公路橋梁工程設計中樁基沉降問題研究

張軍杰

摘 要：樁基承擔了公路橋梁上的全部負載，包括車輛荷載、橋梁上下部恒載，其在公路橋梁中起著重要的支撐作用，保證了公路橋梁的安全運行。但是，受多種因素的影響，公路橋梁普遍存在樁基沉降問題，它直接威脅橋梁安全，影響橋梁的正常使用。因此，有必要深入研究和解決公路橋梁工程設計中的樁基沉降問題。本文分析了橋梁樁基的作用、樁基沉降問題發生的原因，提出防止樁基沉降的措施，以期優化公路橋梁工程設計，減少公路橋梁發生沉降的可能性。

關鍵詞：公路橋梁;樁基設計;沉降;引發原因;防止措施

中圖分類號：U443.15文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0116-03

Abstract： The pile foundation bears all the loads on the highway bridge， including the vehicle load and the dead load of the upper and lower parts of the bridge， which plays an important supporting role in the highway bridge and ensures the safe operation of the highway bridge. However， due to many factors， the settlement of pile foundations is common in highway bridges， which directly threatens the safety of the bridge and affects the normal use of the bridge. Therefore， it is necessary to in-depth study and solve the problem of pile foundation settlement in highway and bridge engineering design. This paper analyzed the function of the bridge pile foundation and the reasons for the settlement of the pile foundation， and proposed measures to prevent the settlement of the pile foundation， in order to optimize the design of highway bridge engineering and reduce the possibility of settlement of the highway bridge.

Keywords： highway bridge;pile foundation design;settlement;cause;preventive measures

公路橋梁荷載主要由樁基結構承擔，為了保證樁基結構在承受大量荷載的情況下依然安全、穩固，人們需要通過技術處理加固橋梁樁基結構。目前，通常使用的處理技術就是鉆孔灌樁技術，但受樁體、地基、承臺與土層之間的作用影響，樁基會經常發生變化，出現沉降問題。樁基沉降會影響公路橋梁工程施工，如建設質量、建設成本及建設期限。因此，設計人員要優化公路橋梁工程設計，解決樁基沉降問題。

1 樁基的作用

樁基在公路橋梁工程中起支撐作用，可以保證橋梁結構穩固和安全運行。在公路橋梁工程中，樁基有三大作用。

1.1 緩解上部結構沉降

樁基本身具有較大的剛度，可以分攤和承受較大的上部荷載，緩解上部結構沉降，以免出現橋體變形，保證橋梁工程符合安全設計要求。另外，柱基與周圍土體存在空隙，能夠互相摩擦，使得公路橋梁上部荷載向周圍分解，保證上部結構穩固。

1.2 降低公路橋梁工程建設成本

部分區域自然環境較差，在進行公路橋梁工程施工時，若地下水位較高或者需要進行水下作業，人們可以采用樁基結構作為橋梁基礎。樁基結構既能保證公路橋梁施工質量，又能節約成本，降低人力、物力、財力消耗。

1.3 有效抵御自然災害的破壞

相比橋梁工程其他部位，樁基結構具有較強的抗拔能力，能夠有效抵御地震、大風、洪澇等自然災害的破壞，保證橋梁工程施工質量和使用安全[1]。

2 樁基沉降發生的原因

軟土的壓縮性因液限的增加而升高，軟土基礎受到外界壓力作用后又會出現較高的超靜孔隙水壓力。二者容易造成軟土變形，而且變形具有流變特征，時間較長。因此，公路橋梁工程在建設過程中容易出現樁基沉降問題，樁基沉降從施工貫穿到橋梁運行的整個過程，呈現出連續性規律[2]。為了防止橋梁樁基發生沉降，每個環節必須采取防控措施。經分析，樁基沉降是多種因素造成的，設計階段容易忽視的影響因素有三種。

