公路橋梁工程設(shè)計(jì)中的樁基沉降問(wèn)題

鉆孔灌注樁具有后期支撐作用穩(wěn)定性高、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，所以對(duì)于上部結(jié)構(gòu)荷載較大的公路橋梁而言，鉆孔灌注樁是大部分公路工程的首選。要保證工程的造價(jià)、質(zhì)量、工期及工程的使用壽命，就必須充分考慮公路橋梁樁基沉降的設(shè)計(jì)是否符合工程情況。筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，就公路橋梁工程設(shè)計(jì)中的樁基沉降問(wèn)題進(jìn)行探討。

樁基沉降的原因

端承型群樁沉降

公路橋梁工程中的樁群結(jié)構(gòu)類(lèi)型有很多，其中出現(xiàn)頻率最高的是端承型樁群。組成部分主要是端承樁，因此，剛硬性極強(qiáng)的持力層成為這種樁群結(jié)構(gòu)最顯著的特點(diǎn)。端承型樁群正式投入使用后，能夠長(zhǎng)時(shí)間承受巨大的重量，能夠利用不同的承臺(tái)將重量分散輸送到各個(gè)群樁地下層。這種承力模式不僅能讓樁體對(duì)自身承載的重量進(jìn)行有效控制，還能在一定程度上提升樁體的承載強(qiáng)度。樁底部位四周土層的堅(jiān)固度與群樁沉降現(xiàn)象有直接的聯(lián)系，而上述方法可以有效增加土層堅(jiān)固度，極大地降低端樁刺入土層或者樁體發(fā)生沉降的幾率。

圖1 端承群樁

摩擦性群樁沉降

雖然摩擦樁群和端承樁群都有出現(xiàn)沉降的可能性，但引發(fā)沉降的原因有很大差異。工作人員在全面分析端承型群樁的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，每個(gè)單樁之間都存在大小值不同的綜合作用力，這種綜合作用力比較小，幾乎可忽略不計(jì)。但由于這些綜合作用力伴隨產(chǎn)生一些相互作用力，所以在分析摩擦樁群時(shí)，要充分考慮每個(gè)單樁之間的影響力，因?yàn)槟Σ潦莻鬟f建筑荷載重量的主要形式。不同的樁端土層和不同的單樁之間還存在重疊應(yīng)力的問(wèn)題，這大大加深了樁基之間的摩擦力對(duì)樁基承載能力的影響。從這個(gè)角度分析可知，與群樁能力強(qiáng)度有關(guān)的不僅僅是單樁承載力的相互疊加影響，還要全面考慮樁體之間的影響和干擾。

單樁的沉降分析計(jì)算

荷載傳遞分析法

分析單樁荷載的過(guò)程中，使用頻率最高的就是荷載傳遞分析法，這種方法嚴(yán)格遵循了規(guī)定范圍內(nèi)負(fù)荷承載變形，以鏡像的方式完成對(duì)具體傳遞反映的計(jì)算。具體的工作原理為：以相同長(zhǎng)度為要求，將樁基礎(chǔ)分為多個(gè)樁段，每一個(gè)樁段即為一個(gè)彈性單元，再以非線(xiàn)性彈簧模擬每個(gè)樁段和土層之間的聯(lián)系。這種方法在負(fù)荷承載傳遞運(yùn)用曲線(xiàn)中，通常假定與樁基礎(chǔ)位移有關(guān)的變量只有該點(diǎn)的摩擦阻力，除此以外的任意位置點(diǎn)的摩擦阻力對(duì)其都沒(méi)有影響。

對(duì)剪切變形傳遞的分析

研究者庫(kù)克在1974年建立并提出了關(guān)于摩擦樁符合承載傳遞的模型，存在很多假設(shè)，即樁基礎(chǔ)的軸向負(fù)荷承載與荷載水平成正比，且荷載承載越小，沉降程度越低。而一旦出現(xiàn)樁沉降就會(huì)給周?chē)恋卦斐蓯盒杂绊?，具體表現(xiàn)為剪切變形。所以，無(wú)論樁土之間發(fā)生相對(duì)位移與否，由于剪應(yīng)力的徑向擴(kuò)散渠道很多，其能通過(guò)樁基礎(chǔ)側(cè)面的表層擴(kuò)散，最終給樁基礎(chǔ)和四周的土體結(jié)構(gòu)造成影響。相比之下，摩擦樁段承載的負(fù)荷比其他樁基要小很多，在使用過(guò)程中發(fā)生沉降大多是因樁側(cè)負(fù)荷傳遞引起的。

對(duì)彈性理論法的分析

基于彈性理論角度分析土與樁、樁與樁、土與土之間的作用方式，是研究單樁基礎(chǔ)在縱向上的承載力前提下，分別分析承載力和基礎(chǔ)土層之間的作用力和相對(duì)位移的關(guān)系。以彈性理論為中心，可在分析過(guò)程中拓展出系列的單樁沉降計(jì)算法，但所有計(jì)算方式的有效應(yīng)用都是建立在樁基礎(chǔ)位移和周?chē)翆游灰票３滞胶蛥f(xié)調(diào)的條件下的。從軸向承載下的樁基礎(chǔ)樁身的壓縮情況就能得出樁基礎(chǔ)發(fā)生位移的結(jié)果，具體則可以通過(guò)某個(gè)定點(diǎn)產(chǎn)生的Minidlin位移得知樁四周土體的位移。

