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1、桩基沉降计算方法综述,周 健,前言,用控制沉降量的设计方法代替传统的按承载力设计已经逐渐为工程界所接受并进入规范，从而使桩基沉降计算成为设计关键。为了准确计算和预测桩基沉降，曾提出过一系列的计算方法。但由于影响桩基沉降的因素很多，至今使桩基的沉降预估仍不能令人充分相信和满意。,桩基沉降的影响因素,桩长；桩的平面布置情况；桩与土的相对压缩性；土层地质情况；荷载水平和持续时间；群桩间的相互影响等。,本节内容,桩基沉降的两种计算方法单桩沉降计算群桩沉降计算多层建筑变形控制设计方法路桥一体化设计实例,第一部分 单桩沉降计算方法,1.竖向荷载下的单桩沉降性状,单桩的荷载由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承受。因
2、此，单桩的沉降性状与桩侧摩阻力性状、桩端阻力性状、桩-土体系的荷载传递性状有关。,1.1 桩侧摩阻力的发挥性状,单桩桩顶受力时桩身产生向下的位移，由于桩侧摩阻力的存在带动桩周土体向下移动，并在桩周土体内产生剪应力及剪应变。剪应变和剪应力一环一环地向外扩散，在离桩轴nd（d为桩径，n与荷载水平、桩周土的土性有关）的地方减小为零。（Randolph Cooke et al 1979）,桩侧土的剪应变、剪应力,达到达到桩侧摩阻力qs所对应的沉降为wu桩侧摩阻力qs所对应的沉降wu：由式可知，发挥极限侧摩阻力所需位移wu与桩径成正比。,按照传统经验：发挥极限侧摩阻力所需位移与桩径大小无关，而受土类、土
3、性影响。对于粘性土wu约为510mm；对于砂性土Wu约为1020mm；对于加工软化型土（如密砂、粉土、高结构性黄土等）所需Wu较小，且qs达到最大值后随W的增大而有所减小；对于加工硬化型土（如非密实砂、粉土、粉质粘土等）所需wu值更大，且极限特征点不明显。,1-加工软化型 2-非软化、硬化型3-加工硬化型,局限性,发挥桩侧摩阻力所需相对位移趋于定值的结论是二十几年前（Whitaker,1966;Reese,1969）根据少量桩的试验结果得出的。随着近年来大直径灌注桩应用的不断增多，对大直径灌注桩承载性状的认识逐步深化。就桩侧摩阻力而言，大量测试结果表明，发挥桩侧摩阻力所需相对位移并非定值，而与
4、桩径、施工工艺、土层性质与分布有关。,不过，大量常规直径桩的测试结果表明，发挥侧摩阻力所需位移一般不超过20mm，且先于端阻力发挥出来。对于大直径桩（d=800mm），虽然所需位移较大，但从一般控制沉降量s=（5%6%）d确定单桩极限承载力而言，其侧摩阻力也已绝大部分发挥出来了,1.2桩侧摩阻力的深度效应,根据库仑定律=c+*tg可知，桩侧极限摩阻力与水平侧压力3呈线性关系，而3随深度的增加而增加，即3=k0*1，式中，k0为静止土压力系数，1为自重应力。但实际上，当桩入土超过一定深度（称之为临界深度hcr）,桩侧摩阻力将不再增大。,侧阻临界深度hcr,目前砂土中模型桩试验所得的侧阻临界深度h
5、cr国内位学者所得不尽相同，但大多归纳出与端阻的临界深度的关系 Vesic（1967）得到侧阻临界深度hcr与端阻临界深度hcp：hcr=（0.50.7）hcp；Meyerhof（1978）得到：hcr=（0.30.5）hcp的关系。,1.3桩侧总极限摩阻力的计算,桩侧总极限摩阻力通常取桩身范围内各土层的极限侧摩阻力qsui与对应桩侧表面积uiLi乘积之和：qsui的计算可分为总应力法和有效应力法。人们根据各法计算表达式所用系数的不同将其归纳为法，法，法。,法,法属总应力法，由Tomlinson于1971年提出，其表达式为：式中，为系数，其值取决于土的不排水剪切强度和桩进入粘土土层深度比hc/