2.1 施工區域地質因素

地質因素方面，土體與樁基下部結構相互作用，土體的硬度對樁基有著直接影響。土體硬度越大，土體空間的壓縮變形就越小，發生樁基沉降的可能性就越小;反之，土體硬度越小，土體空間的壓縮變形就越大，發生樁基沉降的可能性就越大。

2.2 公路橋梁工程設計不嚴謹

橋梁樁基沉降的出現率比較大，在進行橋梁工程設計時，部分設計人員因循守舊，易沉降部分采用搭板設計，但受軟土層的影響，搭板設計又達不到提高橋梁結構整體穩固性的目的，其在承受較大荷載時容易產生裂縫，加重樁基負荷，增加沉降發生率。為了分散橋梁墩柱的承受力，有些設計人員會采用承臺設計，但是現行橋梁設計規范并沒有對承臺有具體要求。設計人員缺乏參照標準，依據自身的工作經驗進行設計，容易使設計方案與工程實際產生出入[3]。

2.3 樁基類型選擇

實踐表明，樁基類型的選擇與樁基沉降表現形式相關，樁基形式不同，樁基沉降程度不同。比如，鉆孔樁與打孔樁對樁基礎沉降情況的影響明顯不同。在同樣承受較大的荷載時，鉆孔樁基礎沉降表現形式為地基土體壓縮變形，打孔樁基礎沉降表現形式為樁間土體壓縮變形。

3 公路橋梁工程設計中防止樁基發生沉降的措施

當前，人們不僅要優化公路橋梁工程設計，還要改進公路橋梁工程施工方法，多方位預防和解決公路橋梁工程樁基沉降問題。

3.1 實地勘察地質狀況

公路橋梁工程設計要首先考慮施工區域的地質狀況，樁基沉降程度受地質狀況影響。因此，要第一時間對施工區域地質狀況進行勘察，掌握準確數據，為設計和施工提供可靠數據。地質勘察期間，要調查清楚地質形態成因、地質地層厚度、地基土體軟硬度等內容，通過實地調查形成調查報告，詳細說明地質特性，尤其是各地層分布情況、樁基情況，并根據實地考察，初步確定樁型和長度。勘察工作要做到科學、規范，保證數據的精確度，為公路橋梁工程設計提供可靠依據，為預防樁基沉降做好準備。

3.2 保證橋梁樁基的基本性能

樁基設計的目的是增強橋梁上部結構穩定性，其主要涉及橋梁樁型、橋梁結構方案的選擇;樁徑、樁長、樁距參數的計算與確定;單柱基結構形式的選擇;樁基承載能力及基礎應力的計算與確定;樁基、樁帽結構形式的設計;樁基位置的平面設計等。樁基設計要考慮環境變化對樁基的影響及施工中可能發生的多種常見問題，并制定相應的對策。

設計的樁基必須滿足基本的性能要求。首先，樁基要具有良好的荷載傳遞性能，使得地基承受來自橋梁橫向和縱向的負載，以分擔橋梁上部結構的負荷。其次，樁基要具有良好的抗彎性能，樁基本身只有具有一定的剛度和抗彎能力，才能應對來自上下部結構的多種壓力加載，減少環境等因素的影響[4]。

3.3 選擇正確的樁型及布局

在樁基設計中，首先要考慮樁基類型及長度，根據施工現場環境因素的優勢與劣勢，對施工工藝、工期、樁基構成進行科學設計，并選擇合理的樁基長度和類型。在樁基設計中，使用較多的樁基類型有預制柱、鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、沉管灌注柱等，鉆孔灌注樁是公路橋梁工程中較為常用的樁基類型。具體采用哪種類型，要根據施工現場、施工環境及橋梁結構構造、上下部負荷能力進行合理選擇[5]。

