鉆孔灌注摩擦樁配筋長度探討

郭繼業 林偉達

0 引言

對于鉆孔灌注摩擦樁的配筋,過去多數設計人員按照自己習慣的方法進行設計,配筋長度隨意性較大,大致可歸納為以下幾類:1)大多數設計單位樁基配筋采用m計算,按彎矩零點考慮配筋長度,第一批50%主筋在離樁頂4/α+(2 m～3 m)(α指樁的水平變形系數,下同)處截斷,鋼筋籠長度不小于2L/3(L指樁長,下同);2)第一次從樁頂至4/α處截斷1/3主筋,第二次在2/3樁長處再截斷1/3主筋,最后1/3主筋配到樁底;3)樁身上部L/3處第一批截斷主筋的50%,剩下的 50%主筋配置到2L/3處,最下面留有L/3長度的素混凝土段;4)樁頂到 L/2處第一批截斷主筋的50%,其余50%主筋配置到樁底,或在下面留1 m～3 m的素混凝土段;5)為方便鋼筋籠設計,將一批樁長相差不大的樁,采用同一尺寸的鋼筋籠,以底部不同的素混凝土長度來調整,這使得樁底以上素混凝土段長短不一,有10 m,20 m甚至30 m的情況。

總體上說,自從提出設計終身負責制后,樁內配筋長度普遍增長,具有優化設計與節省用鋼量的潛力;同時,對少數樁基的素混凝土段長度也需要進行必要的限制,以確保樁基受力安全。

1 現行規范對鉆孔灌注摩擦樁配筋的要求

鉆孔灌注摩擦樁主要依靠樁側與地基土之間的摩擦力來承受樁頂豎向荷載,樁身所承受的豎向荷載自上而下逐漸減小,越接近樁底,樁身所受的軸向力越小;同時,摩擦樁的樁長與樁徑的比值較大,亦即樁身較柔,在水平荷載和彎矩的作用下,樁身所受的彎矩與剪力也是靠近樁頂的上段大,在樁側土抗力的不斷抵消下,同樣使其所受的彎矩與剪力自上而下迅速衰減。因此,樁基內的鋼筋可分段配置不同的數量,樁頂段根據受力需要按鋼筋混凝土構件配筋,越向下配筋量越少,最后靠近樁底附近可不配筋而做成素混凝土段。

現行《公路橋涵地基與基礎設計規范》規定“計算樁基內力時,可采用m法”。按m法計算αh＞2.5的彈性樁基礎時指出:“樁柱在地面或局部沖刷線以下入土深度h≥4/α以下樁身部分的內力均可以認為等于零”。《建筑樁基技術規范》規定:“受水平荷載的摩擦型樁(包括受地震作用的樁基),配筋長度宜采用4/α”;“對于單樁豎向承載力較高的摩擦端承樁宜沿深度分段變截面配置通長或局部長度鋼筋;對于承受負摩阻力和位于坡地岸邊的樁基應通長配筋”。

按上述規范的要求可以看出,鉆孔灌注摩擦樁不要求在樁身內從上到下配置相同的鋼筋,而是可以分段配置不同的主筋總面積。

2 關于優化鉆孔灌注摩擦樁配筋長度的設想

2.1 第一批截斷50%主筋的長度L1

按m法計算的彎矩零點為4/α,理論上彎矩零點以下的樁身彎矩與剪力均可以認為等于零,可以不配置鋼筋。即使按K法計算的第二彎矩零點離地面或沖刷線的距離較m法計算的4/α值大,也沒有必要將L1值加大,因為至4/α處僅截斷主筋的 50%,還有50%的主筋是通過4/α處截面而繼續延伸的。故建議 L1采用:L1=4/α。

2.2 鋼筋籠長度 L2

計算單樁水平承載力較常用的方法有m法、c法和K法等。前兩種方法是《公路橋涵地基與基礎設計規范》采用或明確推薦采用的方法。這些方法的不同之處主要在于地基系數隨深度變化的形式不同,因而計算出樁的內力值以及分布形式也就各異,用這些計算值與實測值比較(見《公路橋梁鉆孔樁》上冊),K法與m法的最大彎矩計算值比實測值大,其位置比實測的低,c法的計算值與實測值較為接近。K法計算彎矩值最大,但收斂最快,所以第一彎矩零點最高,離地面最近,m法次之,c法的收斂點約為5/α,較 m法深,比實測值小。因此,各種計算方法的彎矩零點位置都比實測值高,這說明理論上的彎矩零點并不是實際的彎矩零點,例如m法的彎矩零點在4/α處,理論上認為在該點以下可以不配置鋼筋,事實上,在4/α深度以下仍存在彎矩。這就需要在4/α深度以下一定距離內布置一些鋼筋。就K法來說,它的彎矩影響深度較大,可達5.989/α以上。另外,《建筑地基基礎設計規范》規定“樁徑大于600 mm的鉆孔灌注樁構造鋼筋的長度不宜小于樁長的2/3”。由于目前公路橋梁在樁的試驗中,著重于樁的垂直承載力而很少甚至沒有對樁的水平承載力進行測試,故在現有的基礎上,為了安全起見,鋼筋籠長度L2建議在長樁的情況下應滿足 L2≥6/α。

