論公路橋梁嵌巖樁基設計

【摘 要】文章對公路橋梁嵌巖樁基的單樁承載能力計算公式進行了分析，討論了端承樁和摩擦樁的聯系和區別，對如何準確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度提出了自己的看法，解決了嵌巖樁基設計中樁基配筋的相關問題。

【關鍵詞】公路橋梁；樁基承載力；嵌巖樁基設計；樁基配筋

橋梁上部結構的荷載一般都較大，承載能力高、質量穩定的鉆孔灌注樁是絕大多數橋梁工程首選的基礎形式。設計的橋梁樁基是否適當，對工程質量、造價、工期及使用都有很大的影響。本人結合工作實踐，就樁基設計中的一些問題進行初步探討。

1 端承樁和摩擦樁的聯系和區別

通常認為，凡嵌巖樁必為端承樁，端承樁一般都不會考慮土層側阻力。但以實際情況來看，大量現場結果表明：端阻力、樁側阻力的發揮性狀與上覆土層的樁長徑比、性質和厚度、樁底沉渣厚度、嵌入基巖性質和嵌巖深徑比等因素有關。在一般情況下，上覆土層的側阻力是可以發揮的，而且側阻力會隨著長徑比1/d的增大相應的跟著增大；只有對于短粗的人工挖孔的嵌巖樁，端阻力會在土層側阻力之前發揮，端阻力影響著樁的承載力。對于1/d>15~20的泥漿護壁沖(鉆)孔的嵌巖樁，無論是在完整基巖還是在嵌入風化巖中，樁側阻力都會在端阻力之前發揮，表現出了較明顯的摩擦型。對于1/d>40時，且覆蓋的土層不屬于軟弱土時，嵌巖樁端所能承載的作用較小，這時樁基的受力狀態為摩擦樁，樁端嵌入中風化或強風化巖層中即可。在一些地區，泥質軟巖嵌巖灌注樁的1/d >45時，嵌巖段是總阻力占了總荷載比例的20%以下；當1/d >60時，嵌巖段端的阻力只占總荷載比例的5%以下。而這種樁底沉降和樁身彈性壓縮都是隨著長徑比1/d成正比的，因而導致側阻力和摩擦力的增大，傳遞到樁端的應力也會隨嵌巖跟深徑比hr/d成反比。當hr/d>5時就沒有應力傳遞到樁端；但對于泥質軟巖嵌巖樁，hr/d=5~7時，樁端的阻力還是會占總荷載的4.5%~15%。所以，摩擦樁和端承樁的區分，不能只從是否嵌巖來區分，而要考慮到上覆土層的厚度和性質、嵌入基巖性質、樁長徑比、樁底沉渣厚度和嵌巖深徑比等因素。

2 嵌巖樁基的單樁承載能力的計算

樁基承載力的計算是橋梁設計的重要部分。《公路橋涵基礎與地基設計規范》(JTG D63-2007)中明確的規定：支承在嵌入基巖內或基巖上的挖 (鉆)樁，其單樁軸向的受壓容許承載力[Ra]，可按如的下式計算：

