張家源

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

獨(dú)立基礎(chǔ)橫向承載力和撓度設(shè)計(jì)分析探討

張家源

（吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分,合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不但能給上部結(jié)構(gòu)提供安全保障,同時(shí)也可以節(jié)約工程造價(jià)和縮短工期?；A(chǔ)設(shè)計(jì)需滿足地基承載力、抗沖切、抗剪承載力及抗彎承載力要求。結(jié)合工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)橫向承載力和撓度設(shè)計(jì)進(jìn)行了論證分析，可為今后類似工程提供參考。

獨(dú)立基礎(chǔ)；橫向承載力；撓度；設(shè)計(jì)；分析

0　引　言

橋梁基礎(chǔ)是橋梁下部結(jié)構(gòu)的組成部分，連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和地基。基礎(chǔ)是人造的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在地面以上或地下施工。基礎(chǔ)的作用是為橋梁結(jié)構(gòu)提供支承，并在橋梁結(jié)構(gòu)與地基之間傳遞荷載與能量。如果基礎(chǔ)的埋深大于基礎(chǔ)最大的平面尺寸，那么該基礎(chǔ)就是深基礎(chǔ)。當(dāng)較淺的土層或巖層不足以承受上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，就要采用深基礎(chǔ)，以較深的土層或巖層為持力層。某些特殊情況下選用深基礎(chǔ)是因?yàn)樗葴\基礎(chǔ)更經(jīng)濟(jì)。與淺基礎(chǔ)相比，深基礎(chǔ)有許多優(yōu)點(diǎn)：深基礎(chǔ)以較深的地層為持力層，基底面積相對(duì)較?。辉诨酌娣e相同的條件下，與淺基礎(chǔ)相比，深基礎(chǔ)通?？梢猿惺芨蟮暮奢d；深基礎(chǔ)能夠利用性能良好的土層作為持力層，能夠抵抗較大的上拔力和橫向力，這些特點(diǎn)是淺基礎(chǔ)所不具備的。

1　橋梁深基礎(chǔ)的分類與選擇[1-3]

1.1常用的深基礎(chǔ)類型

樁基礎(chǔ)通常指沉入土體中的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。然而，樁基(pile)常常作為一種廣義的術(shù)語(yǔ)，指代各種深基礎(chǔ)，包括沉入樁基礎(chǔ)、鉆孔樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)或錨桿基礎(chǔ)。群樁(pilegroup)這一術(shù)語(yǔ)用來(lái)指代各種成組共同作用的深基礎(chǔ)。

1.2常用的橋梁基礎(chǔ)

橋梁基礎(chǔ)可以是獨(dú)立基礎(chǔ)、群基礎(chǔ)或組合基礎(chǔ)。獨(dú)立橋梁基礎(chǔ)通常包括獨(dú)立基礎(chǔ)、大直徑灌注樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、巖榫基礎(chǔ)以及錨碇基礎(chǔ)。群基礎(chǔ)包括沉井群基礎(chǔ)、沉入樁群樁基礎(chǔ)、灌注樁群樁基礎(chǔ)和巖榫群基礎(chǔ)。組合基礎(chǔ)包括沉井與沉入樁組合基礎(chǔ)。沉井與灌注樁組合基礎(chǔ)。大直徑管樁與巖榫組合基礎(chǔ)。擴(kuò)展基礎(chǔ)與錨桿組合基礎(chǔ)以及錨碇與樁、錨桿組合基礎(chǔ)等。小型橋梁常采用小型基礎(chǔ)，如獨(dú)立基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)或者小型沉入式群樁基礎(chǔ)等。對(duì)大型橋梁，基礎(chǔ)可采用大直徑灌注樁基礎(chǔ)。各種群基礎(chǔ)。沉井基礎(chǔ)或組合基礎(chǔ)。如果基礎(chǔ)在水面上施工，那么要采用圍堰法對(duì)沉井基礎(chǔ)、大直徑鋼管樁基礎(chǔ)以及其他形式的基礎(chǔ)進(jìn)行施工。橋梁基礎(chǔ)經(jīng)常在非常困難的地質(zhì)條件下施工，如滑坡、可液化土體、濕陷性土體、軟土及高壓縮性土、膨脹土、珊瑚沉積土以及地下洞穴等。在這些條件下，應(yīng)特別注意基礎(chǔ)類型選擇與設(shè)計(jì)。

