擴(kuò)散傳布。這里,φ0為樁長范圍內(nèi)各土層(厚度為 hi)的摩擦角φ0的加權(quán)平均值,即:

假想實(shí)體基礎(chǔ)的底面積,即壓力分布面積F′為:

其中,a0,b0分別為矩形承臺下群樁橫截面外緣的長度和寬度。樁端平面處的壓力可按下式計算:

并且須滿足下列要求:

其中,N為上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載(其作用點(diǎn)位于設(shè)計地面處),t;γp為假想基礎(chǔ)底面以上的土、樁和承臺的平均容重,地下水位以下部分應(yīng)取浮容重,t/m3;R為經(jīng)深度和寬度修正后的假想基底下地基土的容許承載力,t/m2,按《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》采用。

當(dāng)樁端以下主要持力層范圍內(nèi)存在軟弱下臥層時,可采用上述計算簡圖,對軟弱下臥層進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,驗(yàn)算方法與淺基礎(chǔ)類似。

2 主固結(jié)沉降S計算公式

摩擦樁基的沉降是一個十分復(fù)雜的問題。目前,規(guī)范推薦的分層總和法,對于長樁,特別是樁側(cè)土較好的長樁基礎(chǔ),計算沉降量與實(shí)測沉降量相差較大,統(tǒng)計結(jié)果表明,計算值大于實(shí)測值。造成這種現(xiàn)象的主要原因是實(shí)際荷載傳遞投影面積大,產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小而沉降的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)存在一定的局限性。計算公式如下:

其中,S為樁尖以下土層主固結(jié)沉降量,m;ΔSi為第i層天然地層沉降量,m;n為樁尖以下壓縮層范圍的天然土層數(shù);σz(o)為樁尖處假想平面中心點(diǎn)O豎向附加應(yīng)力,kPa。

其中,σh為樁尖處按恒載計算的假想平面的平均壓應(yīng)力,kPa;γ為樁尖以下壓縮層土層的土、樁、承臺的平均容重,地下水位以下部分應(yīng)取浮容重,kN/m3;H為承臺底至地面埋置深度,有沖刷時由一般沖刷線算起,m;L為樁長,m;Z為樁尖至第i層天然地層底面的距離,m;Zn為樁尖以下壓縮層的計算總深度,m,計算總深度Zn應(yīng)滿足自Zn向上取ΔZ,計算ΔZ這一層的壓縮量ΔS(ΔZ)不大于Zn深度范圍壓縮量的 2.5%,即 ΔS(ΔZ)≤0.025S(Zn)。

表1 ΔZ取值表 m

ΔZ按表1取值。

Es為樁尖以下第i層天然地層的壓縮模量,根據(jù)壓縮曲線按實(shí)際應(yīng)力范圍取值,kPa;C為樁尖至第i層天然地層底面范圍的平均附加應(yīng)力系數(shù),C值可按地基和基礎(chǔ)規(guī)范附錄B查取。

3 實(shí)際土層壓縮模量Esi計算

本方法是根據(jù)壓縮曲線按本土層頂面和底面實(shí)際應(yīng)力范圍進(jìn)行計算的。

其中,Esi為樁尖以下第i層土的壓縮模量,kPa;p1為第 i層土中部的自重力,p1=γ(H+L+Zi),kPa(建橋前);p2為第 i層土中部的自重應(yīng)力與附加應(yīng)力σzi之和,kPa(建橋后),σzi=Ki×σz(o),Ki為矩形均布荷載σz(o)作用下中心點(diǎn)深度 Zi的附加應(yīng)力的應(yīng)力系數(shù),根據(jù) a/b,z/b查《橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計手冊》表2-5;e1為在壓縮曲線上對應(yīng)于p1時的孔隙比;e2為在壓縮曲線上對應(yīng)于p2時的孔隙比;ai為壓縮系數(shù),MPa-1。

4 工后沉降計算

SΔ=S-ΔS≤50 mm(有砟軌道,無砟軌道時為20 mm)。

其中,SΔ為工后沉降,即鋪軌前至沉降穩(wěn)定時的后期沉降;S為主固結(jié)沉降;Δ S為橋梁施工開始至鋪軌前的施工期間已完成的沉降,可根據(jù)固結(jié)理論進(jìn)行計算,也可根據(jù)土層的壓縮性能,按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算,土的壓縮性能根據(jù)壓縮模量劃分如下:

5 沉降計算應(yīng)注意的幾個問題

1)樁尖以下如有砂層,砂層的沉降屬于瞬時沉降,這種沉降在施工期間基本完成,因此,砂層的沉降不要考慮。

2)相鄰基礎(chǔ)的凈距小于10 m時,在附加應(yīng)力的計算中(用來計算土層的實(shí)際壓縮模量)必須考慮相鄰基礎(chǔ)的作用。

3)樁尖以下土層的壓縮模量,由于樁很長,樁尖以下土層的自重應(yīng)力σh=γ(H+L+Z)很大,再加上附加應(yīng)力的作用,土層的應(yīng)力狀態(tài)與100kPa～200 kPa時土的壓縮相差太大,所以壓縮模量不能直接套用地質(zhì)專業(yè)提供的 ES(1～2)的標(biāo)準(zhǔn)值(即地基應(yīng)力由100 kPa～200 kPa時的標(biāo)準(zhǔn)值)。

4)關(guān)于沉降計算經(jīng)驗(yàn)系數(shù) ms的取值問題。此 ms值是根據(jù)壓縮模量 ES(1～2)的相關(guān)關(guān)系提出來的,主要是考慮土的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生的影響,屬于低應(yīng)力狀態(tài)問題(即土層應(yīng)力變化幅值為100 kPa～200 kPa),而樁基礎(chǔ)樁尖以下是高應(yīng)力狀態(tài)。ms經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)該調(diào)整。

5)按分層總和直接法計算沉降時,每層厚度不能超過0.4倍基礎(chǔ)寬度,用分層總和規(guī)范法,采用自然層厚(即地質(zhì)柱狀圖的土層厚)。

6)當(dāng)?shù)刭|(zhì)無壓縮曲線資料時,可暫按相同性質(zhì)土層的壓縮曲線,按要求換算成實(shí)際土層的壓縮模量進(jìn)行沉降計算。

7)要求樁尖盡量放在中等以上壓縮層上,盡量減少沉降。

8)為了減小沉降,當(dāng)按強(qiáng)度、剛度要求布樁不滿足沉降要求時,盡量適當(dāng)增大樁間距或增加樁長。

9)樁尖以下如有很軟的土層,尤其是土中含有較多有機(jī)質(zhì)或在深處的可壓縮土層中當(dāng)壓力增量比(指土中附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比)較小的情況下,要進(jìn)行次固結(jié)沉降計算。次固結(jié)沉降可按“暫規(guī)”附錄D進(jìn)行。

10)沉降計算按恒載計(不計恒載偏心的影響)。