桥梁设计中桩基沉降控制方法的应用

桥梁设计中桩基沉降控制方法的应用

发表时间：2017-07-24T11:38:11.840Z 来源：《基层建设》2017年第9期作者：龚循坤李立峰

[导读] 设计误差控制成为桥梁工程能够正常使用并且能够达到设计使用寿命的关键，其中桥梁桩基础不均匀沉降带给桥梁的损害是较大的，因此，该类问题的处理也成为桥梁设计过程中重要的一部分。

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摘要：桥梁工程的灾害防治工作和灾害处理工作较为困难，因此，作为一个投资大、施工量大、技术难度高的工程，其设计误差控制成为桥梁工程能够正常使用并且能够达到设计使用寿命的关键，其中桥梁桩基础不均匀沉降带给桥梁的损害是较大的，因此，该类问题的处理也成为桥梁设计过程中重要的一部分。本文以桥梁桩基础沉降控制为主要论题，就桥梁桩基础不均匀沉降的诱因对其进行灾害分析，并提出较为合理的设计要点加以改进。

关键词：桥梁；桩基础；沉降控制；方法

一、桥梁桩基沉降的分析

1、桥梁上部结构因长期使用而产生不均匀的沉降和一定的位移，从而对桥梁的超静定结构产生附加外力，同时使桥梁超静定结构的外力形式由承受纵向弯矩为主变成承受多向弯矩和偏心受压的形式，桥墩和桥桩基的受力形式发生较大的改变，与原设计偏差较大，从而在一定程度上引起桥梁桩基础的不均匀沉降。

2、在桥梁经过扩建后，桥梁的新建桩基础由于施工技术和施工质量的提升，其沉降速度和桩基位移量都比原有桩基础要小很多，地基土层在新桩基础和旧桩基础两者的相互作用下产生一定的附加土应力，从而改变了土应力的形式，是地基土层的应力形式与原设计方案相悖，对地基桩基础的产生附加的外力，导致其沉降的速度加快，扰乱整个桩基础系统的沉降均匀性，在一定程度上影响行车安全。

3、在土体回填的过程中，基础土层的回填土密实度不够，土体压实程度不足，会直接导致桥梁上部结构和桥梁桩基础下沉速度的加快，土层内含水率未能达到设计要求，土层内部的孔隙比未能达到设计要求，使土层的剪应力和承载能力都有所下降，造成桩基沉降速度的增加或桩基础的位移量超出设计要求误差范围，从而导致桩基础沉降的不均匀。

二、桥梁桩基沉降控制方法

1、常规桩基设计方法

常规的桩基设计方法主要是对桥梁基础的承载力和沉降速率进行较为精确的计算，并保证其沉降速度和桥梁自重与桥梁活载控制在一定范围内的过程。其主要的设计理论依据是桥梁基础在满足桥梁自重承载能力基础之上的桥梁构件的强度设计方法，其主要的方法是严格按照桥梁设计规范确定桥梁自重和桥梁最大额定活载值，并根据此值对桥梁的容许应力进行确定，并对施工地点的土层进行充分的勘察，确定地基土层的土应力，全面掌握地下土层持力层的高程变化规律，从而合理确定桩基分布的密度、直径、桩长等参数，并根据每根桩基的承载能力进行其强度的确定，对其钢筋混凝土结构进行合理的设计。运用这种方式，不但增大了设计中的主观因素的影响，还在很大程度上增大了桥梁桩基础设计过程中的误差，并且未能对设计工作进行良好的优化，其设计成本未能达到最小化，设计方案未能有效减少引起沉降的因素，对减少不均匀沉降损害的作用微乎其微。

图一常规桩基设计方法

2、沉降控制设计方法

由常规桩基设计方法的缺陷可知，桩基沉降控制在桥梁基础设计中的作用是十分重要的，合理的桩基沉降控制设计可以较为精确的控制桩基础的沉降速度和桩基础的制造成本。桩基础的受力形式使之有独特的优势，其受力形式使之成为控制桩基下沉量的重要基础形式，对其沉降控制设计的重视可以弥补常规桩基设计过程中桩基安全性和经济性的不足。

