关于既有桥梁基础验算中几个问题的探讨

杨 宇，程爱君

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088;2.中国铁道科学研究院，北京 100081)

关于既有桥梁基础验算中几个问题的探讨

杨 宇1，程爱君2

(1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088;2.中国铁道科学研究院，北京 100081)

基础在投入使用后，设计时使用的规范难免会发生变更或调整。此时，若对既有桥梁基础进行验算，应怎样选用相关规范的规定值得探讨。本文结合新旧《公路桥涵地基与基础设计规范》等相关规范的特点，就既有桥梁基础验算时应注意的几个问题进行了探讨。

基础 验算 承载力 沉降

桥梁基础设计时一般是按照设计时的有效规范进行的。但基础在投入使用后，设计时使用的规范往往会发生变更或调整，如与1985年颁布的《公路桥涵地基与基础设计规范》［1］相比，2007年颁布的《公路桥涵地基与基础设计规范》相关条文就存在较大的变更或调整［2］。对于相关规范的变更，基础验算的要求是否要作相应调整，如何调整，目前尚无明确的规定。本文就既有桥梁基础验算中几个常见的问题进行了探讨。

1 桩基础自重的考虑

2005年颁布的《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定在检算桩的轴向受压承载力时应将桩的全部自重作为外荷载考虑［3］。而1985年和2007年颁布的《公路桥涵地基与基础设计规范》规定对于钻孔灌注桩，将局部冲刷线以下桩身自重的1/2作为外荷载考虑［2］。此外，还有一种意见，认为桩身自重可以完全不考虑［4］。对于木桩或小直径的短的空心钢筋混凝土桩而言，按这三种不同意见的计算结果相差不大，但对于大直径的长的实心钢筋混凝土桩，则计算结果往往出入悬殊。

其实从理论上讲，桩身自重问题可以按下述方法进行分析［3-4］。

当桩置入土中后(不论是打入桩还是钻孔灌注桩)，桩侧土和桩底土将共同承受桩身自重 P′1与桩身所占同体积土重P″1之差的附加外荷载 P1(P1=P′1－P″1，当 P′1≤P″1时，应取 P1=0)。

当桩进行静载试验，桩顶作用外荷载 N时，桩侧土和桩底土则共同承受外荷载P1+N。如果静载试验中加于桩顶的外荷载N逐渐增大到某一Nmax值，桩的荷载—沉降曲线出现明显拐点(或陡降点)时，则P1+Nmax的前一级荷载P1+N′max可以认为是桩侧土和桩底土共同承受的极限荷载P′u，也就是桩的极限承载力。

按工程习惯以 Pu代表 N′max，则桩的极限承载力P′u=P1+Pu，其中Pu为静载试验中通常所说的“桩的极限承载力”。但实际上，Pu并不是桩的实际极限承载力，而只是当桩达到极限承载力 P′u时，静载试验加于桩顶的相应外荷载。

事实上桩的P—S曲线是图1中以虚线坐标轴所作的曲线图，而该图中对应于实线坐标轴的曲线只是桩的P—S曲线中的一部分，这一部分是由静载试验得来的。虽然图中P1作用下桩的沉降S1通常没有测出来，O′～O段虚线绘制不出来，但对于分析并无影响，仍可根据静载试验实测的Pu来进行桩的轴向受压承载力的计算。

图1 P—S曲线

假设设计中作用于桩顶的轴向受压外荷载为N，桩的受压承载力的安全系数为K，则只要求N值满足式(1)要求就可以认为桩的设计是安全的。

因为 P1=P′1－ P″1，P′u=Pu+P′1－ P″1，且通常取 K=2，于是式(1)可以改写为

也就是说，如果对于一般土根据静载试验所得的Pu检算桩的轴向受压承载力，只要按式(4)将作用于桩顶上的轴向压力荷载N，加上桩身自重与桩身所占同体积土重之差的1/2，小于或等于Pu/2，即可认为满足了安全要求。当 P′1≤P″1时，应取 P1=0 及 P′1－ P″1=0。

P′u/K通常认为是摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值［Ra］，并且可以按规范计算，如在《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)［3］和《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)［4］中，均认为对于摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值［Ra］可按下列公式计算

其中，［Ra］为摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值，u为桩身周长，Ap为桩端截面积，n为土层数，li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度，qik为li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值，qr为桩端处土的承载力容许值。

由上述分析可见，从理论上而言，摩擦桩桩顶承受的轴向压力加上桩身自重与桩身入土部分所占同体积土重之差，应不大于摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值才是安全的。因此，在既有桥梁桩基础验算时，桩基础自重应按照桩身自重与桩身入土部分所占同体积土重之差作为外荷载进行计算。

2 基础沉降允许值

对于非外超静定结构桥梁墩台，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)规定相邻墩台均匀总沉降差值(不包括施工中的沉降)为1.0，其中 L为相邻墩台最小跨径长度，以m计。跨径<25 m时仍以25 m 计算［1］。

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)中则规定对于非外超静定结构桥梁墩台，相邻墩台间不均匀沉降值(不包括施工中的沉降)不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡［2］。

上述两种规定对墩台不均匀沉降的限值有较大差异。总体而言，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)中对墩台不均匀沉降限值的规定比《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)宽松。