2.3 素混凝土段長度hc

素混凝土段設置多長為好,在現行規范中找不到明確的說法。考慮鉆孔時可能出現傾斜,《公路橋涵施工技術規范》要求成孔傾斜度小于1%。如取最不利成孔傾斜度為1%,成樁后在樁底容許承載力R的作用下,以控制素混凝土段不出現拉應力為條件,并略去素混凝土段樁周土介質的有利因素后,可得混凝土的應力為:σ=R/Ac-0.01Rhc/Wc≥0,其中,Ac=πD2/4(D 為樁設計直徑,下同);Wc=πD3/32;hc為素混凝土段長度;R為樁底容許承載力;σ為在R作用下樁身素混凝土段與配筋混凝土界面上的拉應力。現令σ=0,即可求得hc=12.5D。由于素混凝土作為偏心受壓構件受力時,其樁側的土抗力肯定要起有利作用;另外在實際樁基工程中尚未見有因樁尖素混凝土段被折斷而造成工程事故的實例,因而建議將安全系數K采用1.5是仍屬安全的,由此素混凝土段長度可采用下式:hc≤12.5D/1.5=8D。

2.4 沉淀層厚度t

沉淀層厚度t是影響樁基承載力的因素之一,故有關規范規定了按 t與樁徑D的比值大小來確定樁底承載力的折減系數m。但隨著摩擦樁樁身長度的增加,t值大小對樁基承載力的影響也逐漸減小。一般設計人員認為對沉淀層厚度難以檢測準確,故認為要求稍嚴格一些為好,多取 t=0.2D。其實,要求過嚴容易在清孔中引起塌孔,將更影響樁基成樁質量和施工進度。個人認為如非設計承載力要求所必須,則沉淀層厚度t宜適當予以放寬為好。實際上樁底沉淀層泥漿在澆筑水下混凝土時受混凝土拌合料的沖擊后,形成了一層“夾泥混凝土”,其強度遠大于樁尖底部的原狀土。應該說這是一層由混凝土到樁尖底部原狀土之間的過渡段,有能力將樁底承載力較好地傳給下部原狀土,這也說明沉淀層厚度 t要求不宜過嚴。目前檢測方法很不完善,《公路橋涵施工技術規范》也無明確規定,個人建議沉淀層控制厚度如下:支承摩擦樁10 cm;摩擦樁(0.2～0.3)D,樁長 L＜40 m,土質較好時,取小值,L＞40 m或土質較差時,取大值,但不超過50 cm。

在短樁內為了防止一通到底的鋼筋籠底部鋼筋銹蝕,鋼筋籠不宜伸入沉淀層內,更不要讓鋼筋直接與樁尖原狀土相接,故鋼筋籠最大長度應滿足下式:L2＜L-t。在計算鋼筋籠長度 L2時,為偏安全計,考慮沉淀層厚度一律偏大地取t=0.4D。

3 結語

1)關于鋼筋主筋長度設計的建議:a.第一批可截斷50%主筋,其長度L1=4/α;b.鋼筋籠長度L2應按照不同的樁長分別確定:短樁,即 L＜(6/α+0.4D)時,L2＜L-0.4D;中長樁,即(6/α+0.4D)＜L＜Lk時,L2=6/α,其中 Lk=6/α+8D稱為界限樁長,即中長樁與長樁的分界樁長;長樁,即 L＞Lk時,L2=L-8D。

2)關于素混凝土段hc的設計,有條件時,應盡量設置較長的素混凝土段,以節省鋼材,但最大長度不應超過8D,對于需要設置聲測管的樁基,可留少量鋼筋籠中的主筋或采取其他有效措施,安裝聲測管,不必將樁中剩下的50%主筋全部伸到樁底;同時,當樁身上段存在淤泥、淤泥質土層或液化土層時,其鋼筋長度應超過這些土層的厚度,進入到下部土層的一定深度處。對于摩擦支承樁、承受負摩阻力和位于坡地岸邊的樁基以及抗拔樁應通長配筋。

[1] JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].[2] JGJ 94-2008,建筑樁基技術規范[S].

[3] JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[4] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[5] 交通部科學研究院.公路橋梁鉆孔樁(上冊)[M].北京:人民交通出版社,1978.