桥梁桩基沉降控制的首要方法是增大桩基构件的刚度，使构件自身的形变量减少，桥梁上部荷载对桩基构件是影响降到最低，保证其实际使用过程中的沉降速度不大于设计要求的沉降速度，也保证了其在满足沉降形变条件的同时还能够较好的满足土层对桩基础的各项应力指标，保证其形变在可控范围内。其次是扩大桩与桩之间的距离，减少桩基相互这间土层应力的相互影响，从而有效控制桩基沉降，第三是地质勘查时间尽量避免在土层枯水期或丰水期进行勘查，以保证得出的地质力学参数折中而不偏向极值，以减少因地层含水率的变化对桩基层沉的影响。

3、群桩沉降计算

沉降变形的计算和预估是沉降控制设计方法核心，因此，其设计条件是基于实际工程情况和现代所应用的理论情况的。桩基沉降计算的主要理论依据是太沙基土力学，该土力学方法也是现代土木工程学科的土力学理论教程。通常情况下，在设计过程中，对群桩基础的沉降计算方法主要包括实体深基础法、规范法、岩体边界有限单元法等，都是对桩基周围土层的模型构建及数值计算方法。

这三种方法中，最为广泛应用的是实体深基础法，该方法是根据深基础的特性，将深基础假设为天然地基的一部分，将桩基群、桩间土层和承台与天然地基视作一个整体，简化为理想的大地刚片，利用控制深桩基的构件形变和承台上部桥梁构件的形变而达到桩基沉降均匀的目的，桩端下土层在承台地面附加应力的作用之下，可按照天然地基沉降计算方法进行合理的沉降量计算，附加应力的确定通常采用布辛尼斯克解。

岩体边界有限单元法的主要理论依据是微积分和土力学理论，其主要是在非全无限域的弹性体内的应力分布问题，主要的测定方法是

在该弹性域内的任意一点处集中力所产生的应力分布效果，在积分后得出单桩荷载作用下土体内的应力分布情况，从而绘制出土体应力分布图，得出土体内的应力分布规律。群桩计算过程中，其桩基础的总沉降量是若干单桩对土体产生的应力所造成的单桩沉降量的各方向位移的叠加总和。

桩基规范法的实质是对上述两种方法的一种综合和优化过程，使两种方法的优势得以结合，并能够得出更为科学，误差更小的结果。该方法对各类土质进行了充分的考虑，对各种弹性状态和各种均匀状态的土质都有相对的参数进行对应，通过参数设定的方式对计算结果进行调节，从而达到误差最小化的目的。

4、桩基沉降控制标准

桩基沉降指标主要有最终沉降量s、沉降差和沉降速率三种。由于桩基纵横两方向的沉降差异，造成了较大的桩基沉降现象。上部结构的附加变形主要由纵向沉降控制，一般情况下，其主要的控制公式是。针对多幅桥，桥梁桩基础沉降设计还需要考虑横向的沉降位移，其横向的位移也会产生一定的附加内力。例如在桥梁扩建工程中，新旧桥梁的连接处会出现新旧两种桩基础的沉降不均匀情况，主要原因是二者连接处的荷载分布不均匀，造成二者挠度不同，使二者之间产生较大的挠度差从而增加其土层内的剪力形态，对桥梁桩基础造成一定的危害，也不断的加剧桩基沉降不均匀的现象。因此，合理控制新旧桩基础的沉降速率是解决该类问题的关键。

结论：桥梁桩基础的沉降速率控制需要有精确的计算和合理的地下结构设计作为基础。设计人员根据实际工程情况，选择合适的计算方法，对桥梁沉降量进行计算，保证桥梁的设计质量。设计人员应当对施工所在地区的地质情况、水文情况和环境情况进行深入的了解，保证其桩基设计能够与天然地基得到较为完美的融合，尽量减少桥梁不均匀沉降的灾害形成。对于旧桥扩建的工程，设计人员应当对旧桥进行损伤评估，保证其桥梁沉降量和桥梁实际沉降速度测定的精确性，并在设计新桥时应当重点考虑新旧桥梁桩基的沉降速率的同步性。

参考文献：

[1] 武圣章. 关于桥梁设计中桩基沉降控制方法的应用探究[J]. 黑龙江交通科技.2016(12)

[2] 周婷婷. 桩基沉降控制方法在桥梁设计中的应用分析[J]. 黑龙江交通科技. 2016(6)