6、d；cu为桩侧饱和粘性土的不排水剪切强度，采用无侧限压缩、三轴不排水压缩或原位十字板、旁压试验等测定。,法,又称有效应力法，由Chandler于1968年提出，其表达式为：据试验统计，=0.250.40，平均为0.32；v为桩侧计算土层的平均竖向有效应力，地下水位以下取土的浮容重。,对于该法，应注意以下几点：该法假定成桩过程中引起的超孔隙水压力已经消散，因此成桩时间短的桩不可用该法；考虑到侧阻的深度效应，对于长径比大于侧阻临界深度的桩，可用下式修正：式中临界长度比，对于均匀土层可取（L/d）cr=1015，当硬土上覆盖软弱土层时，（L/d）cr从硬土层顶面算起；当桩侧土为很硬的粘土层时，考虑到
7、剪切面发生在桩土界面，则取=（0.50.75）。,法,Vijayvergiya和Focht于1972年提出了适用粘性土的法，该法综合了法和法的特点，表达式为：式中，为系数，可由图确定。,系数随桩入土深度的增加而递减，到20m以下基本维持常量，这主要反映了侧阻的深度效应及有效应力的影响随深度的增加而减小。因此应用该法时应将桩侧土的qsu分层计算，根据各层土的实际平均埋深由图取相应的值。,1.4桩端阻力的性状,1.4.1 桩端地基土的破坏模式桩端地基土的破坏与一般的房屋基础相似（Vesic）整体剪切破坏局部剪切破坏刺入剪切破坏,1.4.2 桩端阻力的深度效应,由于桩端阻力的计算也类似于房屋浅基础的
8、承载力的计算方法，所以理论上桩端阻力随深度的增加而线性增大。但实际上桩端阻力与桩侧阻力一样，也存在深度效应，即不随着深度的增加而线性增大。当桩端进入持力层的深度h小于临界深度hcp时，其极限端阻力随深度而线性增大；当h大于hcp时，则端阻力基本保持不变，其值称之为端阻稳值qpl。,临界深度与端阻稳值有以下特性：,端阻稳值的大小仅与持力层砂的相对密实度Dr有关，而与桩径无关；端阻稳值与覆盖层厚度无关；临界深度随端阻稳值的增大而增大；临界深度随桩径的增大而增大；端阻临界深度受上覆压力p0影响而与端阻稳值成不同的关系。,1.4.3 极限桩端阻力的计算,极限理论平衡公式 考虑桩底土压缩性的极限平衡理论
9、公式,极限理论平衡公式,Terzaghi(1943)，Meyerhof(1951)，Vesic(1963)以刚塑性理论为基础，根据不同的滑动面，分别提出了各自的极限桩端承载力公式，这些公式可归纳成统一的表达式：,Nc、N、Nq分别反映土的内聚力C、桩底以下滑动土体自重和桩底平面以上边载（竖向压力h）影响的条基无量纲承载力系数，仅与土的内摩擦角有关；c、q为桩端的形状系数；h、b分别为桩端底宽（直径）和桩的入土深度；c为土的内聚力；1为桩端平面以下土的有效重度；为桩端平面以下土的有效重度。,考虑桩底土压缩性的极限平衡理论公式,Vesic（1975）提出了考虑桩底土压缩性的极限平衡理论公式，他假定
10、桩端形成了三角形压密核，压密核随荷载的增加将两侧土体向外挤，从而形成了塑性变形区。该计算公式为 qpu=c Nc+p Nq p为桩端平面侧边的平均竖向压力。,2.单桩的沉降计算,竖向荷载作用下单桩的沉降由以下三部分组成：桩身弹性压缩引起的沉降 桩侧荷载传递到桩端平面以下引起土体压缩，桩端随土体压缩而产生的沉降 桩端荷载引起土体压缩产生的桩端沉降.,当荷载水平较低时，桩端土未发生明显的塑性变形，而桩侧土与桩身之间也尚未产生滑移，此时便可近似地应用线弹性理论计算单桩的沉降；当荷载水平较高时，桩端土将发生明显的塑性变形，此时单桩的沉降组成将发生明显的变化，需要进行非线性弹性或塑性分析以计算单桩的沉降
