不同地質條件下橋梁樁基設計選型及施工配合探討

蘇怡霞

（招商局重慶交通科研設計院有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著我國城市建設不斷發展，橋梁數量不斷增加，極大地便利了人們的生活。在橋梁的建設中，基礎設計工作備受重視。樁基作為橋梁結構基礎極其常見的形式，對橋梁的安全起著至關重要的作用。本文結合近幾年筆者參與設計與配合施工的幾座橋梁實例，對樁基設計選型及施工配合進行探討。

1 常規地質摩擦樁

1.1 %1樁基設計

項目一為一座城市人行天橋，橋梁主梁跨徑（2.5+33.8）m，橋寬5.0m，主梁上部構造采用鋼桁架結構，梯坡道上部構造采用鋼箱梁，全橋樁基共8根，主梁、梯坡道樁基均采用Ф1.2m樁，最大樁長17m。由于人行天橋樁基所需承載力不大，項目中最大樁頂力為1478.6kN，根據地質勘察結果，橋位處鉆孔所入各地層地質條件較好，但鉆孔30m仍未入巖，若按嵌巖樁設計，樁基承載力富余大，較浪費，因此，本橋樁基按摩擦樁設計。

按《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）相關條文要求，選用主梁下受力最大的樁進行受力驗算，求出承臺底最不利組合內力，按“m法”計算樁基控制截面內力，選用基本組合下樁基內力，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362—2018）第5.3.8條進行截面尺寸驗算；選用長短期組合下樁基內力，再按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》第6.4.3條進行截面裂縫的驗算，以主墩ZP2下其中一根樁基為代表，經驗算，樁基控制截面結果如表1、表2所示。

從由表1、表2可知，本樁基截面尺寸和配筋滿足設計要求。

表1 圓截面偏心受壓強度檢算

表2 圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構件裂縫寬度檢算

在樁基截面尺寸和配筋滿足設計后，需對承載力進行驗算，摩擦樁按《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）第6.3.3條進行承載力驗算：

ZP2墩樁基承載力驗算結果如表3所示。

表3 ZP2墩摩擦樁承載力驗算結果

按以上計算結果，本樁基承載力滿足設計要求。

同理，本橋其他樁按照本樁驗算方法進行結構驗算，經驗算，所有樁截面尺寸、配筋及承載力均滿足設計要求。

1.2 .%1樁基施工配合

該項目現場施工放樣時，發現原設計橋位有兩根樁分別緊靠在人行道上或占用現有部分店面，為保證行人安全及避免店面征拆，按實際情況，將全橋向東、向南各平移2m。由于原設計主梁承臺底位于地面以下1.8m，放坡施工將對周圍店面造成影響。因此，業主應群眾反饋，要求將原主梁承臺抬高1.0m設計，按照承臺抬高1m，樁長不變，核驗現樁長滿足設計要求后，出具設計變更圖。摩擦樁終孔，一般要求土層變化不大，達到設計樁長，并且要求持力層渣樣經地勘復核與原設計一致，按鉆孔記錄表，新橋位處樁基地層與原設計基本符合，經過40d工期，該天橋所有摩擦樁全部完成終孔。

2 常規地質嵌巖樁

2.1 樁基設計

項目二為一城市互通立交工程，該互通立交工程共有主線橋、匝道橋、人行橋共15座，橋梁總面積為46414.31m2。為使全項目樁基設計標準統一，該互通立交工程樁基全按嵌巖樁設計，Ф1.0m、Ф1.2m、Ф1.5m樁基共429根。根據地勘結果，該項目中風化花崗地層埋深較淺，因此按全斷面入巖3d（d為樁徑）控制，車行橋樁基最長為40m，最短為15m，人行橋樁長最小為10m，最大為25m。

樁基截面尺寸和配筋設計按《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）相關條文進行驗算，嵌巖樁設計承載力驗算如下：

嵌巖深度按全斷面入巖3d控制，以主線橋第二聯4×35m中樁長較短（18m）的Z6號普通墩樁基為代表，其承載力驗算結果如表4所示.

