公路橋梁工程設計中樁基沉降問題的分析及解決對策

摘要 文章以某橋梁樁基沉降作為切入點，簡要敘述過快沉降、傾斜沉降、不規則沉降三類橋梁樁基沉降現象的形成機理，闡述公路橋梁工程設計層面上存在的樁基沉降問題，最后提出有效解決對策。旨在預防樁基沉降問題出現，最大限度減小樁基沉降對橋梁結構性能、橋梁使用壽命造成的影響，保證橋梁結構穩定性與交通安全。

關鍵詞 公路橋梁;工程設計;樁基沉降;解決對策

中圖分類號 U442.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0123-03

引言

樁基是公路橋梁工程中最為常見的基礎形式，有穩定性強、變形量小、承載力高的特點，可以有效應對地震區軟弱地基、液化地基等問題[1]。然而，在工程建設、使用期間，因上部橋梁結構體積龐大，在巨大結構荷載作用下，出現樁基沉降問題，形成質量缺陷與安全隱患，在這一工程背景下，對樁基沉降問題的研究解決是十分必要的。

1 工程概況

某路段公路橋梁地形復雜，樁基沉降問題嚴重，大部分地段揭露，工程地質性能差（如表1），主要在表層揭露，在基坑開挖、樁基施工及成槽施工時易發生掉塊、塌孔、滲水、漏漿等。施工過程中不可避免地產生大量的粉塵、污水、泥渣等污染物，并且渣土外運、大型機械設備吊裝等施工活動也會產生較多的噪聲，且該區段工期緊張，工程量大。

2 公路橋梁樁基沉降機理

由于地質條件的影響，該項目公路橋梁樁基問題比較明顯，常見的沉降問題具體分析如下：

2.1 過快沉降

過快沉降是樁基結構在工程施工、使用期間短時間內產生較大沉降量的一種現象，其產生原因在于樁頂力遠超出地基承載力，因產生過大的樁頂力-地基沉降差值，致使樁基快速沉降，差值與沉降值保持正比關系，差值越大，則樁基沉降速度越快[2]。同時，在樁基沉降量超過一定標準時，會引發一系列次生問題出現，如公路橋梁設計標高隨之下降，進而出現結構失穩、主體結構坍塌情況。

2.2 傾斜沉降

傾斜沉降是樁基結構向一側傾斜、兩側樁基沉降量不一致的一種現象，嚴重破壞樁基結構與橋梁整體結構的穩定性，進而引發橋梁坍塌等質量問題出現，形成機理與不規則沉降問題較為相似，產生原因包括樁基兩側土體承載力不一致、受到橫向外力干擾。如該工程項目中樁基兩側土體承載力較強和較弱時，受到應力作用影響，致使樁基朝承載力較弱一側土體方向傾斜倒塌。

2.3 不規則沉降

不規則沉降是橋梁結構中全部樁基的傾斜角度、沉降速度和受損程度不一致，各處樁基的樁頂力與地基承載力差值超出合理范圍，或是僅部分橋梁樁基出現沉降問題的一種現象，呈現出樁基無序沉降情況，還有可能引發橋梁結構斷裂和局部崩裂等問題出現[3]。而不規則沉降現象的主要產生原因包括樁基高度及角度缺乏一致性、受多種力學因素影響、各樁基應力差值過大。