11、。,计算单桩沉降的方法,荷载传递分析弹性理论法分层总和法剪切变形传递法有限元分析法弹性理论传递函数联合求解法神经网络法其他简化方法,方法一 荷载传递分析法,荷载传递分析法是单桩沉降荷载变形分析中最常用的一种方法。这种数值方法是从规定的荷载变形传递方式来计算桩对荷载的反应。,基本概念,将桩离散化为一系列等长的桩段(弹性单元)，每一桩段与土之间的联系用非线性弹簧来模拟、桩端处土也用非线性弹簧与桩端联系。这些非线性弹簧的应力应变关系，即表示桩侧摩阻力qs(或桩端阻力qp)与位移s之间的关系，这一关系一般就称为传递函数。,基本概念,利用已知的桩侧和桩底荷载的传递函数，求解传递函数的基本微分方程解得桩顶
12、荷载与沉降关系曲线、桩身荷载沿桩身的分布曲线以及桩侧摩阻力沿桩身的分布曲线等。,解微分方程系用预订好的方式或体现桩身弹性压缩的迭代法。按照求解微分方程的途径不同，荷载传递分析法可分为几种计算方法：荷载传递解析法、位移协调法。以及其他一些方法等。问题的实质在于寻求一个能实际反映桩土共同作用机理的且形式简单的传递函数并用适当的方法求解荷载传递的基本微分方程。,传递函数法的特点,传递函数法最明显的特点是将桩周土当作文克尔地基来处理，因此任何一点的位移只跟该点土体的剪应力有关，而与其他点的应力无关，忽略了桩周土的应力场效应，以纯粹模拟桩土接触面的变化过程,局限性,此法不能指出一点的应力如何去影响周围土
13、体，无法计算桩与桩之间的相互作用，即群桩效应；无法反映软弱下卧层的影响，更无法反映桩端阻力的大小不仅影响桩侧阻力的发挥，同时还影响其分布规律这一引起大家注目的现象。另外，运用该法还感到困难的是，每一种传递函数对应其相应的桩侧、桩端临界位移值，两种不同的传递函数其对应的临界位移值甚至相差很大。,方法二 弹性理论法,弹性理论法把地基土看作是均匀、连续、各向同性的线弹性半空间体以弹性理论一般都基于桩的位移与邻近土位移之间的协调条件，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的所产生的Mindlin位移解求得桩周土体的位移。假定沿界面诸相邻点的桩位移应与土位移相等，由此即
14、可求得桩身摩阻力和桩端阻力的分布，并进一步求得桩的位移分布。,局限性,弹性理论法的缺陷在于它把地基土看着是理想的弹性体，并假定只通过变形特征值Es与v就可以描述土对荷载的效应；实际上，大多数土对于荷载呈现着应力的、应力历史的、以及时间的效应。另外，弹性理论法也没有考虑桩设置后的加筋效应对土性参数的影响。,方法三 分层总和法,分层总和法就是根据各层土的参数分别计算各层的沉降然后求得总沉降。该方法是过去计算建筑物浅基础最终沉降量常用的方法，在桩基设计中，对于大直径的单桩墩基础，考虑到其桩侧摩阻力的荷载承担比相对较小，桩端底面积大且荷载承担比也较大，因此可仿照扩展基础采用分层总和法计算沉降。,以分层
15、总和法计算单桩沉降时与计算浅基础的沉降问题比较：,与浅基础相比，单桩的桩侧摩阻力占有一定的荷载分担比，桩侧摩阻力与桩侧表明呈/4角扩散到桩端面，基底计算面积大于桩端截面积。单桩沉降存在一个桩土间的耦合问题，分析时是否考虑桩土间的滑移将会对分析结果产生影响，而且单桩沉降还包括桩土本身压缩这一组成部分，这些都是浅基础沉降分析不需考虑的。,方法四 剪切变形传递法,该法假定桩产生竖向位移时，桩侧摩阻力通过环形单元向四周传递，桩侧周围土体的变形可视为同心的圆柱体；根据两环面上剪应力相等的条件可得出桩侧土的剪切位移、剪应力和环面半径之间的关系：式中，w（r）为距离桩轴线r处土体的竖向位移；G为土体的剪切模
