桥梁工程设计中的桩基沉降研究李博强

桥梁工程设计中的桩基沉降研究李博强
在质量稳定以及承载能力方面，钻孔灌注桩占据绝对优势，这也是很多公路桥梁工程在
设计工作当中选择钻孔灌注桩的重要原因。

受到纵向荷载作用的影响，公路桥梁工程桩基础
沉降变化是一种互相作用而出现的结果，加之受到多变性因素的影响，公路桥梁设计的桩基
沉降是否适用于工程还需要一定的考验，这与工程成本造价、后期使用以及工程质量维护之
间同样存在密切联系。

充分说明桩基沉降的重要性与必要性。

一、单桩沉降计算理论
1.沉降量组成
单桩受到荷载作用后，其沉降量由下述三部分组成：
（1）桩本身的弹性压缩量；
（2）由于桩侧摩阻力向下传递，引起桩端下土体压缩产生的桩端沉降；
（3）由于桩端荷载引起桩端下土体压缩产生的桩端沉降。

1995年版的《桩基工程手册》与史佩栋主编的《实用桩基工程手册》均是上述意见，沉降量应该还包括一部分，即由桩土
的相对滑移引起的桩端刺入量。

因为一般桩端位置也有侧摩阻力，有侧摩阻力就有桩土相对
滑移。

但桩土的相对滑移的确较小。

2.单桩沉降计算的细节与方法
荷载传递分析法、弹性理论法以及剪切变形传递法等，是现阶段开展单桩沉降计算工作
时应用的几种主要方法，下面我们对其进行仔细分析。

（1）荷载传递分析法
荷载传递分析方法就是指传递函数法。

桩会在荷载传递分析法使用过程中被分为数量较
为庞大的弹性单元，每一个单元与土体之间都有着较为密切的联系，二者之间的联系一般是
借助非线性弹簧实现，进而实现对装于土间荷载传递关系的有效模拟。

确定传递函数的形式
是开展荷载传递法计算工作时最为核心的内容。

一般会借助解析法以及位移协调法两种方式
满足上述需求，在开展计算工作时必须严格遵循相关标准，其中最为重要的就是《桩基工程
手册》。

（2）弹性理论法
在利用弹性理论法开展计算工作时，桩会被分为若干个受载单元，每个单元都带有一定
的均匀性。

为实现对各单元受载大小的明确，需要利用桩上各单元的桩位移以及邻近土位移
之间的协调条件。

轴向荷载下桩身的弹性压缩式求得桩位移的前提。

在使用过程中必须结合
实际需求，判断其合理性与科学性。

（3）剪切变形传递法
Cooke（1974）提出了摩擦桩荷载传递物理模型。

假定当荷载水平P/Pu较小时，桩在轴
向荷载P作用下沉降较小，桩与土之间不产生相对位移，因此，桩沉降时周围土体也随之发
生剪切变形，剪应力τ从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。

剪切变形法采用的摩擦
桩的荷载传递物理模型比较合理。

弹性理论法很容易引入到对群桩的分析，因为它考虑到土
的连续性，但剪切变形传递法想要引入到对群桩的分析比较困难，还需要对其可行性进行探讨，对其方法进行深入研究。

3.影响单桩沉降的因素
由弹性理论法得出的影响单桩沉降的因素：影响单桩沉降的因素主要如下：
（1）单桩沉降随着L/d和K的增大而减小，亦即桩愈长和桩相对愈难压缩，单桩沉降
就愈小。

（2）Eb/Es愈大，单桩沉降就愈小。

即桩端土相对越难压缩，沉降越小。

（3）对于细长桩（即L/d较大），桩端持力层性状对单桩沉降影响较小。

（4）在《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中采用Mindlin方法计算桩基沉降，实际上并不是弹性理论分析方法，而是分层总和法，只是用Mindlin应力公式计算附加应力。

但在Mindlin应力公式中并没有Eb/Es的参数，因此桩端处持力土层的弹性模量与桩周土弹性模量之比值Eb/Es，在规范法计算时并不影响沉降大小，沉降结果只与桩端下土层的压缩模
量有关。

4.单桩刚柔性分析
L/d愈小和Ｋ愈大，Eb/Es的变化对单桩的沉降影响就愈大，亦即刚性桩特性愈显明显；不仅桩身模量较低的搅拌桩表现出柔性桩的特性，而且桩身模量很大的常规桩随着桩长的增
大也会呈现柔性桩的特性（指单桩沉降与持力层性状关系不大）；柔性桩与刚性桩的划分主
要取决于L/d和K。

二、群桩沉降计算
1.群桩沉降
变形形状是桩、承台、地基土相互影响的结果。

高承台群桩，侧摩阻力的荷载传递过程
仍与单桩相近，即遵循随着荷载增大侧摩阻力从桩顶开始逐步向下发挥。

2.群桩沉降影响主要因素
群桩沉降涉及的因素远比单桩沉降多，例如群桩几何尺寸的有关参数、施工工艺与流程、地基地质条件、荷载大小和持续时间，以及承台型式等，对于影响沉降的主要因素，单桩与
群桩两者也不相同，前者主要受桩侧摩阻力影响，而后者（群桩）的沉降在很大程度上与桩
端以下土层的压缩性有关，持力层下有软下卧层时，单桩试验承载力和变形能满足设计要求，但群桩沉降就不一定能满足设计要求，需要验算。

3.群桩沉降计算
已有的计算方法各有其特点和适用范围，大致可分为：弹性理论法、等代墩基法、分层
总和法、数值计算法等。

目前在工程中应用较广泛的桩基沉降计算方法，仍是把群桩作为假
想的实体深基础。

计算出作用在桩端平面处的压力ｐ后，即可按土力学课中所述的分层总和
法计算桩端下土的压缩层厚度内的变形值，即作为桩基的沉降量，其计算步骤与浅基础的沉
降计算相同。

许多工程实测证明，应用明德林解计算群桩沉降比布辛纳斯克解更符合实际。

但由于明德林解的计算方法复杂，故一直未能得到推广应用。

通过大量计算工作，《桩基规范》在明德林解与布氏解之间建立相关关系，并推荐一种称为"等效作用面分层总和法"用以
计算桩基沉降。

结语：在荷载力的作用下单桩与群桩的沉降计算方法之间有一定差异。

本文主要对其计
算方法进行系统，介绍并客观分析其中的优势，缺陷以及适用范围，进一步明确其应用对象。

虽然可以利用多种方法开展桩基沉降研究工作。

但在全面性方面还是存在一定的不足。

在实
际开展公路桥梁设计工作时，可以利用一种方式开展单桩与群桩的沉降计算工作，或者利用
一种方式与多种方式结合的模式。

这对设计者的理论知识以及实践经验提出较高要求，必须
在不断实践中进步与摸索。

参考文献：
[1]王静,裴伟民,叶政权.公路桥梁工程中桩基沉降的设计方法[J].江西建材,2015(3).
[2]廖守吉.公路桥梁工程中桩基沉降的设计措施[J].黑龙江交通科技,2015,38(12):142.。