桥梁桩基础沉降分析.doc

桥梁桩基础沉降分析 胡银祥，张志峰 （安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司安徽合肥230088） 【摘要】桩基础沉降在桥梁工程中直接关系到整个工程的施工质量和造价，正确计算土层中桩基础的工后沉降成为设计过程中越来越重要的一个环节。本文对桩基础的沉降计算方法进行了综述，并阐述了它们的适用条件。 关键词桩基础；沉降计算；分析 Bridgepilefoundationsettlementanalysis HuYin-xiang,ZhangZhi-feng (TrafficPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd.inAnhuiProvinceHefeiAnhui230088) 【Abstract】PileSettlementinbridgeengineeringdirectlyrelatedtotheoverallprojectconstructionqualityandcost,thecorrectcalculationofpost-constructionsettlementofpilefoundationsoilinthedesignprocesshasbeeanincreasinglyimportantaspect.Inthispaper,pilefoundationsettlementcalculationmethodswerereviewedandelaboratedtheirapplicableconditions. 【Keywords】Pilefoundation;Settlementcalculation;Analysis 1.前言 （1）基础以其能有效减少构造物沉降、较高的承载力以及能抵抗复杂荷载的能力等优点被广泛应用于公路桥梁中，而桩基础的应用目的从根本上讲是为满足上部构造物对基础沉降的要求。新建桥梁中，须预知所设计桩基础在荷载作用下的沉降情况；旧桥改造工程中，在旧桥基础沉降变形几乎为零的情况下，准确地计算加宽部分新基础的沉降对加宽后桥梁的正常使用至关重要。因此，对桩基础的沉降计算具有重要意义。但由于各地区地质条件的差异性、桩一土相互作用机理的复杂性、桩基形式的多样性以及荷载持续时间等，给桩基础的沉降计算及计算精度带来了较大困难。 （2）桩基的沉降是受多种复杂的因素影响而产生的，它涉及到桩和地基所受的应力和弹性变形、地基的固结沉降、桩的形式和布置等多种因素。对于桩基的沉降计算可以采用以下方法。 2.桩基的沉降分析计算方法 2.1荷载传递分析法。 （1）荷载传递分析法是单桩荷载传递规律及分析计算中常用的一种方法。其基本概念是：把桩划分为许多等长的单元，每一单元与土体之间的联系用非线性弹簧模拟。桩端土也用非线性弹簧与桩端联系，这些非线性弹簧的应力一应变关系即表示桩侧摩阻力(或桩端阻力)与剪切位移之间的关系(-s或-s关系)，这一关系就称为传递函数。利用已知的桩身任一单元的静力平衡条件及单元弹性压缩方程两个函数关系求解传递函数的基本方程为： 式中：U桩截面周长； Ap桩截面面积； Ep桩的弹性模量； 桩侧摩阻力。 （2）该微分方程的求解取决于传递函数(z)一s的形式。荷载传递法以其简单直观的特点在实际工程中得到了广泛应用，但它也存在一些不足：该方法是根据桩一土体系的静力试验，实测桩在竖向荷载的作用下桩身各单元的应变及桩底反力，反算桩的轴向荷载分布及桩侧摩阻力分布假设桩侧摩阻力的分布规律和桩底反力的分布规律。由此可以说，荷载传递分析法实质上是一种经验方法，不能从理论上直接给出桩侧摩阻力与桩轴向位移关系曲线形式。 （3）在运用荷载传递曲线中，该法假定任意点的桩位移仅与那一点的摩阻力有关，故没有考虑土体的连续性，所以对分析桩群的荷载沉降关系是不合适的。如果要获得现场的荷载传递曲线，需要安装许多的仪器进行桩的荷载试验，且试验成果推广到-另外场地并不一定成功。 2.2弹性理论法。 弹性理论法是对桩土系统用弹性理论方法来研究单桩在竖向荷载作用下桩土之间的作用力与位移之间的关系，进而得到桩对土，土对桩。桩对桩以及土对土的共同作用模式。以弹性理论法为根据发展出一些计算单桩沉降的方法，这些解法虽略有不同，但一般都基于桩的位移与临近土位移的协调条件，为此，借助于轴向荷载下桩身的压缩求得桩的位移，又应用荷载作用于半无限体内某一点所产生的Mindlin位移解求得桩周土体的位移。由于弹性理论假定桩士界面普遍满足弹性即界面不发生滑移这一条件，沿界面诸相邻点的桩位移应与土位移相等，由此即可求得桩身摩阻力和桩端阻力的分布，并进而求得桩的位移分布。 2.3单向压缩分层总和法。 单向压缩分层总和法是依据周边土层的参数计算得到各层的沉降和总的沉降量。