沋河特大桥桩基础沉降计算研2

“郑州-西安”客运专线站前专业专题研究

系列成果报告

沋河特大桥桩基础沉降计算研究

上海技术研究与开发中心

铁道第一勘察设计院

中国 · 上海

2004年3月18日

沋河特大桥桩基础沉降计算研究

1工程概况

郑西客运专线设计时速为350公里/小时，根据《京沪高速铁路设计暂行规定》要求新建铁路有良好的平顺性，这就对基础沉降提出了更高要求。在设计理念上，应从以强度承载力控制设计转化为以变形控制设计。为满足平顺性要求，基础沉沉降不能大于3cm。因此对黄土地区桩基础沉降的分析研究具有重要意义。

沋河特大桥是郑西客运专线的的一项控制工程，桥址位于渭南市以北、陇海铁路沋河特大桥下游，跨越黄土台塬及沋河河谷阶地，中心里程CK413+222，55-32m梁桥。计算的桩基础位于CK412+584。天然地面标高为0.5m，地下水位标高:-11m，土层平均泊松比为0.32。基础所处地层分布见《沋河特大桥工程地质说明》。场地土层物理力学性质见表1。设计墩高7.0m。承台位于冲刷线下0.5m，承台长11.6m宽7.0m，高2.5m。桩端位于粉质粘土层，拟采用钻孔灌注桩，设计桩长38m，桩径1.25m，按梅花型布置，桩位布置如图1所示。

图1. 桩位布置图

                                 

表1    场地土物理力学性质

层号	土层名称	层厚(m)	天然重度(kN/m3)	Es1-2 (MPa)	桩侧极限摩阻力标准值(kPa)	桩端端阻力标准值(kPa)	()	Ck(kPa)
1	砂质黄土（水上）	11	17.297		0
2	砂质黄土（水上）	2.3	17.297		50
3	卵石土	3.8	19.6		185
4	粉质粘土	2.8	20.237		35
5	粉土	2.8	20.384		35
6	圆砾土	3.8	19.6		90
7	粉质粘土	50	20.237		35

    

2  群桩沉降计算方法概述

    在桩基工程中，群桩基础的沉降始终是一个难题。目前，关于沉降计算的方法有以下五大类：等代墩基法、弹性理论法、等效作用分层总和法、原位测试估算法、相互影响系数法和一些简化方法及经验方法。工程实践中应用较多的是等代墩基法和经验方法。经验方法应用较多的是软土地区，针对黄土地区的群桩沉降计算方法迄今没有见到报道。其他方法远没有达到实用阶段。

1 等代墩基法

等代墩基法是群桩沉降计算的一种简化方法。该计算模式将承台周边范围的群桩和桩间土一起假想为天然地基上的实体深基础，并假定等代墩范围内的桩间土不产生压缩变形，按扩展基础的沉降计算方法估计群桩的沉降。为了消除上述假定对沉降估算结果的影响，人们在计算模式上采取了许多措施来修正估算值，这些措施是：为了考虑群桩外围件应力的扩散作用，从群桩桩顶外围按应力扩散角向下扩散，增大假想墩基底面面积。在我国桩基工程实践中，桩侧应力扩散角一般取，为等代墩基侧面土层内摩擦角的加权平均值。

2  Mindlin解方法

近几年来越来越多的工程实测证明了应用Mindlin解计算群桩沉降较以Boussinesq解为基础的等代墩基法更符合实际。但工程实践表明，用Boussinesq解做群桩沉降分析得出的结果偏大，为了提高计算精度，地基中附加应力宜按Mindlin解确定。 

桩基计算模式确定后，可按分层总和法计算群桩沉降。

《铁路桥涵地基和基础设计规范》（以下简称《桥规》）方法就是基于等代墩基法；而《建筑地基基础设计规范GB50007-2002》（以下简称《建规》和《建筑桩基规范 JGJ 94-94》（以下简称《建桩规》）和基于Mindlin解方法。

2.1 《桥规》方法

具体计算方法见铁路工程设计技术手册《桥梁地基和基础》。

2.2 按《建规》和《建桩规》方法

该方法是采用Mindlin公式计算地基中的某点的竖向附加应力。计算时，可将各根桩在该点所产生的附加应力，逐根叠加得到。计算公式如下

   