對(duì)單向壓縮分層總和法的分析

運(yùn)用單向壓縮分層總和法計(jì)算公路橋梁樁基沉降結(jié)果，從總量角度而言相對(duì)精準(zhǔn)，因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)全面分析樁基周?chē)翆拥母黜?xiàng)參數(shù)得出的數(shù)據(jù)。單向壓縮分層總和法屬于一種淺基礎(chǔ)層面的總沉降量計(jì)算法，這種方法被應(yīng)用于大直徑單樁，盡管這類(lèi)單樁的樁側(cè)阻力較小，但較大的樁基底面積能幫助整個(gè)樁基分擔(dān)重量。比如在深基計(jì)算的過(guò)程中，當(dāng)外界一切條件都相同時(shí)，通過(guò)明氏應(yīng)力分布法分析樁基沉降量，所得的量總值幾乎等同于工程設(shè)計(jì)和推算時(shí)的總量；而運(yùn)用布氏公式法計(jì)算所得的值通常有偏差，相比于實(shí)際測(cè)量值要偏大30%，甚至50%；用分層總和法分析單樁沉降量時(shí)，依據(jù)壓縮層的計(jì)算深度，參照相關(guān)規(guī)定，或者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

群樁的沉降分析計(jì)算

對(duì)彈性理論法的分析

彈性理論的群樁沉降分析法，主要依據(jù)是應(yīng)力解和Minidlin解，屬于結(jié)合了位移與應(yīng)力的一種計(jì)算法。一般的彈性理論，還有一種從簡(jiǎn)化彈性理論角度出發(fā)的位移求解法，是以應(yīng)立法中的子樁側(cè)面摩擦力為線(xiàn)性，通過(guò)多次疊加單樁分析結(jié)果得到樁群沉降量。

對(duì)實(shí)體深基礎(chǔ)法的分析

就目前工程界現(xiàn)狀而言，應(yīng)用最為廣泛的群樁沉降法是實(shí)體深基礎(chǔ)法，這種計(jì)算方法在具體應(yīng)用中是基于等效墩基原則選定的，選定對(duì)象為承臺(tái)下的樁群和樁間土，以設(shè)定的等代墩基范圍為準(zhǔn)，使樁基在不發(fā)生壓縮或變形的情況下投入使用。

對(duì)整個(gè)群樁沉降情況的分析

運(yùn)用Peck、Terzaghi等人提出的分析模式，即以探究樁間土之間存在壓縮變形的可能性為目的改變假想實(shí)體基礎(chǔ)底面的位置，Peck曾建議在樁端平面以上的高度放置假想實(shí)體的基礎(chǔ)底面，選定樁長(zhǎng)1/3的位置，或者在樁柱穿過(guò)軟弱土層進(jìn)入堅(jiān)硬土層的1/3持力層深度進(jìn)行選定，但是影響假想基底位置變動(dòng)的因素有很多，而這種方式?jīng)]有考慮全面，所以這種方法在實(shí)際應(yīng)用中并不能系統(tǒng)地反映問(wèn)題。

TonlLLnson等人建立的模式是通過(guò)擴(kuò)散或增大實(shí)體基礎(chǔ)底面積，來(lái)分析樁群外圍總剪應(yīng)力對(duì)樁基沉降的影響，具體操作的關(guān)鍵是從群樁樁頂外圍按照一定斜率擴(kuò)散。

由于地基土附加應(yīng)力的精度與樁基沉降問(wèn)題的研究有關(guān)鍵性的聯(lián)系，所以為了進(jìn)一步提高該作用力地方精度，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者在Mindlin公式的基礎(chǔ)上，以估算樁基荷載作用為研究方向，開(kāi)創(chuàng)出了一系列地基附加應(yīng)力計(jì)算法，當(dāng)中還包括了Mindlm解與Boussinesq解兩種方式的對(duì)比計(jì)算法。

對(duì)等效作用分層總和法的分析

早在很久以前就有人提出過(guò)等效作用法，并在長(zhǎng)期的應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果，目前被廣泛應(yīng)用于樁基技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)中。在研究均勻土質(zhì)的過(guò)程中，相同荷載下的矩形基礎(chǔ)所受到的Boussinesq解和相同土質(zhì)參數(shù)下群樁沉降所受的Mindlin解，這兩個(gè)值的比較計(jì)算一直以來(lái)都是設(shè)計(jì)中的一大難題，但合理的運(yùn)用等效作用法就能簡(jiǎn)單得出并修正等代墩基的附加應(yīng)力值。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，分析公路橋梁工程設(shè)計(jì)中的樁基沉降問(wèn)題，必須在充分掌握相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際情況計(jì)算，為了保證公路橋梁樁基沉降分析的全面性和科學(xué)性，還要善于借助先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，盡量避免橋梁工程樁基沉降對(duì)后期使用功能的影響。