16、量；rm为影响半径；r0为桩径；0为桩侧剪应力,局限性,实际上，剪切位移法也可视为传递函数法，只是传递函数不同而已。剪切位移法的传递函数是线性的，其摩阻力和位移的关系可直接从弹性理论导出，而一般的传递函数法则适合于比较复杂的传递函数，尤其是非线性函数。但是，剪切变形传递法由于忽略的因素过多，例如地基的三向应力状态、地基的成层性、土参数随深度的变化以及桩端沉降等，因此该方法在桩基设计中较少应用。,方法五 弹性理论传递函数联合求解法,为了完整地描述单桩Ps全过程曲线，考虑桩端刺入沉降或桩土相对滑移沉降，采用弹性理论法和传递函数法联合求解单桩的沉降。首先由Mindlin公式求解了桩端阻力与桩端刺入沉
17、降的关系公式，由Pack差分迭代求解传递函数法中的二阶偏微分方程，以计算由桩土相对滑移引起的沉降。,方法六 神经网络法,单桩沉降预估的神经网络法采用的是由Rumelhart等人提出的反向误差传播(BackError Propagation，简称BP)神经网络，并借助于已经收集到的试桩资料，建立了神经网络模型，它把一组训练样本的输入输出问题转化为一个非线性优化问题，在其迭代运算求解权值的过程中使用了最优化分析中的梯度下降法。,BP网络是一个前馈网络，它主要由输入层、隐层和输出层组成。易见它有点类似于“黑箱”结构，中层的隐层即相对于黑箱，当然它比黑箱更进一步，因为：它利用非线性优化技术，使网络误差
18、最小，亦即模型更能够反映实际。它具有大规模并行处理和分布式的信息存储、良好的自适应性、自组织性以及很强的学习功能、联想功能和容错功能。,其它经验方法,Das(1984)提出的方法 Tomlinson(1994)提出的方法 Pells和Turner(1979)嵌岩桩的沉降计算,第二部分 群桩沉降计算方法,群桩的特点,群桩效应改变了单桩侧摩阻力从桩上部逐步向下发挥的荷载传递过程，也改变了桩侧摩阻力和桩端阻力的大小和发展过程以及桩侧摩阻力的分布，使地基土的受力状态发生变化。,群桩与单桩比较,群桩沉降涉及的因素远比单桩沉降为多，例如群桩的几何尺寸有关参数、施工工艺与流程、地基地质条件、荷载大小和持续时
19、间，以及承台型式等，对于影响沉降的主要因素、单桩与群桩两者也不相同，前者主要受桩侧摩阻力影响，而后者（群桩）的沉降在很大程度上与桩端以下土层的压缩性有关。,沉降计算方法,已有的计算方法各有其特点和适用范围，大致可分为：弹性理论法等代墩基法分层总和法数值计算法等,方法一 弹性理论法,其基本假定与上述单桩沉降的弹性分析的假定一样 由于弹性理论法的主要依据是Mindlin方程的解，而Mindlin给出的是均质弹性半空间内作用单位竖向荷载时的位移与应力解，这样一来，群桩沉降计算就分别以位移法和以应力解为基础的应力出发点，形成了两种不同的的分析方法：以位移解为基础的位移法和以应力解为基础的应力法。,弹性
20、理论群桩沉降计算方法，可细分为以下几类：叠加法 相互影响系数法沉降比法杨敏、赵锡宏经验公式其它弹性理论方法,叠加法,该法在考虑桩与桩的相互影响时，只对各桩的变形进行叠加，并未考虑桩的存在所带来的影响，从而过高地估计桩的相互作用；土的非线性特性使得难以精确确定的弹性模量值，往往出现失真现象；这种简化的方法忽略了桩对土的加强效应，也未考虑承台分担荷载对于减小沉降的作用以及承台上土反力对于桩侧和桩端的应力和变形的影响,刘金砺指出(桩基础设计与计算，中国建筑工业出版社，1990)：该法有一个突出的特点，即对于桩距大、布桩不规则、桩长不一的群桩，可根据其实际几何特征计算沉降，而等代墩基法却不能考虑这些因
21、素。该法多用于半无限均质土内具有刚性承台的摩擦群桩的沉降计算。,相互影响系数法,在单桩分析的基础上，应用叠加原理把弹性介质中两根桩的分析结果通过引入相互作用系数而扩展到群桩的分析当中。相互作用系数的定义如下：相邻桩引起的附加沉降/自身荷载 作用下引起的沉降,该两参数均难以准确确定，给出的相互影响系数图表提供的只是一种经验的近似数值，因此，这种方法远比叠加的计算粗糙；该法未考虑桩底压缩层的成层性，对于成层性的地基，计算误差要大一些，特别是对于桩底以下有软弱下卧层的情况不宜采用此法计算群桩沉降；应用该法估算群桩沉降时是直接利用单桩的荷载沉降试验资料，而无需土层的压缩模量参数。,沉降比法,沉降比法的
