對公路橋梁樁基設(shè)計(jì)問題的思考

張　浩　邱志成

摘要：文章結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐，參考相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，針對現(xiàn)行公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于樁基設(shè)計(jì)計(jì)算及樁基沉降量的計(jì)算問題進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基；樁基沉降量計(jì)算；端承樁和摩擦樁

中圖分類號：U445文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）12-0088-01

一、端承樁和摩擦樁的區(qū)分問題分析

文獻(xiàn)[1]中認(rèn)為，一般情況下，上覆土層的側(cè)阻力是可以發(fā)揮的，而且隨著長徑比l/d的增大，側(cè)阻力也相應(yīng)增大；只有短粗的人工挖孔嵌巖樁，端阻力先于土層側(cè)阻力發(fā)揮，端阻力對樁的承載力起主要作用，屬端承樁。對1/d>15~20的泥漿護(hù)壁鉆（沖）孔嵌巖樁，無論是嵌入風(fēng)化巖還是完整基巖中，樁側(cè)阻力均先于端阻力發(fā)揮，表現(xiàn)出明顯的摩擦型。對于1/d≥40，且覆蓋土層不屬于軟弱土，嵌巖樁端的承載作用較小，此時樁基受力狀態(tài)為摩擦樁，樁端嵌入強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化巖層中即可。在某些地區(qū)，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁1/d>45時，嵌巖段總阻力占總荷載比例小于20%；1/d>60時，嵌巖段端阻力占總荷載比例小于5%。究其原因，一方面，由于嵌巖樁樁身的彈性壓縮，導(dǎo)致樁頂沉降，這個彈性壓縮量引發(fā)了樁周土體的剪應(yīng)力，也即是土對樁的摩阻力。另一方面，鉆孔樁的孔底殘留的沉渣，形成一個可壓縮的軟墊，至使樁底也會產(chǎn)生沉降，這一沉降和上述樁本身的壓縮導(dǎo)致樁身與土體、嵌巖段樁身與巖體產(chǎn)生相對位移，從而產(chǎn)生側(cè)阻力。而這種樁身彈性壓縮和樁底沉降是隨著長徑比1/d的增大而增大的，因而導(dǎo)致摩擦力和側(cè)阻力的增大。

試驗(yàn)結(jié)果表明：傳遞到樁端的應(yīng)力也隨嵌巖深徑比hr/d增大而減小。一般地，當(dāng)hr/d>5時傳遞到樁端的應(yīng)力接近于零；但對泥質(zhì)軟巖嵌巖樁，hr/d=5~7時，樁端阻力仍可占總荷載的5%～16%。因此，端承樁和摩擦樁的區(qū)分，能單純從是否嵌巖來區(qū)分，還要考慮上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質(zhì)、嵌巖深徑比和樁底沉渣厚度等因素。如何正確區(qū)分樁基類型，對樁基設(shè)計(jì)計(jì)算和施工是十分重要的。

二、橋梁樁基沉降的計(jì)算情況

基礎(chǔ)的沉降，本次規(guī)范參考前蘇聯(lián)1984年《公路、鐵路、城市道路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，在第4.3.3條規(guī)定：相鄰墩臺間不均勻沉降差值（不包括施工中的沉降），不應(yīng)使橋面形成大于0.2%的附加縱坡（折角）。這樣，可使橋上設(shè)施，如伸縮裝置、連續(xù)橋面、支座能夠適應(yīng)（上述設(shè)施除適應(yīng)不均勻沉降外，尚需適應(yīng)安設(shè)以后的上部結(jié)構(gòu)撓度、沖擊、制動力和可能的由于彎、坡、斜引起的行車因素）。

樁基礎(chǔ)的沉降是一個十分復(fù)雜的問題。由于很難對樁周圍土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系做出細(xì)致、實(shí)際的觀察，至今還不能從客觀現(xiàn)象觀察中提煉出反映樁周土真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)計(jì)算模式。觀察土體中樁基礎(chǔ)，特別是觀察軟土中摩擦樁的沉降過程發(fā)現(xiàn)，它的第一特征是它的時間性。土中樁基礎(chǔ)的沉降常要經(jīng)歷一個很長的時間過程。一般竣工后5~7年的沉降速率才降到每年4mm以下。這些現(xiàn)象表明，軟土中樁基礎(chǔ)沉降的主要部分是與時間因素有關(guān)的。按目前土力學(xué)的知識，沉降的主要部分應(yīng)由固結(jié)變形和土體的流變組成。