Ra——單樁軸向受壓承載力容許值；

——根據巖石破碎程度、清孔情況等因素確定的系數。

Ap——樁底截面面積；

∮s——覆蓋層土的側阻力發揮系數；

hi——樁嵌入基巖深度；

——樁側第i層土的側阻力標準值；

li——各土層的厚度；

u——樁嵌入基巖部分的橫截面周長，按設計直徑計算；

——單軸抗壓強度和樁端巖石飽標準值；

上述公式表明：嵌巖樁的單樁軸向受壓容許承載力Ra，只取決于嵌入基巖的深度和樁底處巖石的強度，以及巖石破碎程度、清孔情況等因素。依據規范所描述，通常大家會認為只要是嵌巖樁就是端承樁，就會適用于這個公式。而實際上不是，只有在嵌巖樁的清孔為絕對干凈，樁底只有支撐作用，樁底強度很高且巖石完整時，樁幾乎沒有豎向位移，樁基才能算是端承樁，公式也才能使用。在實際的工程中，只有在土層側阻力所占的比例較小，當樁基長徑比不大時，樁基大致表現出端承樁的特征，公式才可以使用。公式中所提到的“hi”是指“樁嵌入基巖的深度，但不包括風化層”。一般都認為是樁必須嵌入新鮮基巖，而不管其上面風化巖層的強度怎么樣。因為有的強風化硬質巖層(如花崗巖)，它們的極限強度則會大于極軟巖新鮮巖的強度。這說明一般硬質巖的強風化層或微弱風化層的強度都相對較高，如不考慮這些層次的嵌巖深度，只是一味的要求嵌入新鮮基巖是不行的。根據這個原則，如果風化層很厚，樁基嵌巖則會很深。所以在設計上，這會致使計算的承載力Ra遠小于實際的極限承載能力Ra；在工程施工上，這會增大工程量，延長工期。

工程試驗表面，當巖面比較平整時，樁的嵌巖深度h>2d時，樁側嵌固力約占總荷載50%以上。承載力會隨著嵌固深度增加而增大，但嵌固的深度h>3d時，承載力增長比較小。公式中沒有規定hi的限值，也沒有隨hi值的增大而對其設定相關的折減系數。所以，在進行樁基設計實踐時，樁基承載力需要通過較大的嵌巖深度來提高時，可以考慮加大樁徑。

3 準確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度

在橋梁工程樁基設計中，常會碰到兩軟弱巖層之間的穿越強度很高的有一定厚度的巖層(夾層)。如果這種夾層厚度達不到承載的厚度要求，鉆孔樁就必須穿越夾層，到達持力層，這對施工進度和施工機械都有著極大的考驗。確定樁底基巖的厚度，一般有三個條件：第一是不考慮樁身周圍覆蓋土層的側阻力，在嵌巖灌注樁周邊嵌入較完整或完整的微風化、中風化、未風化硬質巖體，最小深度應按照構造的要求達到0.5m；第二是要求在樁底以下的3倍樁徑范圍內無斷裂帶、軟弱夾層、洞隙分布；第三是在樁端應力在擴散的范圍內沒有巖體臨空面。對一般夾層而言，只要能滿足前兩個條件就能作為持力層。對于巖溶地區的樁基，因為巖體形狀的奇特多變，巖溶洞隙的分布無規律，現有的勘探手段無法事先查出它的準確位置和大小，從而會導致工程費用增加、工期延長。對于計算所需要的邊界條件相當復雜，而巖石地基比巖溶地基的影響因素要少，以前一般都會要求樁端下有5m樁徑持力層的厚度，對于不同的樁徑、不同的單樁承載力，一樣也應保證其有基樁端面以下有5m完整基巖，這兩者的可靠度是完全相同的。為了使樁基設計經濟更加合理，應將試算數值和經驗值相結合的方法來確定樁端持力層厚度及嵌巖深度。樁基內力可用“m”法來計算，也可用其他有可靠依據的方法來計算。如按“m”法來計算樁基時，樁身的彎矩有3個特點。第一是彎矩分布的規律接近于一條從頂向下衰減的波形曲線，并且衰減速度很快；第二是樁身的最大彎矩發生在第一個不完整波形內，位置一般在地面以下約3m處；第三是在第一個彎矩零點的位置在樁入土深度的h=4/αh處。

4 采取合理的嵌巖樁基配筋布置

我們在設計時通常有兩種鋼筋的布置方式，即最大彎矩處進行配筋和將基樁主筋一半部分延伸到樁底處。最大彎矩處進行配筋是從樁頂一直延伸到最大彎矩的一半以下的錨固長位置處，減少二分之一配筋再一直延伸至彎矩為零以下的錨固長位置處，再往下就是素混凝土段。從節省工程費用和樁體受力及發生事故處理的概率來看，最大彎矩處進行配筋種更加合理，但將基樁主筋一半部分延伸到樁底處配筋可以減小施工的難度，鋼筋布置到樁底，易于固定鋼筋籠。

5 結語

樁基礎是目前公路橋梁中最主要的一種基礎形式，橋梁樁基的設計直接影響到橋梁工程造價和施工質量。本文對公路橋梁嵌入樁基的設計中的一些問題進行探討。采用合理、科學的樁基設計，對于降低工程造價、提高橋梁安全、提高橋梁耐久性等方面都有著重要的意義。

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