公路橋梁工程設計中的樁基沉降分析

摘要：隨著國民經濟的持續發展，我國的生活水平和質量也在不斷提高，溫飽問題大致解決，政府也越來越多的把目光投注在國家基礎設施的建設上。在基礎公共設施中，交通占有著很大一部分，而在公路、鐵路、航運、海運等交通運輸中，公路則是其中最主要的部分。橋梁也是公路交通組成的一部分，因此研究公路橋梁工程設計具有相當重要的意義。在現代的公路運輸中，高速和重載是主要負荷，公路橋梁基礎承受的荷載也越來越大，因此，它們的基礎所承受的負荷承載在越來越大，準確的分析公路橋梁工程設計中的樁基沉降對其實際施工有著不可忽視的作用。

關鍵詞：公路橋梁 工程設計 樁基沉降分析

公路橋梁的上部結構負荷承載一般都很大，利用后期的具有質量穩定、承載能力強等優點的鉆孔灌注樁通常是大部分公路橋梁工程設計中首先選擇的方式。在公路橋梁工程中，在縱向荷載作用力下的樁基礎，沉降的變化是樁、地基以及承臺、土層之間的互相作用的結果，由于這些因素的多變性，公路橋梁設計中的樁基沉降是否適用于工程，對于工程質量、工程成本造價、能否按時竣工、后期的使用時間以及后期使用的維護工程影響非常大。本文結合理論知識和實際經驗，對公路橋梁設計中的樁基沉降做了系統分析。

1 正確區分摩擦樁和端承樁等樁基類型

在公路橋梁工程中，樁基礎根據樁在土中的不同受力情況，通常被人們分為摩擦樁和端承樁兩類。摩擦樁是完完全全設置在軟土層具有一定深度的樁基礎，上部結構的負荷承載是由樁身四周側面與土發生的摩擦力和樁基礎尖端阻力共同承擔的。端承樁是完全穿過軟土層后達到深層的堅實土層的一種樁基礎，它的上部結構不同于摩擦樁，其負荷承載大部分都是由樁尖端的阻力來承擔的。事實上，在實際現場施工結果表明：樁身四周側面的阻力、樁尖端阻力的性狀和上面覆蓋土層的性質、厚度、樁基礎的長度和半徑比例、嵌入基巖性質及嵌巖深徑比例、樁基礎底部沉渣厚度等多種因素息息相關。

2 單樁的沉降分析計算

2.1 荷載傳遞分析

單樁荷載分析最常用的方法就是荷載傳遞分析法，它從規定的負荷承載變形傳遞方法對其反應鏡像計算。其工作的基本理念就是：把樁基礎分散為一系列相同長度的樁基礎段（彈性單元），每一個樁基礎段和土層之間的聯系全部都用非線性彈簧來模擬，并且樁基礎端處土體也采用非線性彈簧與其聯系。

負荷承載傳遞運用曲線中，這個法假定任意點的樁基礎位移只與該點的摩擦阻力相關，與樁基礎的其它位置點的摩擦阻力無關，如果不考慮土體的連續性，分析樁群的荷載沉降關系就不適用。

如果要獲得工程施工現場的負荷承載傳遞曲線，那么就需要安裝多種不同功能的設備儀器進行樁基礎的負荷承載試驗。但是實驗成果推廣到其它場地卻不能百分百成功。

2.2 剪切變形傳遞

1974年，庫克提出了關于摩擦樁負荷承載傳遞的模型，這種模型為了簡化計算做了許多假設并認為：當荷載水平比較小的時候，樁基礎的在軸向負荷承載做下沉降也會小，樁沉降的時候四周土體也會發生剪切變形，即樁土之間不會發生相對的移動，而且剪應力會沿徑從樁基礎側面的表層擴散到樁基礎周圍和四周的土體中。在使用負荷承載時，摩擦樁段承載的比例要小的多，其沉降大多是由樁側所傳遞的負荷承載造成的。