对按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)设计的桥梁，如果验算时，不均匀沉降限值放宽的话，易对上部结构的内力造成较大影响。同时考虑到目前的《公路桥涵养护规范》［5］中对于墩台沉降的规定与《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)的规定基本一致，因此建议在《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)实施前设计的桥梁，其墩台的沉降限值可按原设计采用的规范中的规定选用;按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)设计的桥梁，其墩台的沉降限值按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)中的规定采用。

3 基础沉降的计算

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)［1］中规定采用分层总和法进行沉降计算，而《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)［2］则采用国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)中的简化分层总和法进行计算。

《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)［6］中的简化分层总和法在沉降计算中已经应用多年，效果较好。并且该方法已经形成计算表格，计算方便，因此建议按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)规定的方法进行基础沉降验算。

在进行基础沉降验算时，计算荷载的选取应按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)的规定进行。

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)［1］中规定沉降计算仅考虑结构重力及土重，即仅计恒载。而《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)［2］中规定沉降计算的荷载效应按正常使用极限状态下的荷载长期效应，即考虑永久荷载和可变荷载。这样的规定，显然更符合实际和偏于安全。

4 基础承载力的提高

对于根据桩侧岩土体摩阻力及桩端岩土体容许承载力验算承载力的方法，目前相关规范规定在特定条件下可以提高桩基的竖向承载力。

对于桥梁墩台地基，《铁路桥梁检定规范》(铁运函［2004］120号)中规定如无倾斜等病害且沉降基本终止时，桥梁墩台地基的容许承载力可以适当提高，且提出了明确的提高系数［7］。

在《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)中规定既有墩台的地基土因多年运营被压密，其基本承载力可予以提高，但提高值不应超过 25%［3］。

在《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)［2］及《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)［1］中均规定对于经多年压实未遭破坏的旧桥基，地基土承载力均可提高，但提高系数不同。

《铁路桥梁检定规范》(铁运函［2004］120号)中规定对于经过长期运营，沉降基本终止的桩基竖向承载力可按原设计值提高20%［7］。

从上述规范中的规定可见，对于沉降稳定且无其他病害的桥梁基础，其承载力是可以提高的。

进行桥梁基础承载力验算时，对于桩侧摩阻力，从保证安全的角度出发，桩基础侧摩阻力建议不予提高，地基土容许承载力可以适当提高，但提高值不应超过原设计取值的25%。经提高后的桩基础整体竖向承载力不应超过原设计值的20%。

5 桩基础沉降的验算

对于实际使用的桩基础，工作形状的优劣首先体现在受荷后的沉降是否符合使用要求，而桩基础的沉降不仅在于桩身受荷压缩，也在于岩土层受荷后的压缩变形。亦即，如果受荷后桩基础沉降过大，即使计算承载力很大，桩基础也是不合格的。因此在实际计算中，基础的承载能力往往是由沉降控制的。

对于群桩，建议按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)验算沉降量。对于单桩，可按《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)的规定进行。

《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)中规定，对于单桩基础，可以按照以下方式计算最终沉降量s［8］

式中 m——以沉降计算点为圆心，0.6倍桩长为半径的水平面影响范围内的基桩数;

σzi——水平面影响范围内各桩基对应力算点桩端平面以下第i层土1/2厚度处产生的附加竖向应力之和;

Δzi——第 i层土层厚度;

Esi——第i层土层的压缩模量;

Qj——第j桩顶的附加荷载;

lj——第 j桩桩长;

Aps——桩身截面面积;

αj——第j桩总端阻力与桩顶荷载之比，近似取

极限总端阻力与单桩极限承载力之比;

Ip，ij、Is，ij——分别为第 j桩的桩端阻力和桩侧阻力对计算轴线第i计算土层1/2厚度处的应力影响系数，可按《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)取值;

Ec——桩身混凝土的弹性模量。

对发生了沉降且沉降稳定但未超过桥涵养护规范限值的桩基础进行验算时，首先应根据现场调查掌握桩基础的沉降情况，并确定桩基础的下卧层及桩周土的各类与计算有关的参数，根据桩基础实际承受的最大外荷载(或设计荷载)代入相关公式计算单桩沉降，然后将计算值与实测值进行比较分析。

6 结语

本文针对基础投入使用后相关规范变更或调整时，桥梁基础验算中应注意的几个问题进行了探讨。总体而言，基础验算应结合设计时的特点，结合不同规范的合理规定进行。

［1］中华人民共和国行业标准.JTJ024—85 公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京：人民交通出版社，1985.

［2］中华人民共和国行业标准.JTGD63—2007 公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］中华人民共和国行业标准.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［4］胡人礼.桥梁桩基础分析和设计［M］.北京：中国铁道出版社，1987.

［5］中华人民共和国行业标准.JTGH11—2004 公路桥涵养护规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］中华人民共和国国家标准.GB50007—2002 建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［7］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号 铁路桥梁检定规范［S］.北京：中国铁道出版社，2004.

［8］中华人民共和国行业标准.JGJ94—2008 建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

U441;U443.1

A

1003-1995(2011)03-0010-03

2010-10-14;

2010-12-08

北京市科技计划项目(D08050303450801);西部交通建设科技项目(200731822330)

杨宇(1976— )，男，湖南醴陵人，副研究员，博士。

(责任审编 孟庆伶)