22、关键是如何估计沉降比R，采取的途径不外经验方法和弹性理论法，对这些方法的精度尚未见有关文献中有评述；沉降比法中当根据静力试桩的Qs曲线确定单桩的沉降时，要考虑群桩的时间效应，除以沉降完成系数0.40.8，本法适用于非粘性土中群桩沉降的估算。,杨敏、赵锡宏经验公式,杨敏等(1989年)根据上海地区桩基的试验、工程实践,以及均质土内群桩沉降弹性理论提出了一个既可计算桩筏基础或桩箱基础沉降，又可计算桩与筏基或桩与箱的分担建筑物荷载的比例的实用方法；该法的经验关系从Poulos弹性理论解与上海地区桩基沉降的实测结果作比分析后得到的，带有地区性，有待进一步验证和修正。应用此法所得计算结果与实测结果较吻合
23、。,局限性,弹性理论法的特点是考虑了土的连续性，能进行比较精确的分析，并可用于群桩的分析。由于实际地基土的成层非均匀性和各向异性，因此该法的适用性受到限制，未考虑土的应力历史，以及时间的效应；未考虑桩设置后的加筋效应对土性参数的影响。,方法二 等代墩基法,等代墩基法一般亦称为实体深基础法该计算模式是将承台下的群桩包括桩间土体看作是一个等效于墩基的一个实体深基础，在此等代墩基范围内、桩间土不产生压缩变形，如同实体墩基一样工作，然后按照扩展基础的沉降方法来计算群桩的沉降。,方法三等效作用分层总和法,对于桩中心距小于6倍桩径的桩基础，其最终沉降量计算可采用等效作用分层总和法。等效作用面位于桩端平面，
24、等效作用面为桩承台投影面积，等效作用附加应力近似取承台底平均附加应力。等效作用面以下的应力分布采用各向同性均质直线变形体理论。在桩基沉降计算时，除了桩基等效沉降计算系数外，其余计算与天然地基计算完全一致。,方法四 数值方法,有限单元法边界单元法混合法,有限元,有限单元法克服了其他各种方法在理论上的局限性从原则上讲，它可以在计算中同时考虑影响桩基性能的许多因素，如土的非线性、固结时效性以及动力特性等；但是由于在具体计算时，所取用的参数多，准备工作复杂，计算量大，费用昂贵等原因，因此在桩基尤其是在群桩基础的分析当中采用较少。,然而用有限单元法去分析群桩基础共同作用的主要机理，并以它作为指导原则去指
25、导实际工程和校核工程的实用计算方法等等却有着重要的实际意义。Vesic指出，我们对土的基本应力、应变、时间关系知识贫乏，这可能是目前有限元法受到的最大限制，也就是说，有限单元法的计算分析结果的可靠性依赖于土的本构关系的真实性。,边界单元法,边界单元法用于桩基的分析，只需对桩土界面进行离散，在接触面上仍采用弹性理论模拟土的性状，建立桩土节点的位移协调关系和力的平衡关系，据此来分析桩基。,边界单元法要比有限单元法优越，因为边界单元法只需对各区域的表面进行单元划分，而有限单元法则要对整个区域划分单元。用边界单元法同样也可以考虑到各种参数的影响，不过在以上介绍的各种边界单元法中，都存在着筏板为刚性的假
26、定，这是该方法的一个严重不足。,混合法,混合法是将几种方法结合起来使用而形成的方法。一般来说，混合法目前主要可分为三大类：半解析数值方法；用荷载传递法、剪切位移法来分析单桩，桩土桩之间的相互作用采用弹性理论法或剪切位移法的方法有限元与边界元的耦合分析方法。,半解析数值方法是解析与数值手段相结合的方法，其主要特点是兼备解析与数值方法的优点，并在很大程度上克服了两者的不足：一般说来，纯解析方法得到的是一种理论解，它的精度高，计算量小，对无限域是一种原始模型解，但它的解题范围有限，不同的问题方法各异，比较难掌握；而数值方法正相反，其优点是解题范围广，适用于复杂的几何形状、边界和材料特性，而且方法统一
