對公路橋梁樁基設計問題的思考

張　浩　邱志成

摘要：文章結合設計實踐，參考相關規范及文獻，針對現行公路橋梁地基與基礎設計規范中關于樁基設計計算及樁基沉降量的計算問題進行了初步探討。

關鍵詞：橋梁樁基；樁基沉降量計算；端承樁和摩擦樁

中圖分類號：U445文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）12-0088-01

一、端承樁和摩擦樁的區分問題分析

文獻[1]中認為，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1/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1/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1/d>45時，嵌巖段總阻力占總荷載比例小于20%；1/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1/d的增大而增大的，因而導致摩擦力和側阻力的增大。

試驗結果表明：傳遞到樁端的應力也隨嵌巖深徑比hr/d增大而減小。一般地，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%。因此，端承樁和摩擦樁的區分，能單純從是否嵌巖來區分，還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。如何正確區分樁基類型，對樁基設計計算和施工是十分重要的。

二、橋梁樁基沉降的計算情況

基礎的沉降，本次規范參考前蘇聯1984年《公路、鐵路、城市道路橋涵設計規范》，在第4.3.3條規定：相鄰墩臺間不均勻沉降差值（不包括施工中的沉降），不應使橋面形成大于0.2%的附加縱坡（折角）。這樣，可使橋上設施，如伸縮裝置、連續橋面、支座能夠適應（上述設施除適應不均勻沉降外，尚需適應安設以后的上部結構撓度、沖擊、制動力和可能的由于彎、坡、斜引起的行車因素）。

樁基礎的沉降是一個十分復雜的問題。由于很難對樁周圍土體的應力應變關系做出細致、實際的觀察，至今還不能從客觀現象觀察中提煉出反映樁周土真實的應力應變關系的數學計算模式。觀察土體中樁基礎，特別是觀察軟土中摩擦樁的沉降過程發現，它的第一特征是它的時間性。土中樁基礎的沉降常要經歷一個很長的時間過程。一般竣工后5~7年的沉降速率才降到每年4mm以下。這些現象表明，軟土中樁基礎沉降的主要部分是與時間因素有關的。按目前土力學的知識，沉降的主要部分應由固結變形和土體的流變組成。

土體中樁基礎沉降的第二特征是刺入變形。一系列試驗表明：樁發生沉降時，刺入變形是構成樁沉降的不可忽略的一部分。現場試驗的歷時都不可能太長，土的固結和徐變現象不可能充分發展。但試驗結果充分說明，樁基礎沉降的發生、發展過程中，樁側和樁端附近的土體很早就已表現出非線性的性質，而不只是只有在樁的承載力接近極限時，土體才開始出現塑性。研究樁側摩阻力時發現：在樁土之間的相對位移很小時，摩阻力的大小與相對位移成正比。當相對位移達到某一極限值Q時，摩阻力達到極值，樁土之間將產生滑動位移。這一極限值稱為最大彈性位移。最大彈性位移的值并不大，一般認為Q=2~5mm。對于細長樁，當樁頂荷載不大時，由于樁身的彈性壓縮，樁上部的樁土相對位移就已能超過這一極值，產生滑移。在不斷加載的過程中產生滑移的區域不斷擴大；另一方面，樁與樁之間土體變形的滯后（固結和徐變）使滑移區域不斷變化。這一滑移現象是產生刺入變形的主要原因。

樁基沉降的第三特征是樁端下土體的壓縮變形。樁側土體和樁端以下的土體在應力場的作用下，由于固結和徐變的作用，會繼續產生變形。其中，樁尖標高以上的樁側土體的固結壓縮和流變更為重要。由于樁身的變形基本是材料的彈性壓縮。因此在這段時間內，樁側土體質點向下的位移將逐漸大于同一深度處樁質點的位移，即在樁的上部，樁身質點向下的位移與相鄰土質點之間的位移差會減小，甚至改變為負向。由于位移差產生的樁側摩阻力也將隨之減小，甚至產生負摩阻力。為了使減小了的樁周土反力與樁頂荷載平衡，必須產生一個新的沉降增量，增加樁土相對位移來增加土反力。這一過程就會產生新的滑移。這是一個很復雜的過程，也是一個很長的過程。但總的趨勢是使樁上部的側摩阻力逐漸減小，樁下部的側摩阻力和樁端支承力逐漸增加。

由于《公路橋涵地基與基礎設計規范》中計算基礎沉降的長期效應組合與《建筑地基基礎設計規范》的荷載準永久組合計算公式一致，可以用下面公式計算橋梁摩擦樁基礎沉降：s=ψp∑^m_j=1∑ⁿ_ji=₁σ_j，_i△h_j，_i/E_sj，i。式中s—樁基最終計算沉降量（mm）；m—樁端平面以下壓縮層范圍內土層總數；Esj，i—樁端平面下第j層土第i個分層在自重應力至自重應力加附加應力作用段的壓縮模量（MPa）；n^j—樁端平面下第j層土的計算分層數；△h_j，i—樁端平面下第j層土的第i個分層厚度（m）；σj，i—樁端平面下第j層土第i個分層的豎向附加應力（kPa）可分別按建筑地基規范附錄中的明林德公式計算。Ψp—樁基沉降計算經驗系數，各地區應根據當地的工程實測資料統計對比確定。

參考文獻

[1]李百坤，黃瑞豹．鉆孔灌注樁施工控制與常見問題的處理[J]．中國科技信息，2006，（5）．

[2]魏敏．公路橋梁樁基質量檢測與質量事故分析[J]．科技信息（科學教研），2007，（20）．