按表4計算結果，本樁基承載力滿足設計要求。

表4 Z6號墩嵌巖樁承載力驗算結果

2.2 樁基施工配合

該項目施工圖修編階段與詳勘時相比，各橋跨徑、橋梁平面位置有調整，加之整個互通立交工程位于地層褶皺起伏區，原有部分詳勘樁基鉆孔位置與修編階段樁基鉆孔位置有一定偏離，雖然修編階段進行了部分補充勘察，但個別臨近樁位的孔在實際施工時依然有較大偏差，出現了部分孔樁長與圖紙中樁長差異較大的情況。在項目施工配合中，施工單位在施工樁基時按實際情況留存鉆孔各層渣樣，入巖時取樣拍照，地勘單位判定入巖標高后繼續鉆孔，待全斷面入巖3d后，量取樁長，設計方復核鉆孔記錄表。按鉆孔記錄表對比復核原設計樁長及入巖深度，項目的樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值41MPa，且非涉水橋，現場無短樁入巖情況，因此，在確認樁基全斷面入巖3d后，對該樁予以終孔確認。另外，對部分長樁，已達到設計樁長及設計樁底高程卻仍未入巖的樁基，根據鉆孔記錄表按摩擦樁復核，若承載力滿足要求，亦予以終孔確認。此外，要求施工中需確保同一承臺下樁基類型統一，不得在同一承臺下既有摩擦樁又有嵌巖樁。經過36個月工期，該互通立交工程所有樁基全部終孔。

3 巖溶地區嵌巖樁

3.1 樁基設計

項目三為一座二級公路上的大橋，橋長248m，橋寬12m，上部采用30m跨預應力混凝土T梁，下部采用Ф1.6m樁基；橋臺采用Ф1.2m樁基。全橋共22根樁，最長樁長為47m。項目橋址區下部大理巖巖溶較發育，對樁基穩定性影響較大，因此，施工圖設計階段要求逐樁鉆探。根據鉆孔勘察結果，本橋樁基按嵌巖樁設計，初定嵌巖深度按樁基全斷面入巖3d控制。

本橋鉆孔探明橋下地層中有呈上下成串分布的溶洞，最大溶洞約11.8m高，因此，在樁長驗算中，鉆孔中遇到溶洞層采用不考慮巖溶層對樁的摩阻作用。另外，為避免樁基嵌入中風化巖后再遇溶洞，還需按地勘分類考慮持力層厚度。

（1）溶洞頂板巖層完整且跨徑<3d，控制條件為頂板的抗剪切力：Q=（q+p）/（τl），式中q為頂板自重加上覆蓋土層荷載，τ為巖層的1/12容許抗壓強度，l為溶洞平面周長。

（2）溶洞頂板巖層較為完整且跨徑≥3d時，最小厚度由彎矩控制，設計最小持力層板厚為H=（6M/（q[σ]）0.5，[σ]為巖層1/10容許抗壓強度。彎矩M按梁板受力狀況計算：（a）當溶洞洞周完整而樁基底頂板跨中有裂縫時，按懸臂梁M=pl+ql2/2；（b）當溶洞頂板完整，按固端梁M=0.7pl/4+ql2/12；（c）當樁基底完整但洞周有裂縫時，則按簡支梁M=pl/4+ql2/8。

當樁底位于第二層溶洞以下時，不考慮覆蓋土層荷載產生的彎矩影響，多層溶洞樁端持力層厚度是按溶洞頂板的裂隙情況、腐蝕以及完整性分析計算得出。經計算及綜合考慮安全系數后，確定樁基施工中持力層最小厚度為6~8m。

3.2 樁基施工配合

該項目施工時，發現樁徑遠大于鉆孔直徑，巖溶地區中逐樁鉆孔勘探亦不能完全反映巖溶發育規律。施工中，斷面揭露原設計0號臺、2號墩實際孔與原詳勘孔地質差異大，原設計樁底持力層溶洞頂板最小厚度不足，為使樁基安全，調整樁基穿透本土層并將下一層頂板作為持力層，因此，0號臺樁長由16m變更為40m，2號墩北側樁樁長由20m變更為35m。其余墩臺實際孔與原詳勘孔地層基本一致，因此，僅按巖面傾斜角度對樁長進行略微調整。