1.3基礎(chǔ)分類

深基礎(chǔ)有不同的類型，可按以下條件進(jìn)行分類：地質(zhì)條件——基礎(chǔ)周邊的地質(zhì)是土體或巖體。土體可能是細(xì)粒土或粗粒土：細(xì)粒土可能是軟土、稍硬土或堅(jiān)硬土，粗粒土可能是松散土、中密土或密實(shí)土。巖體可能是沉積巖、火成巖或變質(zhì)巖，可能是軟質(zhì)巖、中硬巖或堅(jiān)硬巖。土體和巖體中可能有原始缺陷和裂縫，如巖體中的節(jié)理、層理、滑移面以及斷層。水體條件也多種多樣，如河流、湖泊、水灣、海洋以及陸地上的地下水，在有些地方，還要考慮結(jié)冰及波浪的作用。安裝方法：樁基有錘擊沉入樁、現(xiàn)場(chǎng)澆筑樁、振動(dòng)沉人樁、扭轉(zhuǎn)沉入樁、靜壓樁等，灌注樁有挖孔樁、鉆孔樁等，錨桿有鉆孔錨桿，沉井基礎(chǔ)有芝加哥式沉井（小型墩臺(tái)沉井）、支撐式沉井、貝諾托式沉井、開(kāi)口式沉井、氣壓沉井、浮式沉井、閉口箱形沉井、波托馬克式沉井等。圍堰有板樁法、砂島法、泥漿攪 拌墻法、深層攪拌墻法等。以上方法可以組合施工。結(jié)構(gòu)材料：基礎(chǔ)材料可以采用木材、預(yù)制混凝土、現(xiàn)澆混凝土、搗實(shí)的干硬性混凝土、灌漿混凝土、后張拉鋼筋、H形鋼、鋼管、復(fù)合材料等。地基效應(yīng)：根據(jù)對(duì)周圍土體擾動(dòng)的大小，樁基可分為排土樁、低排土樁和非排土樁。沉入的預(yù)制混凝土樁和下端帶管塞的鋼管樁都是排土樁，H形鋼樁和下端不帶管塞的鋼管樁都是低排土樁，鉆孔灌注樁是非排土樁。

2　橋梁深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1設(shè)計(jì)概念

現(xiàn)在的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要采用兩種設(shè)計(jì)概念，即容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法。容許應(yīng)力法要分別計(jì)算荷載產(chǎn)生的應(yīng)力和基礎(chǔ)的極限應(yīng)力。如果荷載產(chǎn)生的應(yīng)力小于極限應(yīng)力，就認(rèn)為基礎(chǔ)是安全的。計(jì)算極限應(yīng)力時(shí)，通常考慮安全系數(shù)2或3，以確定荷載的容許值，限制基礎(chǔ)的位移。為確定基礎(chǔ)及橋梁的容許位移，通常要對(duì)位移進(jìn)行單獨(dú)分析。容許應(yīng)力法依然是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最常用的方法。最初，極限狀態(tài)法在大型橋梁設(shè)計(jì)中使用，這種方法要求基礎(chǔ)和上面的橋梁結(jié)構(gòu)在超過(guò)某些極限狀態(tài)時(shí)，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)某些性能要求。橋梁的倒塌是一種極限狀態(tài)，設(shè)計(jì)中將荷載和承載能力分別乘以各種系數(shù)，以確保這種極限狀態(tài)是一個(gè)非常小的概率事件。設(shè)計(jì)要確保基礎(chǔ)在達(dá)到極限狀態(tài)之前能夠維持結(jié)構(gòu)的整體性，這樣結(jié)構(gòu)在遭遇到某種大的荷載作用事件時(shí)，基礎(chǔ)不必重建，橋梁可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)得到修復(fù)。

2.2設(shè)計(jì)承載力

2.2.1長(zhǎng)期承載力和短期承載力

根據(jù)不同的荷載類型，基礎(chǔ)有兩種不同的應(yīng)力狀態(tài)。全應(yīng)力下的承載力對(duì)應(yīng)于相對(duì)迅速加載以及不排水條件。有效應(yīng)力下的承載力對(duì)應(yīng)于緩慢加載以及排水條件。許多粒狀土（如礫石土和砂土等）在大多數(shù)荷載條件下的排水承載力和不排水承載力相當(dāng)接近。通常假定樁基在地震作用下的承載力比在靜荷載作用下的承載力大30%。

2.2.2軸向、橫向和抗彎承載力

深基礎(chǔ)能提供橫向承載力以抵抗傾覆彎矩和橫向力作用，也能提供軸向承載力以抵抗軸力作用。群樁的抗彎承載力來(lái)自于單樁的軸向承載力以及樁與樁帽之間的相互作用，其大小取決于單樁的軸向承載力、樁的布置形式、樁帽的剛度以及樁和樁帽之間連接的剛度。設(shè)計(jì)和分析常常集中于單樁的軸向和橫向承載力。