－桩基最终计算沉降量；

 －桩基沉降计算经验系数，各地区应根据当地的工程实测资料统计对比确定；

－为单桩在竖向荷载的准永久荷载组合作用下的附加荷载；

－桩长；

－桩端平面以下压缩层范围内土层总数；

－桩端平面下第层土第个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量（MPa）；

－桩端平面下第层土的计算分层厚度；

－桩端平面下第层土的第个分层厚度（m）；

－是桩端阻力比； 

，－第根桩的应力影响系数，可用对Mindlin应力公式进行积分的方式推导得到。

运用此方法需要确定端阻比和桩基沉降计算经验系数。根据文献【5】试验结果浸水前桩在静荷载试验时，桩端阻力很小，并未发挥，仅占总荷载的5％∽6％。因此建议取5％。但当地基浸水后，地表沉降稳定时桩端阻力会增大到总荷载的36％∽51％。为研究端阻比对桩基沉降计算的影响程度，分别取0.005、0.006、0.01、0.1、0.36、0.51。为安全计，取1。

     计算采用同济启明星桩基础通用设计计算软件Pile2000。

3 负摩阻力的计算

该桥基础下有厚度达11.3m砂质黄土（），具有Ⅳ级自重湿陷性。在地基浸水发生湿陷时，地基土层的沉降量大于桩体的沉降量，这时桩周土层对桩的侧表面就会产生向下作用的摩擦力，这就是负摩阻力。

负摩阻力在《建桩规》有较详细和完整的规定，在无章可循的情况下，计算基于该规范。

3.1 单桩负摩阻力标准值按下列公式计算：

式中    －第层土桩侧负摩阻力标准值；

        －桩周土负摩阻力系数，自重湿陷性黄土；

        －桩周第层土平均竖向有效应力；

计算时为安全计，取0.25。

3.2 中性点

中性点是指桩的下沉量和地基沉降量相等的点亦即负摩阻力和正摩阻力的转换点，与桩身最大轴力点一致。中性点的位置由桩和地基的相对位移来决定。在同样的荷载和地质条件下，几乎不下沉的端承桩，中性点深，下沉较大的摩擦桩中性点浅。一般来说，中性点的位置，在初期多少是有变化的，它是随着桩的沉降增加而向上移动，当沉降趋于稳定，中性点也将稳定在某一固定的深度处。

    计算时为安全计，取0.7。

3.3 关于负摩阻力的群桩效应的考虑

    对于桩距较小的群桩，其基桩的负摩阻力因群桩效应而降低。这是由于桩侧负摩阻力是由桩侧土体沉降而引起，若群桩中各桩表面单位面积所分担的土体重量小于单桩的负摩阻力极限值，将导致基桩负摩阻力降低，即显示群桩效应。计算群桩中基桩的下拉荷载时，应乘以群桩效应系数<1。

    群桩中任一基桩的下拉荷载标准值可按下式计算：

式中    －中性点以上土层数；

        －中性点以上各土层的厚度；

        －负摩阻力桩群效应系数；

，－分别为纵横向桩的中心距；

      －中性点以上桩的平均负摩阻力标准值；

        －中性点以上桩周土加权平均有效重度。

沉降计算中将各桩下拉荷载求和作为外荷载计算群桩沉降。根据文献【6】,对于黄土地基中的摩擦桩（包括端承摩擦桩）的负摩阻力问题，首先是一个附加沉降问题，其次才是承载力强度问题。在桩身材料强度满足要求的情况下，应着重考虑由负摩阻力引起的沉降量与差异沉降量对建筑物的影响。另外，由于负摩阻力出现的极限值的概率很小，因而在承载力验算时可取较低的安全系数。因此在验算地基承载力时，总下拉荷载可以考虑乘以一个安全系数折减值2/1.6＝1.25。

4  群桩地基承载力检算

    分别根据《桥规》方法和《建规》和《建桩规》方法验算。在计算过程都将负摩阻引起的下拉荷载作为外荷载验算。单桩承载力的确定分别根据《桥规》和《建桩规》，具体计算公式详见有关规范。

    按《建规》和《建桩规》方法计算时，荷载均按标准值计算。

5 计算结果分析

1 上部荷载只考虑恒载和考虑恒载+活载的结果比较，见表2

端阻比取0.005，桩基沉降计算经验系数取1。

表2   考虑活载和不考虑活载的最终沉降量的比较

荷载			最终沉降量（mm）
N（kN）	Mx（kNm）	My（kNm）
20881.60	2217.63	5535.85	35.7
21027.63	0	0	16.0

从计算结果来看，沉降量与上部荷载并不成正比关系，荷载没有达到两倍关系，但是沉降量却超过两倍。计算中如何考虑活载，《桥规》和《建规》考虑的方法不一致，笔者认为应计活载，但是具体计算时应乘以一个相当于准永久系数的系数。

