桥梁工程设计中的桩基沉降研究

桥梁工程设计中的桩基沉降研究

发表时间：2018-07-16T11:45:06.093Z 来源：《基层建设》2018年第16期作者：任山江

[导读] 摘要：在桥梁结构设计工作中，其上部结构荷载普遍较大，而钻孔灌注桩基础具有后期质量稳定、承载能力高的特点，所以该类桩基础成为绝大多数公路桥梁工程首选的形式。

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摘要：在桥梁结构设计工作中，其上部结构荷载普遍较大，而钻孔灌注桩基础具有后期质量稳定、承载能力高的特点，所以该类桩基础成为绝大多数公路桥梁工程首选的形式。桥梁桩基沉降的设计计算对于工程的适用性、准确性，将对工程造价、质量、工期及工程的后期使用寿命产生很大影响。文章主要阐述了两种基本桩基类型的区分，并详细分析了单桩沉降分析计算方法，最后提出了群桩的沉降计算分析方法，对于类似工程桩基础沉降计算具有借鉴和指导意义。

关键词：桥梁工程设计；桩基沉降；桩基类型

1 正确区分摩擦桩和端承桩等桩基类型

1.1 桥梁桩基的分类

桥梁桩基根据施工类型可以分为冲孔、挖孔、钻孔等桩基；按照承载性状的不同，可以分为端承桩、摩擦桩；按照桩基的几何直径分为大直径桩基、中等直径、小直径桩基等，通常的施工建设中都采用大直径的桩基，例如：高架桥、立交桥等；按照桩基结构的水平受力情况，可以将其分为被动受力桩和主动受力桩，按照竖向的受力情况，分为抗压桩和抗拔桩。随着桥梁建设的不断进步，结构更加复杂的桩基也逐步使用，针对不同的桩基结构，要进行不同的桩基沉降研究，保证结果的精确性。

1.2 摩擦桩和端承桩

在公路桥梁工程中，桩基础根据桩在土中的不同受力情况，通常被人们分为摩擦桩和端承桩两类。摩擦桩是完全设置在软土层具有一定深度的桩基础，上部结构的负荷承载是由桩身四周侧面与土发生的摩擦力和桩基础尖端阻力共同承担的。端承桩是完全穿过软土层后达到深层的坚实地基的一种桩基础，它的上部结构不同于摩擦桩，其负荷承载大部分都是由桩尖端的阻力来承担的。事实上，在实际现场施工结果表明：桩身四周侧面的阻力、桩尖端阻力的性状和上面覆盖土层的性质、厚度、桩基础的长度和半径比例、嵌入基岩性质及嵌岩深度比例、桩基础底部沉渣厚度等多种因素相关。

2 公路桥梁桩基的检测技术

2.1 静载试验法

桩基静载试验是一种全新的桩基静载试验方法，检测流程是：首先把特制的加载设备埋到桩内的固定位置，同时把加载设备的高压油管和位移杆牵引到地面上方，然后用高压泵向荷载箱内输油，荷载箱将力传到桩身，其上部桩身的摩擦力与下部桩身的摩擦力及端阻力相平衡，通过Q-S曲线的变化情况，可以判定公路桥梁桩基的承载力、桩基沉降状况、桩基弹性压缩因子和岩土层的变形程度。

2.2 高应变动测法

高应变动测试技术是美国的测试公司首先发明的，这是一种和计算机软件联系较为紧密的测试技术，通过在桩顶测量被激发阻力产生的应力波和速度波来确定承载力的大小，目前在测量界，最常用的是高应变动力试桩法和曲线拟合法。高应变动测量技术在检测桩基的垂直极限承载力方面具有独有的优点，无需架设辅助锚桩，而且测试时间短、费用低、效率高，同时不仅仅可以用于确定单桩承载力和桩身重量，还能反映桩体的完整性、桩层阻力分布等。

2.3 声波透射法

声波透射法是在灌注混凝土之前，在桩基内埋设若干根声测管，以便于顺利的进行超声波发射和接收，利用超声波探测仪沿着纵轴线逐点的测量各横截面的声参数，并对测量的各种参数数值进行分析判断，从而推算出桩基中混凝土结构的沉降状况，给出混凝土结构的强度和指标。