27、，易于掌握，其不足之处是给出的是一种近似解，计算工作量大，难于模拟无限域等。,而另一种混合法，即用荷载传递法、剪切位移法等来分析单桩受力机理，用Mindlin解或剪切位移理论来考虑群桩间的相互作用，由于荷载传递法能较好地反映桩侧土的成层非均质性，Mindlin解或剪切位移理论又广为人们所熟知，因此这一类混合法是目前常用的群桩基础的非线性分析方法。然而这类混合法在理论上显然是近似的，而且必须通过必要的修正之后才能运用到实际工程当中去。,应用有限元与边界元相结合的方法来分析桩基础的学者首推Hain and Lee(1978)，他们将筏板用一系列的薄板单元来表示，而桩的特性则用边界单元法来计算，为了
28、减少计算工作，还利用了相互作用影响系数的概念，分析时土体虽然被限制为均匀的弹性半无限体，但却可以通过“Cut-Off”的方法来考虑群桩中荷载达到极限承载力的情况。,第三部分 多层建筑变形控制设计方法,1、多层建筑的变形控制设计理论,方法的提出：在较深厚的软弱地基上建造多层建筑，采用天然地基浅基础方案，地基强度要求能基本满足或相差不大，但地基变形验算因沉降过大无法满足设计要求。若采用外荷载全部由桩承担的常规桩基设计方法，则桩间土的承载力全部被浪费，这样的设计显然是不合理的。,建筑物基础变形控制设计理论,一种新设计方法，能够利用桩间土的承载力，桩的设置主要是为了减少和控制建筑物的沉降，并使建筑物基
29、础满足整体承载力的要求，这种设计思想称为建筑物基础的变形控制设计理论。这是一种介于天然地基上浅基础和常规桩基之间的基础类型。,核心问题,设计计算核心是要给出一个能计算桩数与沉降关系的公式，以便确定合适的桩数，使建筑物的沉降在建筑物的容许沉降量以内，并满足整体承载力的要求。,几种主要的计算方法,沉降控制复合桩基 减少沉降桩基础沉降控制设计桩基础疏桩基础,沉降控制复合桩基,沉降控制复合桩基实质上是桩和承台与地基共同作用的设计应用。目前已被引用到上海市标准地基处理技术规范（DBJ084094）和上海市工程建设规范地基基础设计规范（DGJ08111999）,原理,这个方法是根据Geddes按弹性理论中
30、Mindlin应力公式积分后得到的单桩荷载在半无限体中产生的应力解，用简单叠加法原理求得群桩荷载在地基中产生的应力，然后再按分层总和法计算沉降，并进行适当的修正；该法可以考虑桩基中桩数、桩间距、不规则布桩及不同桩长等因素对沉降计算结果的影响。,减少沉降桩基础 沉降控制设计桩基础,减少沉降桩基础在1988年由同济大学杨敏、赵锡宏提出。通过实践，杨敏深化减少沉降桩基础计算方法，并于1997年创造了启明星软件桩基础沉降计算软件，使用户可以方便地获得桩数和沉降的关系曲线。,原理,该法是利用波勒斯应用明特林公式的位移解，结合现场试验和模型试验得到的半理论半经验计算公式，对于建筑物上部荷载由桩承担的桩基础
31、，得出桩基础的平均沉降的计算公式；,疏桩基础,疏桩基础是把建筑物按常规桩基础设计所确定桩的数量与间距，进行精减与疏布的桩基础。上部荷载不再全部由桩承担，而是由桩与桩间土共同承担形成的一种复合桩基。,设计原则,疏桩基础设计可归纳为“长桩疏布、宽基浅埋”八字要点；根据群桩现场实测表明：角桩承担荷载最大，边桩次之，内部桩最小的特点，在进行疏桩基础布桩时，应把原位于中心部位桩基向边缘、角桩处离散,第四部分 路桥一体化设计实例,背景,软土地区桥坡高填土通常会引起路基的较大沉降；与之相反，在传统设计思想的指导下桥梁桩基础仅产生极小沉降。于是在道路与桥梁的结合部位产生了较大的沉降差，从而形成的“桥头跳车”现
