橋梁嵌巖樁覆蓋巖增厚時(shí)的終孔分析

蘇貴玉

（山西省公路局太原分局，山西 太原 030012）

橋梁嵌巖樁覆蓋巖增厚時(shí)的終孔分析

蘇貴玉

（山西省公路局太原分局，山西 太原 030012）

通過對鉆孔樁基巖覆蓋巖增厚時(shí)的兩種不同地質(zhì)情況，從單樁軸向承載力、嵌巖深度兩方面所作的對比計(jì)算說明：在微風(fēng)化花崗巖上，其上覆弱風(fēng)化花崗巖的巖層增厚時(shí)，可以減少微風(fēng)化花崗巖的嵌巖深度，以利現(xiàn)場對樁基終孔控制和監(jiān)理監(jiān)控。

嵌巖樁；覆蓋巖增厚；終孔；單樁軸向受壓承載力；嵌巖深度

橋梁嵌巖樁樁基的工程質(zhì)量取決于兩方面：一是嵌入基巖的深度與持力層的厚度；二是樁基本身的施工質(zhì)量。前者對于橋梁的整體穩(wěn)定性影響較大，當(dāng)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)依據(jù)的地質(zhì)條件不符時(shí)，一般應(yīng)該根據(jù)終孔原則由監(jiān)理工程師、業(yè)主、設(shè)計(jì)單位及施工單位四方聯(lián)席會(huì)議現(xiàn)場確定。工程技術(shù)人員可以通過必要的計(jì)算達(dá)到心中有數(shù)，較為靈活地處理比較棘手的終孔問題。

在橋梁嵌巖樁施工中，基樁嵌入基巖之巖性、基巖的風(fēng)化程度以及樁端嵌巖深度都應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、樁長、地質(zhì)情況等作相應(yīng)的調(diào)整。若設(shè)計(jì)要求的基巖為微風(fēng)化巖，基巖覆蓋巖增厚指微風(fēng)化巖頂部具有一定厚度的弱風(fēng)化巖層。西部沿海高速公路虎跳門特大橋，主墩樁基設(shè)計(jì)要求嵌入微風(fēng)化花崗巖2.5倍樁徑（5 m），主墩樁徑為2 m。施工中實(shí)際地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)不相符，如24＃-1樁分別經(jīng)12.64 m弱風(fēng)化花崗巖,以下再嵌入微風(fēng)化花崗巖3.3 m（小于2.5倍樁徑）時(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。是否滿足設(shè)計(jì)要求，能否終孔，成為現(xiàn)場橋梁工程技術(shù)人員共同關(guān)心的問題。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)內(nèi)容，從單樁軸向受壓承載力及嵌巖深度兩方面進(jìn)行計(jì)算，可以在確定樁基終孔標(biāo)高時(shí)起到借鑒和指導(dǎo)作用。

圖1 實(shí)際地質(zhì)柱狀圖

1 數(shù)學(xué)模型

（1）支承在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆（挖）孔樁、沉樁和管柱的單樁軸向受壓容許承載力[P]可按下式計(jì)算：

[P]=(c1A+c2Uh)Ra

式中：[P]：單樁軸向受壓容許承載力，kN；

Ra：天然濕度的巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度（kPa），試件直徑為7～10 cm，試件高度與試件直徑相等；

h：樁嵌入基巖深度，m，不包括風(fēng)化層；

U：樁嵌入基巖部分的橫截面周長（m），對于鉆孔樁和管柱按設(shè)計(jì)直徑采用；

A：樁底橫截面面積，m2，對于鉆孔樁和管柱按設(shè)計(jì)直徑采用；

c1、c2:根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的系數(shù)，見表1。

表 1 系數(shù) c1、c2值

驗(yàn)算時(shí)，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，求出各巖層的單樁軸向受壓承載力計(jì)算值P，然后再加以比較判別。

判別式：當(dāng)P≥[P]時(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）當(dāng)河床巖層有沖刷時(shí)，樁基須嵌入基巖，按樁底嵌固設(shè)計(jì)，樁基應(yīng)嵌入基巖中的深度，可參照下式計(jì)算：

式中：MH：在基巖頂面處的彎矩，kN·m；

D：鉆（挖）孔樁或管柱的設(shè)計(jì)直徑，m；

β：系數(shù)，β＝0.5～1.0，根據(jù)巖層側(cè)面構(gòu)造而定、節(jié)理發(fā)育的取小值；節(jié)理不發(fā)育的取大值。其余符號的意義同前。

2 P的計(jì)算值與設(shè)計(jì)容許值的比較

本例中，設(shè)計(jì)給定[P]=23 000 kN。樁徑為2.0 m。

計(jì)算參數(shù)；Ra、c1、c2的確定：

Ra：按設(shè)計(jì)要求取值：

微風(fēng)化花崗巖Ra1=15 MPa；

弱風(fēng)化花崗巖Ra2=10 MPa；

按最不利情況取：c1=0.4，c2=0.03；

A=（2.0×2.0×π/4）=π（m2）；

U=πd=2π（m）

2.1 對于微風(fēng)化花崗巖

2.1.1 按嵌巖深度的設(shè)計(jì)值

h=2.5×2=5（m）時(shí)，有：

P1=15×1 000×(c1A+c2Uh)=15 000×(0.4×π+0.03×2×π×5)=32 987(kN)

有：P1>23 000 kN=[P]，滿足單樁軸向受壓容許承載力的設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 對于樁底嵌入3.3 m微風(fēng)化花崗巖

由圖1知：嵌入的弱風(fēng)化花崗巖的厚度:ha=-29.06-（-41.7）=12.64（m）。按設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算，嵌入微風(fēng)化花崗巖的深度：hb=-41.7-（-45）=3.3（m）。

