公路橋梁工程設計中的樁基沉降問題

鉆孔灌注樁具有后期支撐作用穩定性高、承載能力強的特點，所以對于上部結構荷載較大的公路橋梁而言，鉆孔灌注樁是大部分公路工程的首選。要保證工程的造價、質量、工期及工程的使用壽命，就必須充分考慮公路橋梁樁基沉降的設計是否符合工程情況。筆者結合自身工作經驗，就公路橋梁工程設計中的樁基沉降問題進行探討。

樁基沉降的原因

端承型群樁沉降

公路橋梁工程中的樁群結構類型有很多，其中出現頻率最高的是端承型樁群。組成部分主要是端承樁，因此，剛硬性極強的持力層成為這種樁群結構最顯著的特點。端承型樁群正式投入使用后，能夠長時間承受巨大的重量，能夠利用不同的承臺將重量分散輸送到各個群樁地下層。這種承力模式不僅能讓樁體對自身承載的重量進行有效控制，還能在一定程度上提升樁體的承載強度。樁底部位四周土層的堅固度與群樁沉降現象有直接的聯系，而上述方法可以有效增加土層堅固度，極大地降低端樁刺入土層或者樁體發生沉降的幾率。

圖1 端承群樁

摩擦性群樁沉降

雖然摩擦樁群和端承樁群都有出現沉降的可能性，但引發沉降的原因有很大差異。工作人員在全面分析端承型群樁的過程中發現，每個單樁之間都存在大小值不同的綜合作用力，這種綜合作用力比較小，幾乎可忽略不計。但由于這些綜合作用力伴隨產生一些相互作用力，所以在分析摩擦樁群時，要充分考慮每個單樁之間的影響力，因為摩擦是傳遞建筑荷載重量的主要形式。不同的樁端土層和不同的單樁之間還存在重疊應力的問題，這大大加深了樁基之間的摩擦力對樁基承載能力的影響。從這個角度分析可知，與群樁能力強度有關的不僅僅是單樁承載力的相互疊加影響，還要全面考慮樁體之間的影響和干擾。

單樁的沉降分析計算

荷載傳遞分析法

分析單樁荷載的過程中，使用頻率最高的就是荷載傳遞分析法，這種方法嚴格遵循了規定范圍內負荷承載變形，以鏡像的方式完成對具體傳遞反映的計算。具體的工作原理為：以相同長度為要求，將樁基礎分為多個樁段，每一個樁段即為一個彈性單元，再以非線性彈簧模擬每個樁段和土層之間的聯系。這種方法在負荷承載傳遞運用曲線中，通常假定與樁基礎位移有關的變量只有該點的摩擦阻力，除此以外的任意位置點的摩擦阻力對其都沒有影響。

對剪切變形傳遞的分析

研究者庫克在1974年建立并提出了關于摩擦樁符合承載傳遞的模型，存在很多假設，即樁基礎的軸向負荷承載與荷載水平成正比，且荷載承載越小，沉降程度越低。而一旦出現樁沉降就會給周圍土地造成惡性影響，具體表現為剪切變形。所以，無論樁土之間發生相對位移與否，由于剪應力的徑向擴散渠道很多，其能通過樁基礎側面的表層擴散，最終給樁基礎和四周的土體結構造成影響。相比之下，摩擦樁段承載的負荷比其他樁基要小很多，在使用過程中發生沉降大多是因樁側負荷傳遞引起的。

對彈性理論法的分析

基于彈性理論角度分析土與樁、樁與樁、土與土之間的作用方式，是研究單樁基礎在縱向上的承載力前提下，分別分析承載力和基礎土層之間的作用力和相對位移的關系。以彈性理論為中心，可在分析過程中拓展出系列的單樁沉降計算法，但所有計算方式的有效應用都是建立在樁基礎位移和周圍土層位移保持同步和協調的條件下的。從軸向承載下的樁基礎樁身的壓縮情況就能得出樁基礎發生位移的結果，具體則可以通過某個定點產生的Minidlin位移得知樁四周土體的位移。

對單向壓縮分層總和法的分析

運用單向壓縮分層總和法計算公路橋梁樁基沉降結果，從總量角度而言相對精準，因為是通過全面分析樁基周圍土層的各項參數得出的數據。單向壓縮分層總和法屬于一種淺基礎層面的總沉降量計算法，這種方法被應用于大直徑單樁，盡管這類單樁的樁側阻力較小，但較大的樁基底面積能幫助整個樁基分擔重量。比如在深基計算的過程中，當外界一切條件都相同時，通過明氏應力分布法分析樁基沉降量，所得的量總值幾乎等同于工程設計和推算時的總量；而運用布氏公式法計算所得的值通常有偏差，相比于實際測量值要偏大30%，甚至50%；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。

群樁的沉降分析計算

對彈性理論法的分析

彈性理論的群樁沉降分析法，主要依據是應力解和Minidlin解，屬于結合了位移與應力的一種計算法。一般的彈性理論，還有一種從簡化彈性理論角度出發的位移求解法，是以應立法中的子樁側面摩擦力為線性，通過多次疊加單樁分析結果得到樁群沉降量。

對實體深基礎法的分析

就目前工程界現狀而言，應用最為廣泛的群樁沉降法是實體深基礎法，這種計算方法在具體應用中是基于等效墩基原則選定的，選定對象為承臺下的樁群和樁間土，以設定的等代墩基范圍為準，使樁基在不發生壓縮或變形的情況下投入使用。

對整個群樁沉降情況的分析

運用Peck、Terzaghi等人提出的分析模式，即以探究樁間土之間存在壓縮變形的可能性為目的改變假想實體基礎底面的位置，Peck曾建議在樁端平面以上的高度放置假想實體的基礎底面，選定樁長1/3的位置，或者在樁柱穿過軟弱土層進入堅硬土層的1/3持力層深度進行選定，但是影響假想基底位置變動的因素有很多，而這種方式沒有考慮全面，所以這種方法在實際應用中并不能系統地反映問題。

TonlLLnson等人建立的模式是通過擴散或增大實體基礎底面積，來分析樁群外圍總剪應力對樁基沉降的影響，具體操作的關鍵是從群樁樁頂外圍按照一定斜率擴散。

由于地基土附加應力的精度與樁基沉降問題的研究有關鍵性的聯系，所以為了進一步提高該作用力地方精度，國內外有關學者在Mindlin公式的基礎上，以估算樁基荷載作用為研究方向，開創出了一系列地基附加應力計算法，當中還包括了Mindlm解與Boussinesq解兩種方式的對比計算法。

對等效作用分層總和法的分析

早在很久以前就有人提出過等效作用法，并在長期的應用中取得了不錯的效果，目前被廣泛應用于樁基技術規范設計中。在研究均勻土質的過程中，相同荷載下的矩形基礎所受到的Boussinesq解和相同土質參數下群樁沉降所受的Mindlin解，這兩個值的比較計算一直以來都是設計中的一大難題，但合理的運用等效作用法就能簡單得出并修正等代墩基的附加應力值。

結語

總而言之，分析公路橋梁工程設計中的樁基沉降問題，必須在充分掌握相關理論知識的基礎上，結合自身經驗和工程實際情況計算，為了保證公路橋梁樁基沉降分析的全面性和科學性，還要善于借助先進的測量技術，盡量避免橋梁工程樁基沉降對后期使用功能的影響。