3 公路橋梁工程設計中的樁基沉降問題

3.1 現場勘察工作開展不到位

項目現場分布砂層、巖層埋深較淺時選用灌注樁，在現場分布較厚淤泥質土層時選用預制樁，在現場分布粘土層或是風化巖層時選用沖孔灌注樁，在現場位于巖溶地區且地下水較為豐富時選用預應力管樁或是預制樁。然而，當前在部分工程中，并未對地質環境勘察工作予以高度重視，地質勘察范圍有限，沒有全面掌握現場水文地質條件和了解深層地質構造，而是依賴主觀因素進行判斷、選擇樁基類型與施工工法，最終在施工期間出現樁基沉降問題。該項目公路橋梁工程位于西部平原地貌區，現場地層以填筑土、古生界混合基巖與殘積土為主，選擇鉆孔灌注樁和沖擊成孔方法，在施工期間，橋梁右幅多處橋墩及樁基出現沉降現象，經過現場查勘得知，現場基巖是由震旦系閃長巖、花崗質脈體等組成的混合巖，有著極為明顯的風化特性，因錯誤選取鉆孔方法，受到施工擾動而在成孔期間形成過厚樁周泥皮，使得樁周地層摩阻力下降而出現樁基沉降問題。

3.2 樁基選型問題

針對工程施工的特點，結合公司在其他同類工程施工的經驗，充分貫徹科學管理，專業化分工的原則，為確保工程安全、優質、高效、按期完成，認真分析樁基選型問題。不同類型樁基適用的地質條件、橋梁上部結構類型、施工條件與荷載類型存在明顯差異，如果錯誤選擇樁基類型，或是出于成本角度著想刻意選擇與標準相近的樁基類型，會對樁基承載力造成程度不一的影響，在樁基使用期間有可能出現傾斜、位移與沉降現象。項目在現場富集地下水和處于有水路段時，考慮到區域土體受水體侵蝕作用影響，易出現樁基沉降現象，需要選擇樁柱式單排樁作為樁型，額外設置承臺來控制樁基沉降量。而在樁基處于水中時，則需要在樁基長度計算過程中扣除沖刷深度[4]。此外，不同類型樁基在相同荷載條件下的沉降情況存在明顯差異，對樁基類型的合理選擇，可以有效控制樁基沉降發展情況和減輕損失。例如，在橋梁樁基承受過大外部荷載時，選用打孔樁會出現樁間土體壓縮變形現象，選用鉆孔樁則出現地基土體壓縮變形的現象。

3.3 樁基布局問題

在公路橋梁工程中，樁基布局和橋梁應力結構有著密切聯系，如果樁基布局缺乏合理性，會對橋梁應力結構造成程度不一的影響，嚴重時引發樁基沉降、橋梁坍塌等一系列問題出現。例如，在樁基間隔距離過小時，導致橋梁應力結構呈現相對集中現象，結構兩端應力值有所不足，容易在兩端部位出現樁基沉降現象，在沉降量過大時造成橋梁兩端坍塌。因此，在樁基布局設計環節，必須重點考慮樁基平面布置、樁基中距設計、樁與承臺邊緣設計三項問題。

3.4 墩臺身問題

橋梁結構由上部結構、墩臺身、樁基結構三部分組成，墩臺身在其中起到承受上部結構荷載、連同自身重量向地基傳遞的作用，要求墩臺身具有一定的剛度、強度與良好穩定性能，合理選擇截面形式與設計墩身尺寸，如果墩臺身存在設計缺陷，將無法起到應有作用，引發樁基位移、傾斜、不良沉降等問題出現，如在承重柱傾角過大時，導致橋梁主體結構應力以傾斜狀態向下方樁基傳遞。

4 公路橋梁工程設計中樁基沉降問題的解決對策

4.1 做好地質勘察工作

在樁基設計前，必須提前做好現場地質勘察工作，全面查明工程沿線地質條件，對存在軟土地基等不良地質問題的地段進行詳細勘察，剖析不良地質現象深部情況，判斷對橋梁及樁基結構可能造成的影響。隨后，在現場重復開展鉆探、試驗與原位測試作業，對比測試結果與前期掌握的勘察信息，從而補充地質勘察內容和篩選沖突內容，進一步掌握工程地質條件。該項目中，綜合分析橋位地質條件、擬采用樁基類型等因素來布設若干鉆孔，在各處墩臺布設4～5個鉆孔，在鋸齒狀基巖面等部位布設輔助鉆孔，根據地層構造確定鉆孔深度，如在分布巖石層與粘質土層時的最小鉆孔深度為3 m與25 m，對鉆探樣品進行檢測。最后，在現場勘察結果與鉆探測試結果基礎上，編制現場地質勘察報告、繪制橋位河床地質斷面與鉆孔柱狀斷面圖，將其作為樁基設計的主要依據。