2.2.3結(jié)構(gòu)的承載力

基礎(chǔ)構(gòu)件的失效可能會(huì)引起深基礎(chǔ)的失效。所有的基礎(chǔ)構(gòu)件設(shè)計(jì)都要滿足在各種設(shè)計(jì)荷載以及環(huán)境條件下，能夠承受彎矩、剪力、軸力以及不發(fā)生屈曲破壞、腐蝕破壞和疲勞破壞。

2.2.4承載力的確定

深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的概念和一般過(guò)程，詳細(xì)設(shè)計(jì)包括確定單樁的軸向和橫向承載力以及群樁的承載力?，F(xiàn)在有多種方法確定以上承載力，這些方法可以分為以下三大類：（1）利用巖土力學(xué)理論進(jìn)行理論分析；（2）經(jīng)驗(yàn)方法，包括利用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析、規(guī)范方法以及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)等；（3）荷載試驗(yàn)，包括足尺荷載試驗(yàn)、動(dòng)力沉樁和打擊阻抗試驗(yàn)。應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)性以及其他約束條件來(lái)選擇承載力的確定方法。通常會(huì)同時(shí)采用好幾種方法，經(jīng)綜合評(píng)估和修正后得到基礎(chǔ)的承載力。運(yùn)用以上方法時(shí)，設(shè)計(jì)人員要牢記基礎(chǔ)的承載力是所有構(gòu)件承載力之和?；A(chǔ)各個(gè)構(gòu)件之間、基礎(chǔ)周圍的土體以及基礎(chǔ)與土體的界面都應(yīng)當(dāng)符合變形協(xié)調(diào)條件?；A(chǔ)的沉降應(yīng)當(dāng)限制在容許值之內(nèi)，這通常是大型基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)控制條件。

3　獨(dú)立基礎(chǔ)軸向承載力及撓度

深基礎(chǔ)的軸向承載力包括端部承載力（Qend）、側(cè)面承載力(Qside)和基礎(chǔ)的有效重力（Wpile）o端部承載力是基礎(chǔ)端部附近或下方土體的壓縮承載力。側(cè)面承載力包括沿基礎(chǔ)側(cè)面作用的摩阻力、粘聚力和銷栓力?；A(chǔ)受到軸向壓力時(shí)，基礎(chǔ)重力的影響通常被忽略，因?yàn)樗鼛缀醯扔谕诘舻耐馏w的重量。但基礎(chǔ)受到軸向上拔力時(shí)，則應(yīng)當(dāng)考慮基礎(chǔ)的重力作用。

側(cè)面和端部承載力與樁的位移相關(guān)。只有在樁產(chǎn)生較大的向下位移之后，才能實(shí)現(xiàn)最大的端部承載能力；然而，側(cè)面承載力在樁產(chǎn)生相對(duì)較小的向下位移后就能達(dá)到最大值。樁身的軸向位移越靠近頂部越大，越靠近底部越小。側(cè)面承載力取決于位移的大小，其大小通常沿樁身呈不均勻分布。如果樁身很長(zhǎng)，側(cè)面承載力不會(huì)沿樁身同時(shí)達(dá)到最大值。

采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，樁的容許承載力是樁在正常使用條件下的設(shè)計(jì)承載力。將樁的極限承載力除以安全系數(shù)就得到樁的容許承載力，這樣可以限制樁的沉降，并考慮了材料、安裝、荷載計(jì)算以及其他各種不確定因素的影響。對(duì)深基礎(chǔ)，根據(jù)估算的極限承載力的可靠性，其安全系數(shù)通常在2～3之間取值。如果在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了足尺荷載試驗(yàn)，那么安全系數(shù)通常取2。

基礎(chǔ)的橫向承載力就是抵抗由于縱向力和作用在基礎(chǔ)頂?shù)膬A覆力矩引起的橫向撓度的能力。對(duì)于獨(dú)立基礎(chǔ)，橫向抵抗力來(lái)自三個(gè)方面：側(cè)向土壓力，基底剪力，支座端面的非均勻分布?jí)毫?。?duì)于長(zhǎng)樁，側(cè)向土壓力是基本的橫向抗力。

3.1BROMS設(shè)計(jì)法

BROMS提出了一種估算樁的極限橫向承載力的方法。假設(shè)樁短且剛性僅考慮剛性平移和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，只計(jì)算樁的極限橫向承載力。該法假設(shè)粘性和無(wú)粘性土壤的極限橫向壓力分布；并根據(jù)圖1和圖2中關(guān)于極限橫向壓力假設(shè)的注解，用不同的頂層剛性情況計(jì)算樁的橫向承載力。由于假設(shè)的局限性，通常應(yīng)用BROMS法初步估算樁的極限橫向承載力。

