樁基礎沉降計算中的幾個問題

魏定龍

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

橋梁墩臺基礎沉降按恒載計算,其工后沉降限值,對靜定結構墩臺均勻沉降:

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。

超靜定結構相鄰墩臺沉降量之差除應符合上述規(guī)定外,還應根據(jù)沉降差對結構產(chǎn)生的附加應力的影響而定。

通過多年的工作實踐和總結,其計算理論如下。

1 計算簡圖

樁基沉降及假想實體基礎計算簡圖見圖1,圖2。

群樁地基強度驗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的擴散角向下擴散傳布。這里,φ0為樁長范圍內(nèi)各土層(厚度為 hi)的摩擦角φ0的加權平均值,即:

假想實體基礎的底面積,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為上部結構傳來的豎向荷載(其作用點位于設計地面處),t;γp為假想基礎底面以上的土、樁和承臺的平均容重,地下水位以下部分應取浮容重,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《地基基礎設計規(guī)范》采用。

當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,對軟弱下臥層進行強度驗算,驗算方法與淺基礎類似。

2 主固結沉降S計算公式

摩擦樁基的沉降是一個十分復雜的問題。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,計算沉降量與實測沉降量相差較大,統(tǒng)計結果表明,計算值大于實測值。造成這種現(xiàn)象的主要原因是實際荷載傳遞投影面積大,產(chǎn)生的附加應力較小而沉降的經(jīng)驗系數(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O豎向附加應力,kPa。

其中,σh為樁尖處按恒載計算的假想平面的平均壓應力,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)壓縮曲線按實際應力范圍取值,kPa;C為樁尖至第i層天然地層底面范圍的平均附加應力系數(shù),C值可按地基和基礎規(guī)范附錄B查取。

3 實際土層壓縮模量Esi計算

本方法是根據(jù)壓縮曲線按本土層頂面和底面實際應力范圍進行計算的。

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層土中部的自重應力與附加應力σzi之和,kPa(建橋后),σzi=Ki×σz(o),Ki為矩形均布荷載σz(o)作用下中心點深度 Zi的附加應力的應力系數(shù),根據(jù) a/b,z/b查《橋涵地基與基礎設計手冊》表2-5;e1為在壓縮曲線上對應于p1時的孔隙比;e2為在壓縮曲線上對應于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)固結理論進行計算,也可根據(jù)土層的壓縮性能,按經(jīng)驗進行估算,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)相鄰基礎的凈距小于10 m時,在附加應力的計算中(用來計算土層的實際壓縮模量)必須考慮相鄰基礎的作用。

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力σh=γ(H+L+Z)很大,再加上附加應力的作用,土層的應力狀態(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)的標準值(即地基應力由100 kPa～200 kPa時的標準值)。

4)關于沉降計算經(jīng)驗系數(shù) ms的取值問題。此 ms值是根據(jù)壓縮模量 ES(1～2)的相關關系提出來的,主要是考慮土的結構性產(chǎn)生的影響,屬于低應力狀態(tài)問題(即土層應力變化幅值為100 kPa～200 kPa),而樁基礎樁尖以下是高應力狀態(tài)。ms經(jīng)驗值應該調(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?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,按要求換算成實際土層的壓縮模量進行沉降計算。

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,當按強度、剛度要求布樁不滿足沉降要求時,盡量適當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質(zhì)或在深處的可壓縮土層中當壓力增量比(指土中附加應力與自重應力之比)較小的情況下,要進行次固結沉降計算。次固結沉降可按“暫規(guī)”附錄D進行。

10)沉降計算按恒載計(不計恒載偏心的影響)。