4.2 樁基選型優化設計

在樁基選型優化設計環節，一方面，綜合分析地質條件、上部結構、荷載類型、施工條件等多方面因素，確定最終樁型，如在現場分布砂土層、黏土層或是粉土層時優先選擇沉管灌注樁，在上覆土層無法提供充足樁側阻力時選用低承載力群樁，在施工工期緊張且粉砂層埋藏較小時選用靜壓預制樁，在工程現場遠離城市區域時選擇施工噪聲大但樁身質量可控性強的打入式預制樁。另一方面，為保證樁基應力均衡狀態，要求所選類型樁基的高差、應力在允許范圍內，重點提升結構剛度與改善圈梁拉通性，預防不均勻沉降問題出現，如在沉降深度大于130 mm且構筑物長高比小于2.5的情況下，可額外設置縱橫墻，以維持樁基結構和構筑物長高的匹配狀態。

4.3 樁基布局優化設計

在樁基布局優化設計環節，首先，在選用群樁基礎時，要求群樁圍合面積形心和外荷載合力作用點保持重合狀態，遵循均勻布置原則，將樁體按照環形、對稱形或是梅花形排列方式加以布置，在彎矩值過大時可以對各樁位置加以調整，無須保持等距狀態，但需要樁中距和邊樁外側間距控制在允許范圍內。同時，在樁距符合要求條件下，優先在承臺外圍部位布置樁體，起到改善基礎性能與提升整體慣矩的作用。其次，根據所選用樁基類型來設計樁中距。例如，在選用摩擦樁時，將承臺底部樁中距保持在1.5倍樁徑及以上，將振動沉入摩擦樁的樁尖部位中距保持在4倍樁徑及以上，將鉆挖摩擦樁中距保持在2.5倍成孔直徑及以上。而在選用端承樁時，將基巖上沉入樁中距控制在2倍邊長及以上，將嵌入基巖的管樁中距控制在2倍管樁外徑及以上。最后，做好樁與承臺邊緣設計工作，根據樁徑或是邊長來確定二者間距，如在樁徑不超過1 000 mm時，將邊樁外側和承臺邊緣間距控制在0.5倍樁徑以上且超過250 mm，而在樁徑超過1 000 mm時，將二者間距控制在0.3倍樁徑以上且超過500 mm。同時，根據樁基類型選擇樁與承臺連接方式，如在選用預制樁時，直接將預制樁頂部埋入承臺即可，在選用鉆挖灌注樁時，則將灌注樁頂部主筋伸入承臺。

4.4 墩臺身優化設計

在墩臺身優化設計環節，優先選擇重力式橋墩，這類橋墩可憑借自身重力有效平衡外力和維持穩定狀態，有著體積大、重量大、墩身厚實的特征，僅需少量配筋或無須配筋即可，但對地基條件有著嚴格要求，且阻水面積較大，需要根據工程情況而定，同時，也可選擇異型墩臺，但需要保持墩臺受力均勻狀態，如保持墩臺正投影形狀的對稱狀態，確保墩臺可以將上部結構荷載豎向、均勻地傳遞至樁基，不會產生過大樁頂附加彎矩。隨后，根據橋梁跨徑來設計墩帽厚度，中小跨徑橋梁中保持0.4 m及以上的墩帽厚度，在大跨徑橋梁中保持0.5 m以上的墩帽厚度，并在墩臺帽內設置構造鋼筋，將墩臺帽出檐寬度設定為5～10 cm。