P3.3=15×1 000×（c1A+c2U×3.3）=15 000×(0.4×π+0.03×2×π×3.3)=28 180（kN）。

有：P3.3>[P]=23 000 kN，滿足單樁軸向受壓承載力的設(shè)計(jì)要求。

2.2 對于弱風(fēng)化花崗巖

其嵌巖深度暫按設(shè)計(jì)h=2.5×2=5 m取值，有：

P2=10×1 000×（c1A+c2Uh）=10 000×（0.4×π+0.03×2×π×5）=21 991（kN）

P2<[P]=23 000(kN)，不滿足單樁軸向受壓容許承載力及嵌入微風(fēng)化花崗巖的設(shè)計(jì)要求。

在嵌入12.64 m弱風(fēng)化花崗巖及下層3.3 m微風(fēng)化花崗巖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高的情況下，基樁受弱風(fēng)化花崗巖與微風(fēng)化花崗巖的兩個(gè)樁周摩阻力、及微風(fēng)化花崗巖的一個(gè)樁底支承力，共計(jì)3個(gè)力的作用。

有：Aa=0（m2），Ab=π（m2）.

∵P3.3>[P]，設(shè)三個(gè)力的和為P3

又 ∵P3＝P3.3+10 000×（Aa×c1+c2Uha）>P3.3

∴P3>[P]，滿足單樁軸向受壓容許承載力的設(shè)計(jì)要求。

3 嵌巖深度的比較

嵌入弱風(fēng)化花崗巖取β2=0.5，Ra2=10 MPa；

（1）求商比較計(jì)算：

由式（3）、式（4）有：hk/hl=1.73，即：

因此，得出結(jié)論：

應(yīng)該嵌入節(jié)理發(fā)育的弱風(fēng)化花崗巖的折算深度是嵌入節(jié)理不發(fā)育的微風(fēng)化花崗巖深度的1.73倍。

（2）設(shè)計(jì)要求樁基嵌入微風(fēng)化花崗巖不少于2.5倍樁徑，在樁底嵌入3.3 m微風(fēng)化花崗巖的情況下，嵌入上覆層弱風(fēng)化花崗巖的最小厚度折算值為：

h=(2.5×2-3.3)×1.73=2.94≈3(m)

所以，上覆弱風(fēng)化花崗巖的層厚大于等于3.0 m,且嵌入微風(fēng)化花崗巖3.3 m時(shí)，滿足嵌固深度的規(guī)范要求，即組合嵌固深度的折算值滿足設(shè)計(jì)要求。

4 擬定終孔原則

若樁底嵌入微風(fēng)化花崗巖3 m，試確定其上覆弱風(fēng)化花崗巖的最小層厚hk；

（1）由式（5）得：hk=（2.5×2-3）×1.73=3.46≈4（m），取 hk=4 m.

（2）驗(yàn)算承載力：設(shè)樁底嵌入微風(fēng)化花崗巖3 m的單樁軸向受壓承載力為P3.0有：

p3.0=15×1 000×(c1A+c2U×3.0)=15 000×(0.4×π+0.03×2×π×3.0)=27 332（kN）

p3.0>[P]=23 000 kN

當(dāng)樁底嵌入微風(fēng)化花崗巖3 m，其上覆弱風(fēng)化花崗巖hk=4 m時(shí)，設(shè)單樁軸向受壓承載力的和為p4

∵p4＝p3.0+10 000×（Aa×c1+c2Uha）>p3.0>[P]

∴p4>[P]，滿足單樁軸向受壓承載力的設(shè)計(jì)要求。

5 小結(jié)

（1）由以上對比計(jì)算知，嵌巖樁覆蓋巖增厚時(shí),嵌入3.3 m微風(fēng)化花崗巖,且上覆3 m的弱風(fēng)化花崗巖時(shí)，滿足該樁基單樁軸向受壓容許承載力與嵌巖深度的要求。為此，特制定出本項(xiàng)目的樁基終孔原則之一：“上覆弱風(fēng)化花崗巖的層厚大于等于4 m時(shí)，微風(fēng)化花崗巖按嵌巖深度大于等于3 m計(jì)”。

（2）對于嵌巖樁重要的是滿足嵌巖深度的終孔原則與設(shè)計(jì)要求，覆蓋巖增厚時(shí)單樁軸向受壓承載力由樁周摩阻力與樁底支撐力共同承擔(dān)，比較容易滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

綜上所述，橋梁施工的樁基終孔，可以結(jié)合不同的地質(zhì)情況，通過分析計(jì)算確定基巖覆蓋巖增厚時(shí)的嵌巖深度，在滿足持力層厚度要求的前提下確定終孔標(biāo)高，以控制樁基的終孔質(zhì)量，進(jìn)而為橋梁提供安全、穩(wěn)定的基礎(chǔ)。同時(shí)，合理地控制變更費(fèi)用與施工進(jìn)度。

Analysis the Bridge Inlays When the Crag Pile Duplicate Roof Rock Accumulation Hole Finally

Su Guiyu

Through to time the drill hole pile bedrock duplicate roof rock accumulation’s two different geological situation，from the single pile axial supporting capacity，inlays the contrast computation which the crag depth two aspects do to explain：When micro decency granite，above duplicate weak decency granite rock layer accumulation，may reduce the micro decency granite to inlay the crag depth，In order to help the scene to pile foundation finally hole control and overseeing monitoring.

inlays the cragpile；duplicate roof rock accumulation；finally hole；single pile axial bearing supporting capacity；inlays the crag depth

U445

A

1000-8136(2010)35-0069-02

式（2），應(yīng)嵌入基巖中的深度為便于求商比較，按最不利情況選取β值：嵌入微風(fēng)化花崗巖取β1=1.0，Ra1=15 MPa；