橋梁設計過程中樁基沉降問題處理分析

江勇

（遵義市交通勘察設計有限公司，貴州遵義 563000）

0 引言

樁基作為橋梁常用基礎類型，其設計結果決定了橋梁上下部結構的穩定性，如果樁基設計不當，樁基將產生明顯的工后沉降。因此，在實際的設計工作中必須對樁基的設計引起足夠重視，從設計上就避免沉降問題的發生，保證橋梁樁基質量。

1 樁基礎概述

樁基礎有多種類型，可從不同方面按照不同方法實施分類。若按照承臺和地面之間的相對位置進行分類，可分成低樁承臺樁基礎和高樁承臺樁基礎。如果樁承臺底面處在地面以下，則屬于低樁承臺樁基礎，而如果樁承臺底面處在地面以上，則屬于高樁承臺樁基礎。重力式橋臺、實體橋臺及橋墩一般采用的是低樁承臺樁基礎，肋板臺、輕型橋臺側一般采用高樁承臺樁基礎。

若按照承載性質分，可將樁基礎分成摩擦型樁和端承型樁，其中，摩擦型樁還能進一步細分為摩擦樁與端承摩擦樁，前者是指在承載能力達到極限狀態后，樁頂部的豎向荷載主要由樁側阻力充分承擔，其樁端阻力可以小到忽略不計；而端承摩擦樁是指在承載能力達到極限狀態后，樁頂部的豎直方向荷載由樁側的阻力大部分承擔[1]。同樣，端承型樁也能進一步分成兩種，即端承樁與摩擦端承樁，端承樁是指承載能力達到極限狀態后，樁頂部的豎直方向荷載均由樁端的阻力負責承擔，樁側的阻力可以小到忽略不計；而摩擦端承樁是指在承載能力達到極限狀態后，樁頂部的豎直方向荷載主要由樁端阻力承擔。因摩擦樁與端承樁的荷載傳遞與支撐方式存在很大差異，一般情況下，摩擦樁產生的沉降比端承樁大，會使墩臺出現不均勻沉降，對此在同一個工程的同一個下部橋墩或橋臺的樁基礎當中，不可同時設置摩擦樁與端承樁兩種樁型。

若按照具體成樁方式，可將樁基分成以下幾類：一是非擠土類樁，即在成孔時將與樁身體積相當的土體開挖出來，再灌注混凝土，導致樁周與樁底土體均存在應力松弛情況，目前最常用的鉆孔樁與挖孔樁都屬于該類樁；二是部分擠土樁，即在成孔時有輕微的擠土作用，使樁周土自身工程性質不會產生太大變化，目前常見的此類樁型包括打入式預制樁及敞口鋼管樁；三是擠土樁，即成樁時樁周土體被完全擠開，導致土體自身工程性質相較于天然狀態出現很大變化，目前較為常見的此類樁基包括以下三種：預制樁、混凝土管樁及沉管樁。

若按照樁徑的大小，可將樁基分成以下三種：一是小樁，即樁徑不超過250mm 的樁；二是中等直徑樁，即樁徑在250～800mm 范圍內的樁；三是大直徑樁，即樁徑不小于800mm 的樁[2]。

2 橋梁樁基設計步驟與內容

樁基設計步驟與內容為：其一，選擇適宜的樁基形式，如混凝土樁還是鋼管樁，樁基尺寸。樁基形式確定是否合理，直接影響橋梁安全、使用功能及造價。在選擇具體樁基類型的過程中，要充分考慮以下要點：樁基所在場地范圍內的地質條件、橋型及結構特點、樁基主要受力特點。其二，持力層確定和樁長選擇。在確定持力層及樁長的過程中，要充分考慮以下因素：單樁承載力符合要求、橋墩或橋臺不會產生明顯沉降及沉降差異、綜合考慮樁基工程造價、充分考慮樁基施工技術合理性與可行性。其三，保證樁基合理布置。當樁數相同，采用不同樁基布置方法時，樁基自身承載力和可以發揮出的作用也存在很大差異。其四，樁基水平方向承載力確定。對于基底水平方向剪力與傾覆力矩，通常情況下產生水平力的原因有以下幾種：地震力、風的作用力、汽車的制動力、臺后的填土壓力、溫度的升降產生的溫度力，彎橋還需要考慮離心力的作用。在高烈度地震區，地震是主要控制因素，在地震區進行樁基設計時，應充分考慮以上作用。其五，明確樁基施工可能給周圍環境造成的影響，并注意技術是否具有良好的經濟性與合理性[3]。

