桥梁工程设计中的桩基沉降研究李博强

李博强

大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司

在质量稳定以及承载能力方面，钻孔灌注桩占据绝对优势，这也是很多公路桥梁工程在设计工作当中选择钻孔灌注桩的重要原因。受到纵向荷载作用的影响，公路桥梁工程桩基础沉降变化是一种互相作用而出现的结果，加之受到多变性因素的影响，公路桥梁设计的桩基沉降是否适用于工程还需要一定的考验，这与工程成本造价、后期使用以及工程质量维护之间同样存在密切联系。充分说明桩基沉降的重要性与必要性。

一、单桩沉降计算理论

1.沉降量组成

单桩受到荷载作用后，其沉降量由下述三部分组成：

（1）桩本身的弹性压缩量；

（2）由于桩侧摩阻力向下传递，引起桩端下土体压缩产生的桩端沉降；

（3）由于桩端荷载引起桩端下土体压缩产生的桩端沉降。1995年版的《桩基工程手册》与史佩栋主编的《实用桩基工程手册》均是上述意见，沉降量应该还包括一部分，即由桩土的相对滑移引起的桩端刺入量。因为一般桩端位置也有侧摩阻力，有侧摩阻力就有桩土相对滑移。但桩土的相对滑移的确较小。

2.单桩沉降计算的细节与方法

荷载传递分析法、弹性理论法以及剪切变形传递法等，是现阶段开展单桩沉降计算工作时应用的几种主要方法，下面我们对其进行仔细分析。

（1）荷载传递分析法

荷载传递分析方法就是指传递函数法。桩会在荷载传递分析法使用过程中被分为数量较为庞大的弹性单元，每一个单元与土体之间都有着较为密切的联系，二者之间的联系一般是借助非线性弹簧实现，进而实现对装于土间荷载传递关系的有效模拟。确定传递函数的形式是开展荷载传递法计算工作时最为核心的内容。一般会借助解析法以及位移协调法两种方式满足上述需求，在开展计算工作时必须严格遵循相关标准，其中最为重要的就是《桩基工程手册》。

（2）弹性理论法

在利用弹性理论法开展计算工作时，桩会被分为若干个受载单元，每个单元都带有一定的均匀性。为实现对各单元受载大小的明确，需要利用桩上各单元的桩位移以及邻近土位移之间的协调条件。轴向荷载下桩身的弹性压缩式求得桩位移的前提。在使用过程中必须结合实际需求，判断其合理性与科学性。

（3）剪切变形传递法

Cooke（1974）提出了摩擦桩荷载传递物理模型。假定当荷载水平P/Pu较小时，桩在轴向荷载P作用下沉降较小，桩与土之间不产生相对位移，因此，桩沉降时周围土体也随之发生剪切变形，剪应力τ从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中。剪切变形法采用的摩擦桩的荷载传递物理模型比较合理。弹性理论法很容易引入到对群桩的分析，因为它考虑到土的连续性，但剪切变形传递法想要引入到对群桩的分析比较困难，还需要对其可行性进行探讨，对其方法进行深入研究。

3.影响单桩沉降的因素

由弹性理论法得出的影响单桩沉降的因素：影响单桩沉降的因素主要如下：

（1）单桩沉降随着L/d和K的增大而减小，亦即桩愈长和桩相对愈难压缩，单桩沉降就愈小。

（2）Eb/Es愈大，单桩沉降就愈小。即桩端土相对越难压缩，沉降越小。

（3）对于细长桩（即L/d较大），桩端持力层性状对单桩沉降影响较小。

（4）在《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中采用Mindlin方法计算桩基沉降，实际上并不是弹性理论分析方法，而是分层总和法，只是用Mindlin应力公式计算附加应力。但在Mindlin应力公式中并没有Eb/Es的参数，因此桩端处持力土层的弹性模量与桩周土弹性模量之比值Eb/Es，在规范法计算时并不影响沉降大小，沉降结果只与桩端下土层的压缩模量有关。

4.单桩刚柔性分析

L/d愈小和Ｋ愈大，Eb/Es的变化对单桩的沉降影响就愈大，亦即刚性桩特性愈显明显；不仅桩身模量较低的搅拌桩表现出柔性桩的特性，而且桩身模量很大的常规桩随着桩长的增大也会呈现柔性桩的特性（指单桩沉降与持力层性状关系不大）；柔性桩与刚性桩的划分主要取决于L/d和K。

二、群桩沉降计算

1.群桩沉降

变形形状是桩、承台、地基土相互影响的结果。高承台群桩，侧摩阻力的荷载传递过程仍与单桩相近，即遵循随着荷载增大侧摩阻力从桩顶开始逐步向下发挥。

2.群桩沉降影响主要因素

群桩沉降涉及的因素远比单桩沉降多，例如群桩几何尺寸的有关参数、施工工艺与流程、地基地质条件、荷载大小和持续时间，以及承台型式等，对于影响沉降的主要因素，单桩与群桩两者也不相同，前者主要受桩侧摩阻力影响，而后者（群桩）的沉降在很大程度上与桩端以下土层的压缩性有关，持力层下有软下卧层时，单桩试验承载力和变形能满足设计要求，但群桩沉降就不一定能满足设计要求，需要验算。

3.群桩沉降计算

已有的计算方法各有其特点和适用范围，大致可分为：弹性理论法、等代墩基法、分层总和法、数值计算法等。目前在工程中应用较广泛的桩基沉降计算方法，仍是把群桩作为假想的实体深基础。计算出作用在桩端平面处的压力ｐ后，即可按土力学课中所述的分层总和法计算桩端下土的压缩层厚度内的变形值，即作为桩基的沉降量，其计算步骤与浅基础的沉降计算相同。许多工程实测证明，应用明德林解计算群桩沉降比布辛纳斯克解更符合实际。但由于明德林解的计算方法复杂，故一直未能得到推广应用。通过大量计算工作，《桩基规范》在明德林解与布氏解之间建立相关关系，并推荐一种称为"等效作用面分层总和法"用以计算桩基沉降。

结语：在荷载力的作用下单桩与群桩的沉降计算方法之间有一定差异。本文主要对其计算方法进行系统，介绍并客观分析其中的优势，缺陷以及适用范围，进一步明确其应用对象。虽然可以利用多种方法开展桩基沉降研究工作。但在全面性方面还是存在一定的不足。在实际开展公路桥梁设计工作时，可以利用一种方式开展单桩与群桩的沉降计算工作，或者利用一种方式与多种方式结合的模式。这对设计者的理论知识以及实践经验提出较高要求，必须在不断实践中进步与摸索。

参考文献：

[1]王静,裴伟民,叶政权.公路桥梁工程中桩基沉降的设计方法[J].江西建材,2015(3).

[2]廖守吉.公路桥梁工程中桩基沉降的设计措施[J].黑龙江交通科技,2015,38(12):142.