巖溶地區(qū)長嵌巖樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 軍 周強(qiáng)新

0 引言

在當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)中,關(guān)于嵌巖樁承載機(jī)理的認(rèn)識存在一定的誤區(qū),即嵌巖樁必為端承樁,承載力主要是樁端阻力承擔(dān)。這種認(rèn)識只有在樁較短、上覆土層薄而軟弱、嵌巖深度很小時(shí)才符合實(shí)際。其實(shí),對不同的工程地質(zhì)條件,樁的幾何尺寸及成樁工藝,嵌巖樁將表現(xiàn)出不同的承載性狀。由于對嵌巖樁承載力特性和荷載傳遞機(jī)制缺乏足夠地認(rèn)識,導(dǎo)致在嵌巖樁設(shè)計(jì)、樁身配筋和承載力取值方面還存在一些誤區(qū),一方面不管嵌巖樁的長徑比大小,嵌巖深度都作為端承樁來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算;另一方面是盲目地增加嵌巖深度和提高截面配筋率造成不必要的浪費(fèi)。

1 下伏巖溶的長嵌巖樁優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

在設(shè)計(jì)過程中,運(yùn)用系統(tǒng)分析的原理和方法,以保證樁身強(qiáng)度、樁基強(qiáng)度和樁頂位移為前提,以節(jié)約工程總造價(jià)為目的,在強(qiáng)度條件、變形條件和工程造價(jià)的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約中,找出既滿足強(qiáng)度條件、變形條件,又使總造價(jià)最低的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是十分必要的。為此,在對下伏巖溶的長嵌巖樁荷載傳遞機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,將嵌巖深度、樁身長度、鋼筋強(qiáng)度及截面配筋等設(shè)計(jì)參數(shù)作為變量,通過建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,對嵌巖樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究。旨在達(dá)到樁身強(qiáng)度與樁基強(qiáng)度最好的匹配、極限承載性能最充分的發(fā)揮、工程總造價(jià)最低的最優(yōu)設(shè)計(jì)效果,而且可改進(jìn)設(shè)計(jì)方法,對規(guī)范基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、節(jié)約投資經(jīng)費(fèi)有重大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2 下伏巖溶的長嵌巖樁荷載傳遞機(jī)理

2.1 豎向荷載傳遞機(jī)理

豎向荷載下單樁承載力由樁側(cè)阻力和樁端阻力組成,其基樁豎向荷載傳遞過程為:首先,豎向荷載逐步施加于樁頂,樁身上部受到壓縮,其近地面處樁土間開始發(fā)生或即將發(fā)生相對位移,即產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力;隨樁頂豎向荷載增大,近地面處摩阻力增大,豎向荷載繼續(xù)往下傳遞直至樁端;隨豎向荷載進(jìn)一步增大,樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮至最大值,樁端阻力逐漸增大,當(dāng)樁端阻力達(dá)到極限值時(shí),基樁也就達(dá)到其極限承載力。

嵌巖樁承載力雖由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成,但二者往往不能同時(shí)發(fā)揮至極限值。樁側(cè)摩阻力和樁端阻力發(fā)揮程度與樁土間變形有關(guān),并且各自達(dá)到極限值時(shí)所需要的位移量不同。

樁荷載傳遞理論揭示的是樁巖(土)之間力的傳遞與變形協(xié)調(diào)的規(guī)律,它是樁的承載力機(jī)理和樁土共同作用分析的重要理論依據(jù)。樁豎向荷載傳遞機(jī)理的分析要點(diǎn)在于確定樁身軸向荷載沿深度如何變化,樁側(cè)摩阻力沿樁深度如何分布,樁在不同深度處的豎向位移沿深度的變化規(guī)律等。

2.2 水平荷載傳遞機(jī)理

事實(shí)上,工程中單純承受豎向荷載或水平荷載的情況很少。基樁除承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載外,往往受有不容忽視的橫向荷載。工程實(shí)際中的樁承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載及水平荷載的作用。基樁在豎向及水平荷載作用下,不僅其水平分力將使樁身產(chǎn)生較大的彎矩和撓曲變形,豎向分力也將由于樁身撓曲變形的出現(xiàn)而產(chǎn)生一附加彎矩,而這一附加彎矩又將影響到樁身撓曲變形的增加。

在水平荷載作用下,基樁的工作性狀極為復(fù)雜,涉及到半剛體結(jié)構(gòu)部件和土體相互作用問題,其橫向承載能力不僅與樁本身材料強(qiáng)度有關(guān),而且很大程度上取決于樁側(cè)土的橫向抗力。在橫向荷載施加的初始階段基樁克服樁本身材料強(qiáng)度產(chǎn)生撓曲變形,隨著撓曲變形的發(fā)展,樁側(cè)土體受到擠壓而產(chǎn)生抗力,這一抗力將阻止樁身撓曲變形的進(jìn)一步發(fā)展,從而構(gòu)成復(fù)雜的樁土相互作用體系。當(dāng)變形增大到樁身材料所不能容許的程度或樁側(cè)土失去穩(wěn)定時(shí),樁土體系便趨于破壞。