在樁基布局上，若選用單樁就能滿足工程需要，則要在樁基設計中合理使用單樁沉降分析計算法。單樁沉降分析計算法常用的有四種：荷載傳遞分析法、剪切變形傳遞法、彈性理論法、單項壓縮分層總和法。荷載傳遞分析法是根據規定的荷載變形傳遞方式來計算樁對荷載的反應。剪切變形法的原理是假設樁間和樁側土體都沒變化，不考慮其他阻力因素影響，如果單樁發生沉降，土體會隨沉降發生位置下移，出現剪切現象，受剪切應力傳遞作用影響，相應剪切力變小。因此，單樁基設計可以利用剪切力計算樁徑，剪切變形法設計的單樁樁徑數值能夠有效預防樁基沉降。彈性理論法則根據單樁受到的豎向作用力與樁土之間發生作用產生的位移關系，計算出樁體與土的共同作用。單向壓縮分層總和法是依據各土層的參數計算出各層土的沉降量，然后計算各土層沉降量總和，得出沉降量[6]。

若工程樁基需要群樁基礎，則在應對樁基沉降時還需要考慮眾多影響因素。群樁基礎承載力不是簡單的單樁承載力相加，群樁沉降設計計算主要運用的方法有實體深基礎法、分層總和法。實體深基礎法的計算原理是利用擴展計算方法，計算群樁承載力，根據群樁承載力計算群樁沉降值，為保證計算的精確性，還需要考慮土體存在的壓縮變形情況及每個單樁樁基剪切應力的影響。分層總和法指的是先分層計算各土層沉降量，然后根據單值計算沉降量總和。各層沉降量的計算參照的是各土層的壓縮性系數。但是，在計算中要充分考慮影響地基沉降的因素，分層總和法計算出的是地基的最終沉降量，根據分層總和法計算的準確數值對群樁進行設計，預防樁基發生沉降現象[7]。

3.4 優化樁基布局

一個科學、合理的樁基布局能夠有效緩解樁基沉降，樁基能否均勻布局取決于對樁柱荷載范圍、橋梁總體長度、樁基數量的準確計算。三個環節緊緊相連，每個環節的精確度都直接影響下一個環節的計算，只有三個環節都準確無誤，才能確保樁基布局準確，進而有效確保樁基沉降問題得以解決。但是，受地質環境的影響，在樁基難以保證均勻布置的情況下，人們需要根據施工現場實際情況，通過其他附加結構彌補不足，減少樁基沉降。

3.5 確保墩臺施工質量

墩臺橋梁施工耗時多、花費高，墩臺質量與樁基沉降有著密切關系，因此，設計人員要嚴格按照公路橋梁工程設計相關規定，以保證各個墩臺之間受力上下、左右保持一致，平均分配承重。設計中，要明確和規范控制墩臺施工質量的措施，比如，在墩身混凝土施工過程中，要明確規定混凝土澆筑厚度及方向，測量混凝土含水量、坍落度、溫度，使各項數值控制在要求范圍內，澆筑時分層澆筑混凝土，并把每層澆筑間隔時間控制在1.5 h內。混凝土振搗過程中不得與模板、鋼筋、預埋鐵件發生碰撞，并防止混凝土表面出現較大氣泡，嚴格控制振搗工藝，保證混凝土振搗的密實性[8]。

4 結語

樁基沉降是在整個橋梁工程中出現頻率大、時間持續比較久的質量問題，若樁基沉降處在合理范圍內，對橋梁工程并無大的影響，那么及時采取補救措施，公路橋梁仍能保證安全通行能力。但是，若樁基沉降超出控制范圍，影響橋梁結構穩定，則對橋梁安全性造成威脅，降低橋梁使用期限，甚至造成重大交通安全事故。在公路橋梁工程設計中，要防止樁基發生沉降。設計人員必須明確樁基沉降發生的原因，在設計過程中依據施工現場條件及地質情況，制定科學嚴謹的施工方案，多措并舉，保證橋梁安全通行，穩步推進公共設施建設，延長橋梁使用壽命，保障公眾出行安全。

參考文獻：

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