软土地基城市桥梁设计中的桩基沉降问题
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发布者：lunwenchina
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时间：2019年11月21日 10:55
谢克宗
（浙江天然城建设计有限公司 浙江 温州 325000）【摘要】 随着国家与地区经济的高速发展，重载和快速交通成为城市道路的发展趋势，大跨度的高架桥梁、跨江桥梁日益增多，它们的基础承受的荷载也越来越大。承载力计算和沉降计算是桥梁桩基设计的两大重要内容，由于地基变形或差异沉降超过相应的允许值将影响桥梁的正常使用甚至结构安全，因此对桥梁桩基沉降进行控制十分关键。本文针对城市桥梁设计中的桩基沉降问题做了分析，结合地区实际，对处于软土地基的桥梁桩基沉降控制提出相应的设计方法。
【关键词】 软土地基；城市桥梁；桩基沉降
中国分类号：U415 文献标识码：A
doi：10.12159/j.issn.2095-6630.2019.14.2224
1?城市桥梁桩基沉降计算的现状
近几十年来，城市桥梁建设飞速发展，桥梁成桩技术与机械设备迅速成熟，同时更复杂的桥梁型式不断出现，此时更精确的桩基沉降计算显得愈为迫切。遗憾的是，就目前来讲，无论采用哪种沉降计算方法，其计算的精度均小于承载力计算的精度，所以当前桥梁设计规范中大多以桩基的承载能力为主要控制条件，而以沉降作为辅助。
在软土地区，城市桥梁桩基在施工和运营期间沉降量太大或差异沉降过大，将导致桥梁上部结构开裂或桥台错台，引起质量问题，严重者导致安全事故，因此软土地基的桩基沉降问题尤其值得分析研究。
2?桩基沉降计算的理论
桩基的沉降测量重要分散于最后沉降量之上，国内外学者于这方面作出了大量的研究。甚沙基（Terzaghi）于 1944 年最为迟提交桩基下沉的计算方法，斯开普顿（Skempotn）在 1954 年依据下沉实测资料阐述出于静荷载之下单桩下沉的计算经验公式。布辛奈斯克（Boussinesq）将土体视作半无穷弹性体，使用弹性力学方法获得集中力作用于地基表面一点时地基土内给定一点的位移与应力的理论解，明德林（Mindlin）克服了于桩基与土体皆为弹性材料假定下桩基的应力扩散问题，作为桩基下沉测量的弹性理论打下了基础。
Seed 与 Reese 于 1955 年提交了桩基下沉测量的荷载传递法。
它把桩离散为一系列长度的桩段（弹性单元），将桩单元体和土体的相互作用修改作为弹簧关联，并且透过虚假设桩基侧阻和端阻原产函数来测量单桩下沉。
Cooke 于 1974 年提交了剪切位移法。该方法把桩土看作完美的同心圆柱体，并且相信桩周土在桩的作用之下的以此应力形变居多，从此获得桩土体系的变形以及受力情况。
在理论研究的基础之上，随著计算机技术的发展，桩基下沉的计算方法渐渐激增，当前桩基下沉的计算方法重要分三类：
（1）理论法，重要包含：弹性理论法、载重传递法、剪切位移法；（2）修改计算法，重要包含：分层总和法、标准法、明德林（Mindlin）法；（3）数值建模法，重要包含：有限元分析法。
3?城市桥梁设计中桩基沉降计算的规范法
3.1 单桩的沉降计算
桩基的沉降主要由三部分组成：桩身弹性压缩变形、桩侧摩阻力引起的桩端下土层压缩变形和桩端力引起的桩端下土层压缩变形。目前涉及桥梁单桩基础沉降计算的规范主要有：《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）和《建筑桩基技术规范》
（JGJ 94-2008），其中仅《建筑桩基技术规范》提供了具体计算方法。
《建筑桩基技术规范》法：
采用单向压缩分层总和法计算土层的沉降，并计入桩身压缩se，桩基的最终沉降量 s 可按下列公式计算：
（3-1）
（3-2）
（3-3）
其沉降计算深度控制标准为：
σz+σzc=0.2σc （3-4）
以上计算公式中各符号的代表意义不细述，可详见所引用的规范。
3.2 群桩的沉降计算
群桩由于具有群桩效应，其沉降的计算与单桩有着明显的不同，它涉及到更多的因素，包括了桩间距、桩径比、群桩数量等等。目前涉及桥梁群桩基础沉降计算的规范主要有：《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）、《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093-2017）和《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）。
《公路桥涵地基与基础设计规范》法：
基础的最终沉降量 s，可按下式计算：
（3-5）
p0 = p ?γh （3-6）
其沉降计算深度控制标准为：
∑=
? ≤ ?
nisn si
10.025 （3-7）
《铁路桥涵地基和基础设计规范》法 :
基础由于受外荷载作用，基底面科下土层压缩层压缩产生的最终沉降量 S 为：
（3-8）
其沉降计算深度控制标准为：
∑=
? ≤ ?
niSn Si
10.025 （3-9）
《建筑桩基技术规范》法 :
对桩间距不大于 6 倍桩径的群桩，最终沉降量可用等效作用分层总和法来计算。桩基任一点最终沉降量可采用角点法按下式计算：
（3-10）
0 1( 1) 2
1C n C
nCbbe? +
?
ψ = + （3-11）
nb = n·Bc / Lc （3-12）
桩基沉降的计算深度控制标准为：
σ z ≤ 0.2σ c （3-13）
∑=
=m 1
jσ z α j p0 j （3-14）
以上计算公式中各符号的代表意义不细述，可详见所引用的规范。
3.3 规范法的不足
对于城市桥梁单桩的沉降计算，虽然相应的设计规范有提及，但并未提供具体的计算方法或公式，导致在实际工程设计中，工程师缺乏统一明确的标准，目前的常规做法是参考适用于建筑工程的《建筑桩基技术规范》法，对桥梁的桩基而言，该方法是否合适值得存疑。对于城市桥梁群桩的沉降计算，我国的规范大都采用半理论、半经验的方法来计算，如《公路桥涵地基与基础设计规范》和《铁路桥涵地基和基础设计规范》。由于这些方法都是半理论半经验性质的，并且需要对桩基沉降的影响因素加以简化，因此都具有一定的局限性。对于深厚软土地基，采用规范方法进行桩基沉降计算得到的结果往往与实测值存在较大偏差。软土地基中的工程经验表明，计算的沉降值往往比实际值大许多，而且桩越长差异越大。
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