对公路桥梁桩基设计问题的思考

时间：2024-05-07

张　浩　邱志成

摘要：文章结合设计实践，参考相关规范及文献，针对现行公路桥梁地基与基础设计规范中关于桩基设计计算及桩基沉降量的计算问题进行了初步探讨。

关键词：桥梁桩基；桩基沉降量计算；端承桩和摩擦桩

中图分类号：U445文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）12-0088-01

一、端承桩和摩擦桩的区分问题分析

文献[1]中认为，一般情况下，上覆土层的侧阻力是可以发挥的，而且随着长径比l/d的增大，侧阻力也相应增大；只有短粗的人工挖孔嵌岩桩，端阻力先于土层侧阻力发挥，端阻力对桩的承载力起主要作用，属端承桩。对1/d>15~20的泥浆护壁钻（冲）孔嵌岩桩，无论是嵌入风化岩还是完整基岩中，桩侧阻力均先于端阻力发挥，表现出明显的摩擦型。对于1/d≥40，且覆盖土层不属于软弱土，嵌岩桩端的承载作用较小，此时桩基受力状态为摩擦桩，桩端嵌入强风化或中风化岩层中即可。在某些地区，泥质软岩嵌岩灌注桩1/d>45时，嵌岩段总阻力占总荷载比例小于20%；1/d>60时，嵌岩段端阻力占总荷载比例小于5%。究其原因，一方面，由于嵌岩桩桩身的弹性压缩，导致桩顶沉降，这个弹性压缩量引发了桩周土体的剪应力，也即是土对桩的摩阻力。另一方面，钻孔桩的孔底残留的沉渣，形成一个可压缩的软垫，至使桩底也会产生沉降，这一沉降和上述桩本身的压缩导致桩身与土体、嵌岩段桩身与岩体产生相对位移，从而产生侧阻力。而这种桩身弹性压缩和桩底沉降是随着长径比1/d的增大而增大的，因而导致摩擦力和侧阻力的增大。

试验结果表明：传递到桩端的应力也随嵌岩深径比hr/d增大而减小。一般地，当hr/d>5时传递到桩端的应力接近于零；但对泥质软岩嵌岩桩，hr/d=5~7时，桩端阻力仍可占总荷载的5%～16%。因此，端承桩和摩擦桩的区分，能单纯从是否嵌岩来区分，还要考虑上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质、嵌岩深径比和桩底沉渣厚度等因素。如何正确区分桩基类型，对桩基设计计算和施工是十分重要的。

二、桥梁桩基沉降的计算情况

基础的沉降，本次规范参考前苏联1984年《公路、铁路、城市道路桥涵设计规范》，在第4.3.3条规定：相邻墩台间不均匀沉降差值（不包括施工中的沉降），不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡（折角）。这样，可使桥上设施，如伸缩装置、连续桥面、支座能够适应（上述设施除适应不均匀沉降外，尚需适应安设以后的上部结构挠度、冲击、制动力和可能的由于弯、坡、斜引起的行车因素）。

桩基础的沉降是一个十分复杂的问题。由于很难对桩周围土体的应力应变关系做出细致、实际的观察，至今还不能从客观现象观察中提炼出反映桩周土真实的应力应变关系的数学计算模式。观察土体中桩基础，特别是观察软土中摩擦桩的沉降过程发现，它的第一特征是它的时间性。土中桩基础的沉降常要经历一个很长的时间过程。一般竣工后5~7年的沉降速率才降到每年4mm以下。这些现象表明，软土中桩基础沉降的主要部分是与时间因素有关的。按目前土力学的知识，沉降的主要部分应由固结变形和土体的流变组成。

土体中桩基础沉降的第二特征是刺入变形。一系列试验表明：桩发生沉降时，刺入变形是构成桩沉降的不可忽略的一部分。现场试验的历时都不可能太长，土的固结和徐变现象不可能充分发展。但试验结果充分说明，桩基础沉降的发生、发展过程中，桩侧和桩端附近的土体很早就已表现出非线性的性质，而不只是只有在桩的承载力接近极限时，土体才开始出现塑性。研究桩侧摩阻力时发现：在桩土之间的相对位移很小时，摩阻力的大小与相对位移成正比。当相对位移达到某一极限值Q时，摩阻力达到极值，桩土之间将产生滑动位移。这一极限值称为最大弹性位移。最大弹性位移的值并不大，一般认为Q=2~5mm。对于细长桩，当桩顶荷载不大时，由于桩身的弹性压缩，桩上部的桩土相对位移就已能超过这一极值，产生滑移。在不断加载的过程中产生滑移的区域不断扩大；另一方面，桩与桩之间土体变形的滞后（固结和徐变）使滑移区域不断变化。这一滑移现象是产生刺入变形的主要原因。

桩基沉降的第三特征是桩端下土体的压缩变形。桩侧土体和桩端以下的土体在应力场的作用下，由于固结和徐变的作用，会继续产生变形。其中，桩尖标高以上的桩侧土体的固结压缩和流变更为重要。由于桩身的变形基本是材料的弹性压缩。因此在这段时间内，桩侧土体质点向下的位移将逐渐大于同一深度处桩质点的位移，即在桩的上部，桩身质点向下的位移与相邻土质点之间的位移差会减小，甚至改变为负向。由于位移差产生的桩侧摩阻力也将随之减小，甚至产生负摩阻力。为了使减小了的桩周土反力与桩顶荷载平衡，必须产生一个新的沉降增量，增加桩土相对位移来增加土反力。这一过程就会产生新的滑移。这是一个很复杂的过程，也是一个很长的过程。但总的趋势是使桩上部的侧摩阻力逐渐减小，桩下部的侧摩阻力和桩端支承力逐渐增加。

由于《公路桥涵地基与基础设计规范》中计算基础沉降的长期效应组合与《建筑地基基础设计规范》的荷载准永久组合计算公式一致，可以用下面公式计算桥梁摩擦桩基础沉降：s=ψp∑^m_j=1∑ⁿ_ji=₁σ_j，_i△h_j，_i/E_sj，i。式中s—桩基最终计算沉降量（mm）；m—桩端平面以下压缩层范围内土层总数；Esj，i—桩端平面下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量（MPa）；n^j—桩端平面下第j层土的计算分层数；△h_j，i—桩端平面下第j层土的第i个分层厚度（m）；σj，i—桩端平面下第j层土第i个分层的竖向附加应力（kPa）可分别按建筑地基规范附录中的明林德公式计算。Ψp—桩基沉降计算经验系数，各地区应根据当地的工程实测资料统计对比确定。