2.4 钻孔取芯法

钻孔取芯法利用专用的钻孔设备对桩基进行抽芯取样，并结合实际的取样情况，判断桩基的长度、混凝土的缺陷、混凝土的强度、桩基持力层的厚度等，钻孔取芯方法能直接接触到桩基，对于桩基状况的了解较为准确，但是测量数据不全面，只能对局部范围的桩基状况进行判断，不能全面的了解桩基的情况，而且对于桩基结构造成破坏，在实际的检测工作中采用较少。

3 单桩的沉降分析计算

单桩载荷分析最常用的方法是载荷传递分析法，其工作理念是把桩基分散为一系列的相同长度的桩基单元，并将每一个桩基段和土层之间的联系采用非线性的弹簧来模拟，并且桩基础端部土体也采用非线性弹簧与其联系。但是在现场工程施工中，需要安装不同的仪器设备，进行桩基的载荷试验，其现场测试的普及性不好。

剪切形变传递模型的提出简化了桩基沉降中的计算，同时模型假定认为当载荷承载力较小时，桩基在轴向的负荷载力下会发生沉降，而且桩基在沉降的过程中，会对周围的土层产生剪切形变的作用，而桩基周围土层没有相对的移动，剪应力会沿着桩基侧面的表层扩散到周围的土层中。在使用负荷承载时，摩擦桩段承载的比例要小的多，其沉降大多是由桩侧所传递的负荷承载造成的。

弹性理论法是利用弹性理论对桩土关系进行系统研究，研究单桩基础在纵向的负荷承载作用力与桩基础土层之间的作用力和相对位移之间的关系，从而得到土对桩、桩对桩以及桩对土还有土对土之间的所有的共同作用方式。弹性理论法可以扩展出一系列的沉降计算方法，并能够基于桩基的位移进行轴向承载下桩基的压缩计算。

4、群桩的沉降分析

4.1、弹性理论法

弹性理论法的群桩沉降分析是以Minidlin解的唯一和应力解为依据形成的位移法和应力法。此外还有一种简化的弹性理论法求位移，以应力法中子桩侧面摩擦力为线性，将单桩分析的理论进行叠加得到桩群的计算方法。

4.2、实体深基础法

现在常用的群桩沉降方法是实体深基础法，可以把高承台下的桩群和土层作为实效墩基的实体深基础，不超过这个等代墩基的范围，桩群如同实体墩基般工作并且桩间土层不发生压缩，最后利用扩展的计算方式得到群桩的沉降。在实际的计算中，要消除桩基附加应力和

地基土性质的差别而带来的误差，要采取一系列的防治措施，例如变动假定实体基础底面的位置，注意桩基础之间土层发生压缩的可能性；在群桩顶部外面以固定斜率增大假定实体基础底面的面积，注意群桩基础周围剪应力的影响等措施。

4.3、等效作用分层总和法

等效作用法很早就被提出，并被桩基技术规范采用，来进行对均匀土质的土层中群桩沉降的Mindlin解和均匀负荷承载下的矩形基础的Boussi-nesq解之间的比值进行计算，得出结论，修正等代墩基的附加应力，最后依据分层总和法求得群桩的沉降。

5 结束语

总而言之，公路桥梁的上部结构荷载一般都很大，利用后期具有质量稳定、承载能力强等优点的钻孔灌注桩通常是大部分公路桥梁工程设计中首先选择的方式。在公路桥梁工程中，在纵向荷载作用力下的桩基础，沉降的变化是桩、地基以及承台、土层之间的互相作用的结果，由于这些因素的多变性，公路桥梁设计中的桩基沉降计算结果能否适用于工程，对于工程质量、工程成本造价、能否按时竣工、后期的使用时间以及后期使用的维护影响非常大。因此在以后的设计工作中，对公路桥梁单桩和群桩的沉降计算还可以先采用一种方法，再利用另外一种方法或者多种方法复核对比的模式，这个过程并不是一成不变的，在实际中，采用何种理论要看实际情况而定，这就需要设计者在有着丰富的理论知识的前提下，在实际工作中摸索着前进。

参考文献：

[1]颜宏.公路桥梁工程设计中的桩基沉降分析[J].工程技术，2010（3）.

[2]陈启松.桥梁桩基沉降原因分析和处理方案[J].智能技术，2011，10（9）.

[3]鲁民功.试论铁路桥梁桩基沉降问题[J].科技创业家，2012.