為了保證巖溶區樁基施工順利成孔成樁并滿足承載力要求，對樁基遇到較大溶洞（H>3m），建議采用鋼護筒跟進法，全樁長鋼護筒護壁施工；樁基遇到較小溶洞（H≤3m）時，采用拋石、注漿填充溶洞后，再進行樁基鉆孔施工。

本橋樁基在施工中采用高應變檢測驗證樁基承載能力，最終證明本橋所有樁基承載能力均滿足設計要求。經過12個月工期，該橋所有樁基全部終孔。

4 非濕陷性軟土地區嵌巖樁

4.1 樁基設計

項目四為一座支路上的拱橋，橋長30.9m，橋寬3.5m，上部采用凈跨20m，矢跨比為1/8的無鉸鋼梁拱圈，下部采用重力式橋臺，Ф1.0m樁基。全橋共12根樁，樁長最長為24m。項目位于非濕陷性軟土區，地質勘察顯示兩橋臺樁基穿過的淤泥層厚度約11.5~15.3m，在淤泥層下5~7m進入中風化花崗巖層。考慮本橋址處地質情況，嵌巖樁相比于摩擦樁，成本增加不多，但利于結構受力，因此本橋按嵌巖樁設計，全斷面嵌巖深度按2d控制。

由于樁基位于非濕陷性軟土區，且穿越淤泥層較厚，考慮橋頭填土等因素造成土層沉降量大于樁基豎向位移值，淤泥層將對樁基產生負摩阻力。樁身產生負摩阻力深度與樁側土層壓縮、樁身壓縮等有關。一般情況下，并非全段淤泥層均有負摩阻力，但為保守起見，本橋按全段淤泥層中均有負摩阻力考慮，地勘提供淤泥的樁側土的摩阻力標準值為-12kPa，將其代入公式進行復核。由于本橋frk為55MPa，最大樁頂力881kN，經復核，本橋嵌巖樁樁長滿足設計要求。

4.2 樁基施工配合

該項目由于樁基位于軟土區，打樁平臺及河道內架設鋼梁的平臺均需地基處理，并且在現狀河道中開挖承臺需設圍堰。由于原設計圍堰對鋼梁吊裝機重量考慮不足，設置圍堰較薄弱，現場施工時圍堰需外擴并加固，故設計由原來河道內的清淤、拋石擠淤，設置黏土袋裝圍堰修改成清淤、拋石擠淤，擴大圍堰范圍，設置鋼板樁圍堰。由此，雖然增加了造價，但承臺、樁基及鋼梁吊裝施工安全得到了保證。經施工鉆孔，樁基地層與原設計基本符合，經過2個月工期，該橋所有嵌巖樁全部終孔。

5 結束語

綜上所述，常規地質條件下進行樁基設計時，樁基采用摩擦樁還是嵌巖樁與樁基造價、工程地質及項目樁基規模數量等相關，對荷載較小、地質條件較好人行橋，優先考慮采用摩擦樁；對于樁基體量較大的工程，為使全項目樁基設計標準統一，盡量采用嵌巖樁，但若大部分樁基按嵌巖樁設計時樁長需超過40m，可按摩擦樁進行復核，若安全儲備仍較大，則部分長樁可采用摩擦樁以適當減少樁長，節約造價。若樁基位于軟土層，則應考慮軟土引起的樁基負摩阻力，保證樁的安全儲備，在樁長對造價增加不大的情況下，采用嵌巖樁對樁基安全更有保障。在溶洞地區進行樁基設計時，由于地質復雜，除按樁基常規設計外，更重要的是結合現場勘孔實際情況，加深對現場地質情況的認知，一旦有異常情況，應隨時補鉆，及時變更，修正樁基長度，確保樁基質量。