圖1　上端自由、剛性短樁的極限荷載情況

圖2　上端固定、剛性短樁的極限荷載情況

3.1.1極限橫向土壓力

沿著樁長(zhǎng)計(jì)算極限橫向壓力qh,u：

對(duì)于黏性土：qh,u=9cu

式中：Cu為土壤的剪力強(qiáng)度；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)；p'0為等效覆蓋層壓力。

將獲取到的生命體征數(shù)據(jù)按照格式要求填充至輸入張量（tensor）中，將輸入數(shù)據(jù)與權(quán)值相乘，再與偏移值相加，經(jīng)過(guò)兩個(gè)隱藏層后，再通過(guò)ReLU 變換和Softmax 層得到最終輸出變量，在進(jìn)行梯度下降函數(shù)求解過(guò)程中，將會(huì)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出結(jié)果作為其輸入，保證梯度下降函數(shù)的最優(yōu)。

3.1.2上端自由的極限橫向承載力

上端自由的樁的極限承載力p。用下面的公式計(jì)算：

式中：L為樁的埋置長(zhǎng)度；H為橫向力合力在地表以上的距離；B為樁的直徑；L’為從地表以下1.5B的深度，測(cè)量樁的埋置長(zhǎng)度；L'0為地表以下1.5B的深度測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)中心深度；Lo為轉(zhuǎn)動(dòng)中心的深度；

3.1.3上端固定的極限橫向承載力

上端固定狀態(tài)的樁的極限承載力p。用下面的公式計(jì)算：對(duì)于黏性土：pu=9cuB（L-1.5B）對(duì)于非黏性土：pu=1.5γ'BL2K

3.2橫向承載力的p-y偏移法

p-y法是分析樁橫向受力的一種最為普通的方法，其中，根據(jù)溫克爾假設(shè)，樁的橫向撓度的土反力按照局部的非線性彈性處理。把樁模擬為一根支撐在變形地基上的彈性梁。p-y法具有多種用途，可以用來(lái)解決包括不同的土類、層狀土、非線性土性能和不同的樁材料、橫截面以及不同的樁端連接方式等問(wèn)題。

3.2.1分析模型和基本方程

橫向荷載作用下，樁的分析模型與p-y曲線見(jiàn)圖3。

圖3　橫向荷載作用下采用p-y曲線對(duì)樁的分析模型

梁變形地基問(wèn)題的基本方程可以表達(dá)為：

式中：y為樁上石點(diǎn)的橫向撓度；EI為樁的彎曲剛度；Px為梁柱的軸向力；p為單位長(zhǎng)度上的土反力；q為橫向分布荷載。

下面的關(guān)系式還適用于邊界條件的研究：

式中：M為彎矩；Q為梁柱的剪力；θ為樁的轉(zhuǎn)角。

在橫向荷載作用下p-y法是分析樁的重要工具。通?？梢垣@得一個(gè)合理的結(jié)果。求解上述的方程需要用有限差分法或其他方法，由于迭代的復(fù)雜性，一般需要計(jì)算機(jī)編程運(yùn)算。值得注意的是，溫克爾假設(shè)忽略連續(xù)介質(zhì)的整體作用。一般地，如果土的性質(zhì)像某種連續(xù)介質(zhì)，加載時(shí)，某點(diǎn)的撓度會(huì)影響到其他點(diǎn)的撓度。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的橫向承載力和撓度設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法，獨(dú)立基礎(chǔ)因其計(jì)算簡(jiǎn)便、形式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、傳力直接、施工方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于工程建設(shè)中。但是在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中還要考慮防水、抗震等諸多因素。確定地基承載力是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作,在實(shí)際工程中可采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的方法,可以取得較為精確可靠的地基承載力特征值來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的科學(xué)及合理性。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn),需要相應(yīng)的試驗(yàn)費(fèi)用和時(shí)間,但是采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)成果進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,不僅安全可靠,而且現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)得到的地基承載力值往往高于采用其他方法得到的地基承載力值,從而可以節(jié)省地基基礎(chǔ)工程方面的投資,因此是值得做的。

[1]劉純薈.獨(dú)立基礎(chǔ)常見(jiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題 [J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2013(3): 34-35,59.

[2]李鵬舉,馮仲齊,李偉.雙柱獨(dú)立基礎(chǔ)的計(jì)算理論探討及其有限元分析[J].四川建筑科學(xué)研究,2013(3):107-111.

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U445.55

A

1009-7716（2016）11-0052-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.014

2016-06-28

張家源（1982-），男，吉林長(zhǎng)嶺人，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。