3 橋梁樁基設計特點與作用

樁基設計作為橋梁設計的主要環節，保證樁基設計質量是使橋梁達到穩定和耐用的關鍵所在，必須引起設計人員的高度重視。樁基能將橋梁承受的水平與豎直方向荷載可靠傳遞至地基，樁基自身有良好剛度與抗彎能力，由于不同工程在很多方面都存在明顯差異，所以樁基類型選擇也有很大差異。通常而言，目前較為常用的樁型包括以下幾種：預制樁、鉆孔樁、挖孔樁和沉管樁。橋梁樁基應能支撐自身重量與所有外部荷載，如果樁基存在隱患問題，會對橋梁工程的其他建設項目造成很大影響。在公路橋梁工程中，樁基主要具有以下幾個方面功能和作用：其一，樁基有很大的剛度，可減少整體結構沉降，對形變進行均勻分擔，以滿足橋梁設計剛度的要求；其二，樁體和周圍土體存在一定摩擦作用，能將橋梁上部結構荷載均勻傳遞到土體，從而減輕地基受到的壓力，為橋梁上部結構提供可靠支撐，保證橋梁整體結構的穩定性；其三，如果區域地下水的水位相對較高，或持力層位于地下水位以下，則優先采用樁基礎的形式，方便施工，減少地下水對結構的影響；其四，樁側剛度與抗拔力相對較強，可有效抵抗水平方向作用力與傾覆力矩，同時還能減小地震可能對橋梁造成的影響，進而保證橋梁結構安全和穩定；其五，如果地基發生液化，可通過將樁基設置從液化層中穿過，直到穩定巖土層，將液化土可能給橋梁造成的影響降至最低[4]。

4 橋梁樁基設計沉降問題分析

4.1 明確樁基沉降規律

由于巖土本身具備可壓縮的特性，在地基土受到外力作用后會產生一定超靜孔隙水壓力，導致地基土產生變形，還會延續很長一段時間，導致基礎產生沉降。橋梁建設中，基礎會產生一定沉降現象，并且這種沉降現象還會保持相對較長的時間，并不會因為工程的建成而徹底結束。如果橋梁地基沉降相對較大，則會在橋梁整體結構上產生影響，當問題較為嚴重時，會給橋梁的正常和安全使用造成致命影響，導致這種情況發生的主要原因為樁基產生不均勻沉降或短時間內產生很大沉降。當發生不均勻沉降現象時，會使樁基上部產生傾斜或扭曲，或產生開裂，影響結構的使用壽命，情況嚴重時還有可能產生倒塌。基于此，在樁基設計開始前必須做好現場實際情況調查，明確地質條件與水文地質，并據此采取針對性措施，對地基形變予以嚴格控制，減少或從根本上防止樁基沉降造成的不利影響[5]。

4.2 樁基類型與長度確定

在實際的樁基設計過程中，確定適宜的樁型與樁長作為重要內容之一，直接影響樁基整體質量，必須引起設計人員高度重視，保證所選樁基類型及樁長的合理性與可行性。在實際工作中，應先做好場地環境勘察工作，對樁基施工可能對周邊環境造成的影響進行深入分析，并確定成樁是否合理可行，確定的施工工藝方法是否滿足相關要求以及樁基的經濟性是否合理。在初步確定樁基類型與長度后，還應根據實際情況進行適當的優化調整，以此在保證樁基安全和質量的基礎上，盡可能降低工程投資。在必要的情況下，可以充分參考借鑒地區內其他類似工程的樁基設計成果，以此有效保證樁基設計質量，使樁基的設計與設置均能到最佳效果，防止由于設計不謹慎導致樁基產生不均勻沉降[6]。

4.3 樁體豎向極限承載力的確定

對于橋梁樁基豎直方向的承載力，按建筑標準，不同標準建筑等級下樁基承載力的確定方法不同。如果樁基按照甲級標準進行設計，則應通過單樁靜載試驗明確樁體的極限承載力大小；如果樁基按照乙級標準進行設計，同時施工場地范圍內地質條件相對簡單，則可參照同地區其他類似工程實際條件開展樁基設計，并通過原位測試加以綜合論證，確定方案的合理性與可行性；如果樁基按照丙級標準進行設計，則需通過原位測試根據相關經驗參數進行設計。對復合樁基礎，在對樁體自身豎直方向極限承載力進行分析計算時，如果樁基主要承受的是軸心荷載，則必須保證復合樁基自身豎向承載力達到工程要求，而如果樁基主要承受的是偏心荷載，則要適當提高標準，并驗算其穩定性；當施工場地范圍內存在地震荷載因素的影響時，則要通過計算確定樁基的豎直方向承載能力[7]。

4.4 水平方向承載與位移計算

為了從根本上保證橋梁樁基結構安全，在實際的設計過程中還要對其水平方向承載與位移進行分析計算。在實際工作中通常要從下列兩個方面入手實施計算：一方面是單樁基礎；另一方面是群樁基礎。對單樁基礎而言，主要承受水平方向作用力，在使用中應滿足各項特征要求，對于水平荷載等級為甲級和乙級的樁基，要采用水平靜載試驗的方法確定樁基的特征值；對于樁身的實際配筋率可以達到0.65%以上的混凝土灌注樁，可采用靜載試驗的方法來確定，如果地面產生10mm 左右的水平方向位移，則應將荷載的3/4 作為樁身特征值；對于樁身的實際配筋率不足0.65% 的樁基，可將臨界荷載3/4 作為樁身特征值。對群樁而言，如果力矩較大或有水平方向作用力，應先考慮群樁效應，之后通過計算確定樁基水平方向的承載力對應的特征值，如果承載的底部、土體和地基之間在摩擦系數上存在很大關聯，則必須謹慎確定樁基特征值[8]。

