公路橋梁樁基設計應注意的問題
2008-01-01 00:00:00沈建章俞勤仙
現代商貿工業 2008年2期
摘 要：橋梁樁基設計直接關系到橋梁施工質量和工程造價。就公路橋梁樁基設計中的一些問題進行初步探討。
關鍵詞：橋梁樁基；設計；樁基承載力
中圖分類號：TU11文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）02-0290-02
橋梁上部結構荷載通常較大，后期質量穩定、承載能力高的鉆孔灌注樁往往成為絕大多數橋梁工程首選的基礎形式。橋梁樁基的設計是否得當，對工程造價、質量、工期及使用影響很大。筆者結合工作實踐，就樁基設計中的一些問題進行初步探討。
1 正確區分端承樁和摩擦樁等樁基類型
通常認為，凡嵌巖樁必為端承樁，凡端承樁均不考慮土層側阻力。實際上，大量現場結果表明：樁側阻力、端阻力的發揮性狀與上覆土層的性質和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質和嵌巖深徑比、樁底沉渣厚度等因素有關。
一般情況下，上覆土層的側阻力是可以發揮的，而且隨著長徑比l/d的增大，側阻力也相應增大；只有短粗的人工挖孔嵌巖樁，端阻力先于土層側阻力發揮，端阻力對樁的承載力起主要作用，屬端承樁。對l/d>15－20的泥漿護壁鉆(沖)孔嵌巖樁，無論是嵌入風化巖還是完整基巖中，樁側阻力均先于端阻力發揮，表現出明顯的摩擦型。對于l/d≥40，且覆蓋土層不屬于軟弱土，嵌巖樁端的承載作用較小，此時樁基受力狀態為摩擦樁，樁端嵌入強風化或中風化巖層中即可。在某些地區，泥質軟巖嵌巖灌注樁l/d>45時，嵌巖段總阻力占總荷載比例小于20%；l/d>60時，嵌巖段端阻力占總荷載比例小于5%。究其原因，一方面由于嵌巖樁樁身的彈性壓縮，導致樁頂沉降，這個彈性壓縮量引發了樁周土體的剪應力，也即是土對樁的摩阻力。另一方面，鉆孔樁的孔底殘留的沉渣，形成一個可壓縮的軟墊，至使樁底也會產生沉降，這一沉降和上述樁本身的壓縮導致樁身與土體、嵌巖段樁身與巖體產生相對位移，從而產生側阻力。而這種樁身彈性壓縮和樁底沉降是隨著長徑比l/d的增大而增大的，因而導致摩擦力和側阻力的增大。
同時，傳遞到樁端的應力也隨嵌巖深徑比hr/d的增大而減小。當hr/d>5時傳遞到樁端的應力接近于零；但對泥質軟巖嵌巖樁，hr/d=5－7時，樁端阻力仍可占總荷載的5%～16%。
由此可見，端承樁和摩擦樁的區分，不能單純從是否嵌巖來區分，要考慮上覆土層的性質和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質、嵌巖深徑比和樁底沉渣厚度等因素。
2 科學計算樁基承載力
樁基承載力的計算是橋梁設計的重要內容。關于承載力的計算公司，《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTJ024-85)給出了明確的規定：支承在基巖上或嵌入基巖內的鉆(挖)樁，其單樁軸向受壓容許承載力［Р］，可按下式計算：
［Р］ ＝（c1 A＋c2 U h）Ra
Ra——天然濕度的巖石單軸極限抗壓強度
h——樁嵌入基巖深度，不包括風化層
U——樁嵌入基巖部分的橫截面周長，按設計直徑計算
A——樁底截面面積
c1、c2——根據清孔情況、巖石破碎程度等因素確定的系數
公式表明：嵌巖樁的單樁軸向受壓容許承載力［Р］，僅取決于樁底處巖石的強度和嵌入基巖的深度，以及清孔情況、巖石破碎程度等因素。根據規范描述，通常認為只要是嵌巖樁，就是端承樁，就適用于這個公式。實際上，只有在嵌巖樁在清孔絕對干凈，樁底處于理想支撐，樁底巖石完整且強度很高時，樁的豎向位移很微小，樁基才表現為典型的端承樁，公式的使用是無可爭議的。實際工程中，只有當樁基長徑比較小，土層側阻力占比例不大時，樁基主要表現為端承樁的特征，公式才可使用。