4.5 單樁沉降設計

針對單樁沉降問題，可采取荷載傳遞法、彈性理論法或是剪切變形法進行設計。其中，荷載傳遞法是將單樁劃分為若干彈性單元，由于各彈線單元與土體保持非線性關系，進而推測土體、單樁的荷載傳遞關系，模擬不同樁端阻力值時的樁基狀態，獲取假定單元體靜力平衡條件時的單樁頂荷載和沉降關系、樁側摩擦力沿樁身分布情況、樁身荷載沿樁身分布情況，從而確定樁基類型和樁長等設計參數。彈性理論法是將單樁端部壓應力視為集中荷載，將樁機周圍土體剪應力視為沿樁軸線分布的集中力，對側阻力樁深方向加以分解處理，在其基礎上確定單樁設計方案和解決樁基沉降問題，但在應用彈性理論法時容易忽視時間、應力效應問題。而剪切變形法是假定樁土間不出現相對位移現象，且樁側土體上下層不產生作用力的條件，當單樁出現沉降現象且到達特定點位時，土體隨之沉降，形成剪切應力并沿徑向向外傳遞，剪切應力成正比關系，在這一前提下設計樁基樁徑。同時，重點考慮地基分層、樁端阻力以及參數變化等問題。

4.6 群樁沉降設計

針對群樁沉降問題，考慮到這類樁基結構較為復雜，沉降問題涉及群樁數目、樁間距離等因素，可選用分層總和法與實體深基礎法進行設計。其中，分層總和法適用于樁間距不超過6d的群樁基礎，假定公路橋梁群樁為實體基礎，依托群樁位移解和基礎Boussinesq解比值進行計算，對基礎基底附加應力值加以修正處理，計算群樁沉降量[5]。而實體深基礎法則是通過擴展計算來確定群樁承載力、沉降值，并在計算過程中重點考慮周圍剪切應力、土體壓縮變形等因素造成的影響，確定不同荷載條件時的附加應力值，以此來獲取準確的樁基極限承載力計算結果，解決樁基相互影響、群樁承載力與相同數量單樁承載力總合不一致的設計問題。

4.7 樁基加固設計

為預防和減少樁基沉降問題出現，需要根據已掌握工程信息，對易沉降的樁基部位進行加固設計，用于強化樁基結構性能和提升強度，主要加固方法包括樁側及樁底壓漿加固、增設鉆孔灌注樁、增設預制管樁、加樁頂升與樁底高壓注漿。例如，在某公路橋梁工程中，選擇采取加樁頂升與樁側樁底壓漿的加固方法。其中，加樁頂升是在原有基樁側方額外設置4根鉆孔灌注樁，通過勁性骨架與植筋方式連接新舊樁基，一同承擔上部橋梁結構載荷，與承臺組成梁體頂升平臺。而樁側樁底壓漿是在樁側部位與樁底部位地層處通過無縫鋼花管注入泥漿，在泥漿固結后起到加固樁側土體、強化樁底端承力與樁側摩阻力的作用，從而解決樁側泥皮問題，避免鉆孔灌注樁因過厚樁周泥皮而沉降。

5 結語

綜上所述，樁基沉降是公路橋梁工程中一項典型的質量問題，在樁基沉降超限時嚴重破壞橋梁結構、縮短橋梁使用年限和危及橋梁使用安全，必須得到有效解決。設計人員需要對樁基沉降問題予以高度重視，正確了解不同種類沉降現象的產生機理，找尋設計層面上誘發樁基沉降的具體問題，圍繞實際問題來采取樁基選型優化、布局優化、單樁/群樁沉降設計等解決對策，這也是保障工程建設質量，推動我國公路橋梁事業快速發展的重要舉措。

參考文獻

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[3]孫海寧. 公路橋梁工程中樁基沉降問題的解決措施[J]. 交通世界， 2020（Z1）： 176-177.

[4]何玉柱. 公路橋梁工程設計中樁基沉降問題研究[J]. 安徽建筑， 2019（2）： 121-122.

[5]王靜， 裴偉民， 葉政權. 公路橋梁工程中樁基沉降的設計方法[J]. 江西建材， 2015（3）： 192-193.

收稿日期：2022-01-06

作者簡介：周毅（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向：市政道路橋梁設計。