土體中樁基礎(chǔ)沉降的第二特征是刺入變形。一系列試驗(yàn)表明：樁發(fā)生沉降時，刺入變形是構(gòu)成樁沉降的不可忽略的一部分?，F(xiàn)場試驗(yàn)的歷時都不可能太長，土的固結(jié)和徐變現(xiàn)象不可能充分發(fā)展。但試驗(yàn)結(jié)果充分說明，樁基礎(chǔ)沉降的發(fā)生、發(fā)展過程中，樁側(cè)和樁端附近的土體很早就已表現(xiàn)出非線性的性質(zhì)，而不只是只有在樁的承載力接近極限時，土體才開始出現(xiàn)塑性。研究樁側(cè)摩阻力時發(fā)現(xiàn)：在樁土之間的相對位移很小時，摩阻力的大小與相對位移成正比。當(dāng)相對位移達(dá)到某一極限值Q時，摩阻力達(dá)到極值，樁土之間將產(chǎn)生滑動位移。這一極限值稱為最大彈性位移。最大彈性位移的值并不大，一般認(rèn)為Q=2~5mm。對于細(xì)長樁，當(dāng)樁頂荷載不大時，由于樁身的彈性壓縮，樁上部的樁土相對位移就已能超過這一極值，產(chǎn)生滑移。在不斷加載的過程中產(chǎn)生滑移的區(qū)域不斷擴(kuò)大；另一方面，樁與樁之間土體變形的滯后（固結(jié)和徐變）使滑移區(qū)域不斷變化。這一滑移現(xiàn)象是產(chǎn)生刺入變形的主要原因。

樁基沉降的第三特征是樁端下土體的壓縮變形。樁側(cè)土體和樁端以下的土體在應(yīng)力場的作用下，由于固結(jié)和徐變的作用，會繼續(xù)產(chǎn)生變形。其中，樁尖標(biāo)高以上的樁側(cè)土體的固結(jié)壓縮和流變更為重要。由于樁身的變形基本是材料的彈性壓縮。因此在這段時間內(nèi)，樁側(cè)土體質(zhì)點(diǎn)向下的位移將逐漸大于同一深度處樁質(zhì)點(diǎn)的位移，即在樁的上部，樁身質(zhì)點(diǎn)向下的位移與相鄰?fù)临|(zhì)點(diǎn)之間的位移差會減小，甚至改變?yōu)樨?fù)向。由于位移差產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力也將隨之減小，甚至產(chǎn)生負(fù)摩阻力。為了使減小了的樁周土反力與樁頂荷載平衡，必須產(chǎn)生一個新的沉降增量，增加樁土相對位移來增加土反力。這一過程就會產(chǎn)生新的滑移。這是一個很復(fù)雜的過程，也是一個很長的過程。但總的趨勢是使樁上部的側(cè)摩阻力逐漸減小，樁下部的側(cè)摩阻力和樁端支承力逐漸增加。

由于《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算基礎(chǔ)沉降的長期效應(yīng)組合與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算公式一致，可以用下面公式計(jì)算橋梁摩擦樁基礎(chǔ)沉降：s=ψp∑^m_j=1∑ⁿ_ji=₁σ_j，_i△h_j，_i/E_sj，i。式中s—樁基最終計(jì)算沉降量（mm）；m—樁端平面以下壓縮層范圍內(nèi)土層總數(shù)；Esj，i—樁端平面下第j層土第i個分層在自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)力作用段的壓縮模量（MPa）；n^j—樁端平面下第j層土的計(jì)算分層數(shù)；△h_j，i—樁端平面下第j層土的第i個分層厚度（m）；σj，i—樁端平面下第j層土第i個分層的豎向附加應(yīng)力（kPa）可分別按建筑地基規(guī)范附錄中的明林德公式計(jì)算。Ψp—樁基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，各地區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ虒?shí)測資料統(tǒng)計(jì)對比確定。

參考文獻(xiàn)

[1]李百坤，黃瑞豹．鉆孔灌注樁施工控制與常見問題的處理[J]．中國科技信息，2006，（5）．

[2]魏敏．公路橋梁樁基質(zhì)量檢測與質(zhì)量事故分析[J]．科技信息（科學(xué)教研），2007，（20）．