公式中對“h”的要求是“樁嵌入基巖的深度，不包括風化層”。通常的理解是樁必須嵌入新鮮基巖，而不論其上面風化巖層的強度如何。有的強風化硬質巖(如花崗巖)，其極限強度往往大于極軟巖新鮮巖的強度。說明一般硬質巖的微弱風化層、甚至強風化層的強度都相當高，不考慮這些層次的嵌巖深度，一律要求嵌入新鮮基巖是不妥的。按照這個原則，在風化層很厚的情況下，樁基嵌巖很深。在設計上，必然導致計算承載力［Р］遠小于實際極限承載能力Р；在施工上，則會導致工程量的增大，工期的延長。
工程試驗證明，當巖面較平整，樁的嵌巖深度h>2d時，樁側嵌固力約占總荷載50%以上。隨著嵌固深度增加，承載力也隨之增大。但嵌固深度h>3d時，承載力增長不大。公式中沒有對h規定限值，也沒有隨h值增大而設定相關的折減系數。因此，在樁基設計實踐中，當樁基承載力需要通過較大的嵌巖深度來提高時，不妨考慮加大樁徑。
3 準確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度
橋梁工程樁基設計中，經常會遇到兩軟弱巖層之間穿越強度很高的一定厚度的巖層(夾層)，或者有些地區溶洞比較發育。如果這種夾層厚度不夠承載厚度要求，鉆孔樁就需要穿越夾層，以達到持力層，這對施工機械和施工進度都是極大的考驗。
對樁底基巖厚度的確定，主要有三個條件：(1)不考慮樁身周圍覆蓋土層側阻力，嵌巖灌注樁周邊嵌入完整和較完整的未風化、微風化、中風化硬質巖體的最小深度，按構造要求0.5m；(2)要求樁底以下3倍樁徑范圍內無軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布；(3)在樁端應力擴散范圍內無巖體臨空面。對于一般夾層，只要滿足前兩個條件即可作為持力層。對巖溶地區樁基，由于巖體形狀奇特多變，巖溶洞隙的分布毫無規律，現有勘探手段難以事先查明它的準確位置及大小，導致工期延長、工程費用增加。基于計算所需的邊界條件十分復雜，而巖溶地基比一般巖石地基影響因素更多，以前通常要求樁端下有4m、5m或5倍樁徑持力層厚度，對于不同樁徑、不同的單樁承載力，如果同樣要求基樁端面以下有5m完整基巖，兩者的可靠度是不盡相同的。為使樁基設計經濟合理，應根據經驗值和試算數值相結合的方法來確定嵌巖深度及樁端持力層厚度。
4 采取合理的樁基配筋布置
基樁各截面的配筋，理論上應根據樁基內力進行計算布置。樁基內力可采用m“法或其他有可靠依據的方法計算。按m”法計算樁基時，樁身彎矩有四個特點。(1)彎矩分布規律近于一條自頂向下衰減的波形曲線，且衰減很快；(2)樁身最大彎矩發生在第一個非完整波形內，一般在地面以下約3m位置；(3)樁身彎矩在第一個彎矩零點以下很小，可以忽略不計，其下樁身主要起傳遞豎向力作用；(4)第一個彎矩零點位置在樁入土深度h=4/αh處。
在設計中通常有兩種鋼筋布置方式。一種是根據最大彎矩處進行配筋。從樁頂一直伸到最大彎矩一半處下一定錨固長位置，減少一半配筋再一直伸至彎矩為零下一定錨固長位置，再下為素混凝土段，對于軟基，樁主筋最好穿過軟土層。另一種是將基樁主筋一半部分一直伸到樁底。從樁體受力和節省工程費用以及發生事故處理的難度來看，前一種更合理。這是因為：由于樁基較長一段不設鋼筋，比后者節省了部分鋼筋；底部斷樁時，鋼筋籠拔出后，可原孔再鉆，減少扁擔樁發生機率。但是，第二種配筋方式可以減小施工難度，樁基灌注混凝土時，鋼筋籠的定位是十分重要的，鋼筋布置到樁底，易于固定鋼筋籠。
參考文獻
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［2］黃求順.嵌巖樁承載力的試驗研究［A］.全國建筑樁基技術規范專題報告，2004.
［3］黃良正.關于橋梁嵌巖樁設計的探討［J］.公路科技雜志，2003，(1).