这种浅基础的最终沉降量的常用计算方法在桩基设计中，主要用于大直径的的单桩，考虑到其桩侧阻力的荷载分担比相对较小，桩端底面积大且其荷载分担比也较大，因此可仿照扩展基础采用单向压缩分层总和法计算沉降。当用以计算深基沉降的其它条件相同时，用明氏应力分布求得的最终沉降与实侧推算结果较为接近，而用布氏公式算得的值要比实测值大1/2至1/3。用分层总和法分析单桩沉降时，要依据压缩层的计算深度，参照相关规定或按照一些实用的经验公式确定。 d2sd2z=UAPEP(z) 2.4剪切变形传递法。 （1）1974年，库克提出了关于摩擦桩负荷载承载传递的模型，这种模型为了简化计算做了许多假设并认为：当荷载水平比较小的时候，桩基础在轴向负荷载作用下沉降也会小，桩沉降的时候四周土体也会发生剪切变形，即桩土之间不会发生相对的移动，而且剪应力会沿径向桩基础侧面的表层扩散到桩基础周围和四周的土体中。在使用负荷承载时，摩擦桩桩端承载的比例要小得多，其沉降大多是由桩侧所传递的负荷承载造成的。 （2）剪切变形法主要适用于摩擦桩。该方法假定在荷载水平较小情况下，桩与土之间不产生相对位移，桩沉降时周围土体也发生剪切变形，剪应力从桩侧表面沿径向向四周扩散到周围土体中，分析过程中假定桩侧上下土层之间无相互作用，桩的沉降主要是由桩侧荷载传递引起。 2.5实体深基础法。 实体深基础法是现在工程界应用最广泛的一种计算群桩沉降的方法，该计算模式是将承台下的群桩及桩间土看作一个等效墩基的一个实体深基础，在此等代墩基范围内，桩间土体不产生压缩如同实体墩基一样工作，然后按照扩展基础的沉降计算方法来计算群桩的沉降。 2.6由于计算时考虑的前提条件不同。研究者提出和使用着计算的不同模式，其主要差别在于选用的假想实体基础底面的位置不同，以及对地基土中附加应力的考虑和计算不同，根据桩距地基土的性质不同，桩间土实际上是会产生不同程度的压缩变形，另一方面假想的实体基础外围存在着侧面剪应力的扩散作用为了消除这些差别对群桩沉降计算的影响人们采取了一些措施，集中表现在所采用的模式上。这些措施是： （1）变动假想实体基础底面的位置，以考虑桩间土存在压缩变形的可能，这是Peck和Terzaghi等人建议的模式Peck等建议将假想实体基础底面置于桩端平面以上高度处，取为桩长的l/3处(桩位于均匀并土中时)或进入持力层深度的1/3(桩穿过软弱土层并进入坚硬土层时)这种建议涉及的影响因素过于单一，因为假想基底位置上升的因素很多，采用此法不能全面反映这些情况。 （2）从群桩桩顶外围按一定斜率(例如角或l：4斜率)向下扩散增大假想实体基础底面积，以考虑桩群外围总剪应力对沉降分析的影响，这是Tomlinson等人的模式。 （3）为了改善地基土附加应力估计的精度，近年来国内外根据半无限弹性体内集中力的Mindlin公式发展了一些估计桩基荷载作用下地基土附加应力的方法，还有一种将Mindlin解与Boussinesq解对比来估计等代墩基的等效基底附加应力。 3.计算方法评述 3.1荷载传递法较弹性理论法，其计算要简单些。由于工程中的土大多数是分层的，应力土体的参数都随深度变化，因此荷载传递法沿深度将桩身分段的方法能准确反映桩承载特性。但是缺点是任意点桩的位移只与该点的摩阻力有关，忽略了其它方向的力及其它点的影响，没有考虑土体连续性，不能用于群桩的计算。 3.2弹性理论法已经比较成熟，考虑土的连续性，可用于群桩分析，计算结果较准确。但其缺陷在于把地基看作均匀的、各向同性的理想弹性体，桩土之间无切向相对位移，忽略了实际中存在的应力及时间效应，需要进一步改进和完善。 3.3分层总和法计算简便，在工程精度要求范围内可以比较准确估计单桩沉降但沉降计算中附加应力与实际情况有差异。 3.4剪切变形法对深长桩的沉降计算较准确。但由于该方法忽略了竖向应力、径向位移对剪应力的影响、土参数随深度的变化及桩端沉降因素等诸多因素，会得到不合理的沉降，因而在桩基设计的实中应用较少。 3.5实体深基础法是一个科学、实用的计算方法，能反映群桩基础的各因素对沉降的影响，如桩的距径比、长径比、桩数等。其存在的问题是对于长桩，特别是桩侧土较好的长桩基础，计算沉降量与实测值误差较大，统计结果发现，实测值往往比计算值小很多。 4.结束语 本文对目前国内外桩基础的沉降计算理论进行了分析，并且对它们的优势、缺陷及适用的范围进行了简单论述，但应该注意，在实际计算时，要采用何种理论要根据实际情况而定。 参考文献 1黄哲，张福强.桥梁桩基沉降计算方法研究.山西建筑.xx(7). 2陈文才，万敏.单桩沉降计算理论和方法综述.河海大学学报.xx(4). 3许锋平.公路桥梁工程设计中的桩基沉降研究.工程技术.xx(2). 4游兵站，霍省伟.公路桥梁工程设计中的桩基沉降分析.城市建设理论研究.xx(13). 5张忠苗，张广兴.单桩沉降计算方法