桩基础沉降计算中的几个问题

魏定龙

随着现代社会的发展,高速铁路客运专线的不断出现,对桥梁墩台基础沉降量的要求越来越严格,高速试行规范中规定:

桥梁墩台基础沉降按恒载计算,其工后沉降限值,对静定结构墩台均匀沉降:

对于有砟轨道:30 mm;对于无砟轨道:20 mm。

相邻墩台沉降差:

对于有砟轨道:Δ=150 mm;

对于无砟轨道:Δ=5 mm。

超静定结构相邻墩台沉降量之差除应符合上述规定外,还应根据沉降差对结构产生的附加应力的影响而定。

通过多年的工作实践和总结,其计算理论如下。

1 计算简图

桩基沉降及假想实体基础计算简图见图1,图2。

群桩地基强度验算的常用方法之一是,假定作用在承台底面的荷载,从最外一圈的桩顶,以θ=φ0/4的扩散角向下扩散传布。这里,φ0为桩长范围内各土层(厚度为 hi)的摩擦角φ0的加权平均值,即:

假想实体基础的底面积,即压力分布面积F′为:

其中,a0,b0分别为矩形承台下群桩横截面外缘的长度和宽度。桩端平面处的压力可按下式计算:

并且须满足下列要求:

其中,N为上部结构传来的竖向荷载(其作用点位于设计地面处),t;γp为假想基础底面以上的土、桩和承台的平均容重,地下水位以下部分应取浮容重,t/m3;R为经深度和宽度修正后的假想基底下地基土的容许承载力,t/m2,按《地基基础设计规范》采用。

当桩端以下主要持力层范围内存在软弱下卧层时,可采用上述计算简图,对软弱下卧层进行强度验算,验算方法与浅基础类似。

2 主固结沉降S计算公式

摩擦桩基的沉降是一个十分复杂的问题。目前,规范推荐的分层总和法,对于长桩,特别是桩侧土较好的长桩基础,计算沉降量与实测沉降量相差较大,统计结果表明,计算值大于实测值。造成这种现象的主要原因是实际荷载传递投影面积大,产生的附加应力较小而沉降的经验系数存在一定的局限性。计算公式如下:

其中,S为桩尖以下土层主固结沉降量,m;ΔSi为第i层天然地层沉降量,m;n为桩尖以下压缩层范围的天然土层数;σz(o)为桩尖处假想平面中心点O竖向附加应力,kPa。

其中,σh为桩尖处按恒载计算的假想平面的平均压应力,kPa;γ为桩尖以下压缩层土层的土、桩、承台的平均容重,地下水位以下部分应取浮容重,kN/m3;H为承台底至地面埋置深度,有冲刷时由一般冲刷线算起,m;L为桩长,m;Z为桩尖至第i层天然地层底面的距离,m;Zn为桩尖以下压缩层的计算总深度,m,计算总深度Zn应满足自Zn向上取ΔZ,计算ΔZ这一层的压缩量ΔS(ΔZ)不大于Zn深度范围压缩量的 2.5%,即 ΔS(ΔZ)≤0.025S(Zn)。

表1 ΔZ取值表 m

ΔZ按表1取值。

Es为桩尖以下第i层天然地层的压缩模量,根据压缩曲线按实际应力范围取值,kPa;C为桩尖至第i层天然地层底面范围的平均附加应力系数,C值可按地基和基础规范附录B查取。

3 实际土层压缩模量Esi计算

本方法是根据压缩曲线按本土层顶面和底面实际应力范围进行计算的。

其中,Esi为桩尖以下第i层土的压缩模量,kPa;p1为第 i层土中部的自重力,p1=γ(H+L+Zi),kPa(建桥前);p2为第 i层土中部的自重应力与附加应力σzi之和,kPa(建桥后),σzi=Ki×σz(o),Ki为矩形均布荷载σz(o)作用下中心点深度 Zi的附加应力的应力系数,根据 a/b,z/b查《桥涵地基与基础设计手册》表2-5;e1为在压缩曲线上对应于p1时的孔隙比;e2为在压缩曲线上对应于p2时的孔隙比;ai为压缩系数,MPa-1。

4 工后沉降计算

SΔ=S-ΔS≤50 mm(有砟轨道,无砟轨道时为20 mm)。

其中,SΔ为工后沉降,即铺轨前至沉降稳定时的后期沉降;S为主固结沉降;Δ S为桥梁施工开始至铺轨前的施工期间已完成的沉降,可根据固结理论进行计算,也可根据土层的压缩性能,按经验进行估算,土的压缩性能根据压缩模量划分如下:

5 沉降计算应注意的几个问题

1)桩尖以下如有砂层,砂层的沉降属于瞬时沉降,这种沉降在施工期间基本完成,因此,砂层的沉降不要考虑。

2)相邻基础的净距小于10 m时,在附加应力的计算中(用来计算土层的实际压缩模量)必须考虑相邻基础的作用。

3)桩尖以下土层的压缩模量,由于桩很长,桩尖以下土层的自重应力σh=γ(H+L+Z)很大,再加上附加应力的作用,土层的应力状态与100kPa～200 kPa时土的压缩相差太大,所以压缩模量不能直接套用地质专业提供的 ES(1～2)的标准值(即地基应力由100 kPa～200 kPa时的标准值)。

4)关于沉降计算经验系数 ms的取值问题。此 ms值是根据压缩模量 ES(1～2)的相关关系提出来的,主要是考虑土的结构性产生的影响,属于低应力状态问题(即土层应力变化幅值为100 kPa～200 kPa),而桩基础桩尖以下是高应力状态。ms经验值应该调整。

5)按分层总和直接法计算沉降时,每层厚度不能超过0.4倍基础宽度,用分层总和规范法,采用自然层厚(即地质柱状图的土层厚)。

6)当地质无压缩曲线资料时,可暂按相同性质土层的压缩曲线,按要求换算成实际土层的压缩模量进行沉降计算。

7)要求桩尖尽量放在中等以上压缩层上,尽量减少沉降。

8)为了减小沉降,当按强度、刚度要求布桩不满足沉降要求时,尽量适当增大桩间距或增加桩长。

9)桩尖以下如有很软的土层,尤其是土中含有较多有机质或在深处的可压缩土层中当压力增量比(指土中附加应力与自重应力之比)较小的情况下,要进行次固结沉降计算。次固结沉降可按“暂规”附录D进行。

10)沉降计算按恒载计(不计恒载偏心的影响)。