3 山區(qū)高速公路下伏巖溶的嵌巖樁合理樁長確定

根據(jù)巖溶區(qū)橋梁基樁的工程特點(diǎn),此時(shí)嵌巖樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一是如何合理確定樁長。樁長過長將極大增加施工難度,并直接影響工程進(jìn)度及工程造價(jià);而由于下伏巖溶的存在,樁長過短是否滿足承載力要求及基樁安全要求亦是工程設(shè)計(jì)人員必須考慮的問題。

解決上述問題的關(guān)鍵在于如何根據(jù)下伏溶洞及工程地質(zhì)情況,合理確定嵌巖深度,由此確定最為經(jīng)濟(jì)安全的持力層。嵌巖深度應(yīng)該根據(jù)下伏巖溶及實(shí)際的工程地質(zhì)條件和嵌巖樁的設(shè)計(jì)承載力、設(shè)計(jì)樁長、樁徑比以及樁端巖石的性質(zhì)來綜合考慮。由此可見嵌巖樁最佳嵌固深度是隨著嵌巖樁所嵌巖體特性的不同而不同,應(yīng)分別對待。

4 下伏巖溶的長嵌巖樁樁身配筋的優(yōu)化

長嵌巖樁樁身所承受的豎向荷載是自上而下逐漸地減小,愈靠近樁尖,樁身所受到的軸向力愈小;同時(shí),長嵌巖樁的樁長與樁徑的比值較大,亦即樁身較柔,在水平荷載與彎矩的作用下,樁身所受的彎矩與剪力也是靠近基樁頂?shù)纳隙未?在樁側(cè)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,基樁內(nèi)的鋼筋可以分段配置不同的數(shù)量,樁頂段要根據(jù)受力需要按鋼筋混凝土構(gòu)件配筋,愈向下配筋量要求可以愈少,最后,靠近樁尖附近也可不配筋而做成素混凝土段。

現(xiàn)行的JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定“鉆(挖)孔樁應(yīng)按樁身內(nèi)力大小分段配筋。當(dāng)內(nèi)力計(jì)算表明不需配筋時(shí),應(yīng)在樁頂3.0 m～5.0 m內(nèi)設(shè)構(gòu)造鋼筋”和“計(jì)算基樁內(nèi)

其中,a為樁的變形系數(shù);EI為樁的抗彎剛度;EC為樁的混凝土抗壓彈性模量;I為樁的毛面積慣性矩;m為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

對于ah＞2.5的彈性樁基礎(chǔ),規(guī)范指出:“樁的入土深度 h≥4/a時(shí),z=4/a深度以下樁身截面作用效應(yīng)可忽略不計(jì)”。基樁應(yīng)驗(yàn)算樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定性及裂縫寬度。驗(yàn)算方法可參照J(rèn)TG D62公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)章節(jié)進(jìn)行。

JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范規(guī)定:“端承型樁和位于坡地岸邊的基樁應(yīng)沿樁身等截面或變截面通長配筋”。樁內(nèi)配筋率規(guī)定為:“當(dāng)樁身直徑為300 mm～2 000 mm時(shí),截面配筋率可取0.65%～0.20%(小直徑樁取高值);對受水平荷載特別大的樁、抗拔樁和嵌巖端承樁應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定配筋率,并不應(yīng)小于上述規(guī)定值”。

按上述規(guī)范的要求可以看出,嵌巖樁不要求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。因而從整體上說,嵌巖樁不屬于鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件,因?yàn)閺臉俄斨翗都獾臉渡砀鞫闻浣盥适侵饾u變小的,故中段和下段一般小于鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件最小配筋率的要求而屬于少筋混凝土或素混凝土的范疇。樁巖耦合作用使得基樁下段只承受軸心壓力,但不同于常規(guī)軸心受壓構(gòu)件,因?yàn)槌Ｒ?guī)軸心受壓構(gòu)件的破壞機(jī)理是受壓構(gòu)件在極限狀態(tài)產(chǎn)生偏心導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部破壞,而基樁樁身在巖土的約束下,不會(huì)產(chǎn)生偏心破壞,故基樁下段不能按常規(guī)軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。力時(shí),可采用m法或其他可靠的方法”。

按m法計(jì)算時(shí),樁基中樁的變形系數(shù)為:

5 結(jié)語

對于巖溶地區(qū)的下伏巖溶長嵌巖樁來說,根據(jù)嵌巖樁承載力傳遞機(jī)理及樁身內(nèi)力,對樁身截面配筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。嵌巖樁配筋優(yōu)化的基本原則是,必須在保證基樁受力安全的前提下,合理縮短基樁的配筋長度,以使基樁達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)效果。

[1] JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 李 莉,李朝陽.嵌巖樁豎向荷載性能分析[J].中外公路,2005(10):55-56.

[4] 袁振宇.基樁在水平和豎向荷載作用下的受力分析[J].廣州建筑,2006(3):39-40.

[5] 張建新,吳東云,李朝陽.樁端阻力與樁側(cè)阻力相互作用研究[J].巖土力學(xué),2008(2):21-22.