2 负摩阻的考虑

分别按负摩阻、0.5倍负摩阻、不考虑负摩阻三种情况进行计算，具体结果见下表。

表3 考虑活载+恒载的不同负摩阻取值的最终沉降量比较

负摩阻	最终沉降量（mm）
1	35.7
0.5	29.6
0	23.6

表4 不考虑活载的不同负摩阻的最终沉降量比较

负摩阻	最终沉降量（mm）
1	16.0
0.5	10.1
0	4.3

3 不同端阻比对最终沉降量的影响

对荷载为21027.63kN（只考虑恒载且计全部负摩阻力）进行计算。分别取0.005、0.006、0.01、0.1、0.36、0.51。

表5. 不同取值的最终沉降量比较

	最终沉降量（mm）
0.005	16.0
0.006	16.7
0.01	19.8
0.1	81.3
0.36	252.8
0.51	351.6

从计算结果看，端阻比对最终沉降量的影响较大，如何确定，需要通过试验或经验确定。

4 按《桥规》等代墩基法和《建规》Mindlin方法计算结果比较

  对双孔重载，考虑恒载+活载和全部负摩阻情况进行计算。荷载情况见表6。

表6 双孔重载（恒载+活载）

N（kN）	Mx(kNm)	My（kNm）
31476.71	2217.63	5535.85

表7两种方法的计算结果比较

方法	最终沉降量（mm）
《桥规》等代墩基法	102.9
《建规》Mindlin方法	35.7

  

对双孔重载，只考虑恒载和全部负摩阻情况进行计算。荷载情况见表8。

表8 双孔重载（恒载）

N（kN）	Mx(kNm)	My（kNm）
21027.63	0	0

表9两种方法的计算结果比较

方法	最终沉降量（mm）
《桥规》等代墩基法	78.0
《建规》Mindlin方法	16.0

从计算结果看，《桥规》等代墩基法较《建规》Mindlin方法明显偏大。这与现在群桩基础沉降计算的达成的共识相符。

6  结论及建议

1 结论

1.1工程实践与计算结果表明，《建规》Mindlin方法计算群桩基础最终沉降较《桥规》等代墩基法准确，《桥规》等代墩基法计算结果偏大。因此采用《建规》Mindlin方法计算群桩基础沉降是可行的，也是较为准确的。

1.2 湿陷性黄土群桩的负摩阻力可以按照《建桩规》确定，将各单桩的下拉荷载总和作为外加荷载计算群桩的最终沉降。

2 建议

2.1 黄土地区由于土的工程性质较为特殊，桩侧正、负摩阻力的分布、大小取值不明确。建议做浸水单桩静载试验，得到桩侧正、负摩阻力的分布及大小。

2.2 端阻比对计算结果影响较大，应通过浸水单桩静载试验确定端阻比。

2.3 计算沉降时是否应计活载，以及活载取值的大小，应做单桩的动载试验确定。 

2.4 考虑桩侧负摩阻力的群桩计算理论仍很不完善，可以考虑采用有限元方法模拟群桩，这需做进一步研究。

2.5 施工过程中可以采取适当的措施来降低桩侧负摩阻力，具体施工措施有待进一步研究。

7  附件： 

7.1 计算附表1，2

7.2 同济启明星Pile2000计算结果文件

8 主要参考文献

[1] 《铁路桥涵地基和基础设计规范 TB10002.5-99》. 中华人民共和国铁道部.

[2] 《建筑地基基础设计规范 GB50007-2002》.中华人民共和国建设部.

[3] 《建筑桩基技术规范 JGJ 94-94》.中华人民共和国建设部.

[4] 《桩基工程手册》.《桩基工程手册》编写委员会.

[5] 李大展等. 湿陷性黄土中大直径扩底桩垂直承载性状的试验研究. 岩土工程学报，1994，16(2):11-21.

[6] 李大展等.湿陷性黄土中桩的负摩阻力测试与验算.

[7] 《桥梁地基和基础》.铁道部第三勘测设计院.

[8] 刘利民,舒翔,熊巨华. 桩基工程理论进展与工程实践.北京:中国建材工业出版社,2002.9.

[9] 楼晓明等. 群桩基础地基中的竖向附加应力性状研究. 岩土工程学报，1996，18(4):20-26

[10] 《同济启明星Pile2000使用手册》.上海同济启明星科技发展有限公司.