32、象。,传统桥头跳车问题的治理,从减小工后沉降的角度，对桥坡软基，进行长时间的堆载预压；从减小软基总沉降的角度，采用注浆、强夯、深层搅拌桩、碎石桩、砂桩等地基处理技术；从减小附加荷载的角度，对桥坡路堤的填料进行处理；设置搭板，作为过渡段，调节路桥的不均匀沉降,路桥一体化设计思想的提出,突破传统的“桥归桥，路归路”设计模式，设计时综合考虑道路与桥梁的沉降；综合考虑桥梁与桥坡段的沉降。尽可能使桥梁与桥坡沉降协同。,一体化设计的核心问题,按沉降控制桥梁桩基设计改变原传统强度控制设计思想中桩的沉降较小的设计思路解决路桥一体化设计的矛盾焦点集中在一个方面，即如何控制桥梁基础沉降，使之满足要求。,一体化设计
33、的控制指标,传统设计方法下，以路桥间工后沉降差不超过10cm为控制标准；在一体化设计思想指导下，可将此标准提高为差异沉降小于5cm，即路-桥之间没有错台，差异沉降小于5cm。,一体化设计的设计流程,选择技术可行，费用低廉的桥坡软基处理方法；对处理后软基的沉降量，沉降速率进行分析；采用按沉降控制的设计思想，设计桥梁桩基础，对桥梁桩基的总沉降量及沉降速率进行分析；校核桥梁桩基的沉降计算与桥坡的沉降计算，调整设计方案，对施工工期做技术上的限定，使沉降差尽可能小。,路桥一体化设计的应用前景,基础设计必须适应上部结构的要求。因此，要从上部结构的分析上探讨路桥一体化设计的应用前景。从上部结构自身要求、桥下
34、通行的净空要求等个方面来讲都能够满足要求在设计方法成熟后，可考虑突破现有规范对总沉降量的规定。,经济价值,桥梁沉降，相应的可以降低对桥坡软基的处理标准，节约桥坡软基的处理费用；采用复合桩基理念，充分挖掘桥梁小承台桩群的承载能力，以沉降为控制标准，与传统设计相比较，可减少桥梁桩的桩长、桩数，从而降低桥梁桩基造价；路桥的协同变形，为通车后道路的维护带来方便，可减少后期的道路维护费用。,目前沉降计算方法的评述,目前的桩基沉降计算预测有以下特点：对工程经验的严重依赖性。对于长期沉降的发展历程，几乎完全依赖工程经验。计算理念上的简单化。仅考虑易于解决的外部沉降问题（桩端平面下土体的整体压缩变形），抛弃或
35、过于简化地处理内部沉降问题（桩端刺入变形）,合理桩基沉降计算分析方法,合理桩基沉降计算方法应该在完善考虑承台桩土体相互作用的基础上提出，而且应该与桩基承载机理相结合。对桩端平面以下土体的整体压缩，采用目前方法，应该是可行的。沉降分析的核心与难点就集中在桩端的刺入及桩间土压缩变形量计算预估上。,基于桩端刺入变形与桩间土压缩的桩土承台共同作用简化分析方法,本算法不考虑桩与桩、桩与承台之间的相互影响。单桩荷载沉降曲线，由于加荷时间较短，近似认为该曲线的沉降由桩身压缩量和桩端刺入量组成。承台板所分担荷载在整个板底均匀分布,假定,承台下地基土与桩分担荷载的确定方法,桩承受荷载的确定依据单桩P-S曲线，任
36、意选定桩所需要承担的荷载Pp。依据第二条基本假定，则此时单桩的沉降量Sp1由桩身压缩量及桩端刺入变形量所组成。,承台下地基土分担荷载的确定 依据第三条假定，板底荷载在整个板内均匀分布，参考上海地基基础设计规范按照天然地基沉降计算的分层总合法，反算桩长L范围内的桩间土变形量，使板底应力作用下的桩间土压缩量SS2Sp1（单桩的沉降量）。则此时的板底应力s即为桩间土分担的荷载。,桩数的确定,从单桩的P-S曲线出发，由前面的方法得到一组单桩荷载Pp与对应板底应力s的数据，由此可绘制曲线。选择一组相对应的数据Pp及s，依据作用在承台板处的荷载长期效应组合P，求桩数n有：,基础沉降量的确定方法,由荷载分担