2.3 彈性理論法

彈性理論法就是利用彈性理論對樁土系統研究單樁基礎在縱向的符合承載作用力與樁基礎土層之間的作用力和相對位移之間的關系，從而得到土對樁、樁對樁以及樁對土還有土對土之間的所有的共同作用方式。依據彈性理論方法能偶拓展出一系列的單樁沉降計算方法，這些拓展的計算方法都是基于樁基礎的位移和相近的土層的位移之間的協調條件?；诖?，樁基礎的位移能夠根據軸向承載下樁基礎樁身的壓縮而得到，裝周圍土體的位移能夠根據某點所長生的Minidlin位移得到。根據沿界面諸多的相鄰點的樁基礎位移與土層位移相等，在彈性理論中加上樁基礎土界面一般都滿足彈性這一個條件，最后得到樁身摩擦力的分布和樁端阻力的分布以及樁位移的分布。

2.4 單向壓縮分層總和法

單向壓縮分層總和方法是依據周邊土層的參數計算得到各層的沉降和總的沉降量。在樁基礎設計中，這種淺基礎的計算總沉降量的常用方法通常用于直徑比較大的單樁，因為其樁側的阻力負荷承載分擔比相對比較小，樁基礎底端半徑大，荷載分擔也大，所以可以采用單向壓縮分層總和法來計算沉降量。例如，當深基計算的其他條件一樣時。利用明氏應力分布計算出總沉降量和設計過程中的推算量比較接近，用布氏公式計算出的值則略比實際測量值約大二分之一到三分之一。用分層總和法分析單樁沉降量時，依據壓縮層的計算深度，參照相關規定，或者實際經驗來確定。

3 群樁的沉降分析

3.1 彈性理論法

彈性理論法的群樁沉降分析是以Minidlin解的唯一和應力解為依據形成的位移法和應力法。此外還有一種簡化的彈性理論法求位移，以應力法中子樁側面摩擦力為線性，將單樁分析的理論進行疊加得到樁群的計算方法。

3.2 實體深基礎法（等代墩基）

在現代公路橋梁工程設計中計算群樁沉降的方法做常用的一種就是實體深基礎法，它是把高承臺下的樁群和土層作為一個等效墩基的實體深基礎，不超過這個等代墩基的范圍，樁群如同實體墩基般工作并且樁間土層不發生壓縮，最后利用擴展的計算方式得到群樁的沉降。

根據選用的假定實體基礎底面的點不同，以及附加應力和地基土性質的不同，可以使用計算不同的模式。為了消除這些差別對計算的影響，可以采取以下措施進行預防：

3.2.1 變動假定實體基礎底面的位置，注意樁基礎之間土層發生壓縮的可能性；

3.2.2 在群樁頂部外面以固定斜率增大假定實體基礎底面的面積，注意群樁基礎周圍剪應力的影響；

3.2.3 根據半無限彈性體內集中力的公式擴展出一系列的計算荷載下附加應力的方法，可以改善地基土層附件應力的計算準確度。

3.3 等效作用分層總和法

1940年，我國的工程專家黃強、劉金礪兩位首先提出了等效作用法，不久，此法被樁基技術規范采用，來進行對均勻土質的土層中群樁沉降的Mindlin解和均勻負荷承載下的矩形基礎的Boussinesq解之間的比值進行計算，得出結論修正等代墩基的附加應力。最后依據分層總和法求得群樁的沉降。

總結：本文是筆者結合了理論知識和實際工作經驗總結出的公路橋梁工程設計中對樁基沉降的分析。系統的介紹了單樁與群樁在荷載作用力下的沉降計算方法，并且對它們的優勢、缺陷以及適用的范圍、應用的對象等進行了簡單的論述。盡管本文論述的方法比較多，但是并不全面，在實際的公路橋梁設計中單樁和群樁的沉降計算還可以先采用一種方式，在利用另外一種方式或者多種方式相結合的模式，這個過程并不是一成不變的，這就需要設計者在有著豐富的理論知識前提下，在實際工作中摸索前進。

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