4.5 承臺計算

對橋梁樁基承臺而言，在計算中應對不同內容進行分別驗算，如截面變化出實際受剪承載力與斜截面驗算，承臺的抗沖切驗算等。如果承臺懸挑邊存在很多剪切截面，則要對每個斜截面實際受剪承載力都予以驗算與判斷。對條形承臺梁而言，其彎矩可采用彈性地基梁作為依據來分析。如果樁端持力層為深度和厚度均相對較大的巖體，則其硬度較大，并且和樁柱軸線未能達到重合，此時需將樁基看作鉸支座，之后按照連續梁形式來計算。在樁基承臺設計中，應對承臺結構正截面通過計算確定受彎承載力，在設計與配筋過程中都要按照相關規范實施控制。

4.6 其他設計注意事項

4.6.1 對于基礎承臺頂部標高。在一般地形條件中，承臺頂面和地面之間應保持不超過0.5m 間隔距離。處在常水位中的承臺，其頂部應能和常水位保持平齊。處在需填土范圍內的承臺，其頂部和地面實際標高差值一般超過0.5m。當橋墩所在位置為邊遠地區時，為減小承臺基礎開挖施工可能給對既有建筑設施造成的不利影響，承臺底部可至于地面位置，而將承臺露于外部，而在城鎮或現有道路旁，側應將承臺頂部埋于地面以下或于地面齊平。當承臺位置存在沖刷時，應考慮沖刷對承臺及樁基的影響，適當加深承臺深度或采用必要的防護措施。若橋梁所處位置存在凍深，還應考慮凍深對承臺底面的影響，一般應將承臺底面至于設計凍深線以下。

4.6.2 為盡量減小沉降，樁底必須處在承載力足夠的持力層上，持力層承載力應能達到350kPa 以上，且進入持力層中的深度應能滿足規范的要求，并經驗算確定。如果相鄰兩個基礎的地質條件相差較大，則會使不同基礎樁基的長度存在很大差異，需要在設計過程中進行專門的分析研究。嵌巖樁巖層頂板厚度通常要達到4m 以上，樁尖的設置根據結構要求進行。如果鉆探深度已經達到30m 依然無法找到厚度不小于4m 的頂板，則對于樁身直徑在1.50m 以內的樁基，其樁側累計頂板厚度應達到5.0m 以上，而對于樁身直徑超過1.50m 的樁基，樁側累計頂板厚度應達到7.0m 以上，支承頂板厚度應能達到3m 以上，且嵌入巖層內至少0.5m。從巖層中通過的樁體，應能與巖壁之間達到緊密聯結，不可使用擴筒等方式進行隔離。對于大跨度連續梁結構的橋梁，因其梁部剛度相對較大，所以對沉降變形極為敏感，其沉降變形值更應嚴格控制，這需要在實際的樁基設計中給予足夠的重視，采取必要的檢測措施對樁底質量進行檢查，同時采取有效的措施加以補強。

4.6.3 當采用墩基礎時，可不進行沉降計算，但要在說明中給出施工注意事項；對摩擦樁進行分析時，應充分考慮典型地質情況。承臺樁基礎布置必須符合剛性角方面的要求，承臺厚度為樁徑的1.5～2.0倍。若承臺的剛性角無法達到要求，則可考慮進行加臺階。樁基設計除了要對單樁側面土體實際承載力與樁底土體實際承載力進行檢算，還要對樁身穩定性及材料強度進行驗算。當橋墩高度相對較矮時，樁基主要由單樁承載力進行控制，而當橋墩高度相對較大時，樁基主要由橫縱方向產生的位移進行控制。當基巖深度相對較大時，為減少實際沉降量，可按照摩擦樁對基樁進行分析和計算。

4.6.4 控制樁底沉渣厚度。樁底沉渣厚度對樁基的沉降影響較大，樁基成孔后樁底會有一定量的沉渣無法清理干凈，若沉渣厚度較大，樁基施工完成后會產生比較大的沉降量，因此需對樁基的沉渣厚度進行嚴格控制，各規范均對樁基的沉渣厚度進行了嚴格控制。

5 結語

綜上所述，樁基礎是橋梁工程最常用的基礎類型，樁基設計則在很大程度上決定了橋梁上部結構能否保持穩定，尤其是決定了橋梁的沉降，良好的樁基設計能起到減小樁基沉降的作用，防止在施工過程中或施工完成后導致樁基產生較大的沉降。以上分析提出了樁基設計中可防止樁基產生較大工后沉降的要點與做法，旨在為實際的樁基設計工作提供參考依據。