37、的确定可知桩身范围内的变形量 桩端平面以下地基土的压缩量由两部分组成。一部分由承台板板底应力产生，按天然地基沉降计算方法确定。一部分由桩所分担的荷载nPp产生，按上海地基基础设计规范（条计算。桩的荷载在桩端平面以下产生的附加应力按Geddes积分解叠加得到。,算法讨论,本算法从单桩的p-s曲线出发，考虑到积累了大量的各种桩型、土层的单桩p-s实测曲线，因此不难获得这方面的数据。本算法的最大优点在于从由承台下地基土分担荷载的基本条件出发考虑问题，从而可以得到任意桩荷载水平下的承台下地基土分担荷载量，不必将桩的受荷水平限制在极限荷载。这与实际更为符合。,路桥一体化设计方法的实践,概述：高东二路跨线
38、桥为9跨混凝土简支梁桥。环内坡度为6%，环外6.5%。桥坡填土高度环内为2.438m，环外为2.996m。（跨线桥示意图、桥坡及各墩台的荷载见后面）填土高度不大，采用常规堆载预压方法进行处理。,在缺乏经验的情况下，对桥梁沉降控制指标采用了比较保守的做法。对主跨的4、5、6号桩基础，采用传统的设计方法，使其沉降很小，以保证对主干道不造成影响。对边跨，按照规范要求，以每跨50mm 沉降差至桥台作为沉降控制指标。为确保工程安全，对边跨桩施工时预埋注浆管。当桩基沉降过大时，可采取桩底后注浆的措施，控制沉降。,桥坡总沉降分析,环内桥坡桥坡宽度8m，计算长度20m，台后填土高度2.438m，坡度6%。取填
39、土重度18kN/m3。台后10m内的沉降如图所示（单位mm，图中每格为1m）。压缩层底部为淤泥质粉质粘土。,环外桥坡取桥坡宽度8m，计算长度20m，台后填土高度2.996m，坡度6.5%，填土重度18kN/m3。台后10m内的沉降如图所示（单位mm，图中每格为1m）。压缩层底部为淤泥质粉质粘土。,沉降分析,从沉降图可见，由于填土高度较小，桥坡地基的沉降量并不大，且在桥坡填土三角形分布荷载下，最大沉降发生点并不在靠近桥台部位，两个桥坡的沉降最大点位置均在距桥台4m的部位；,靠近桥台部位的沉降量，两端均小于5cm。从桥坡沉降的角度看，不需要桥梁沉降亦可满足规范要求。在沉降变化比较剧烈的离桥台6m左
40、右范围设置搭板即可解决该跨线桥的桥头跳车问题；,从摸索桥梁桩基按沉降控制设计可行性的角度，我们依然对桥梁桩基础按前述控制标准采用按沉降控制来设计，所不同的是，为防止桥梁沉降过大，在边跨桩施工时预埋注浆管。,桥梁各墩台设计方案及沉降计算,对环内与环外两侧墩台采用了两种不同的设计思想进行设计：在环外一侧（7，8，9墩台），仅通过调节桩长，将荷载传递到不同的桩端压缩层，实现各墩台不同的沉降控制。在环内一侧（0，1，2，3墩台），通过调整桩数及桩长，实现各墩台不同的沉降控制。对于主跨基础（4，5，6墩台），严格按照常规桥梁桩基础设计方案进行设计。,最终确定的设计方案与常规方法设计方案比较,桩土分担的监
41、测结果,各墩台沉降监测结果,采用本文简化算法对路桥一体化设计桩基的分析,在假定桩承担所有附加荷载的情况下，3号墩台桩的受荷水平分别为0.71，而此时承台下土体依然可以分担了12左右的附加荷载。由此可见，其他简化算法仅在桩达到极限承载力状态后才考虑承台板板底土体分担荷载是不适当的。下面采用本文提出的简化算法对3号墩台进行分析。,3号墩台承台板设计为10.8m3.8m，桩端持力层为上海61层暗绿色粘性土。桩长30m，桩距4.6m，接近6d。,承台板板底的平均应力随桩间土压缩变化曲线,基础承载力随桩间土压缩量的变化,桩数的选择与基础沉降计算,由实测结果对上表校核,3号墩台实测在承台底面的附加总荷载为4942.2kN的情况下，土分担荷载11，即单桩荷载为1466kN，基础底面积为41.04m2，板底平均应力为13kPa。此时桩的受荷水平仅为单桩极限承载力的66。由表可见，按本文算法分析有3根桩情况下单桩荷载为1501kN，板底平均应力为11kPa。,谢 谢！,
