公路橋梁樁基設計淺談

【摘 要】 本文作者根據(jù)長期實際設計經(jīng)驗，對公路橋梁樁基設計有一定的認識和理解，本文簡要談談作者做樁基設計的一些經(jīng)驗，供同行參考。

【關鍵詞】 橋梁；樁基設計；淺談

中圖分類號：TU9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

在高速公路橋梁下部結(jié)構(gòu)基礎形式當中，樁基礎是最常用的形式之一。樁基礎以其穩(wěn)定性好、承載力高、節(jié)省材料、適用性強，是橋梁設計的主要選擇形式，它的受理機理是：通過作用于樁端的地層阻力和樁周土層的摩阻力來支承軸向荷載，依靠樁側(cè)土層的側(cè)向阻力支承水平荷載。在橋梁下部結(jié)構(gòu)設計中，選擇何種形式的樁基礎，對橋體結(jié)構(gòu)安全、安全便于施工、節(jié)約投資從而降低造價有著巨大的作用。本文主要介紹在實際工程設計及中如何因地制宜的選擇合理的樁基礎類型？如何根據(jù)橋位處地質(zhì)條件區(qū)分采用端承樁、摩擦樁、端承摩擦樁？怎樣準確確定設計樁長、樁徑及樁端持力層厚度？還有怎樣合理的進行鋼筋混凝土樁基的配筋？上述問題均為樁基礎設計過程中的核心問題，解決了上述問題就意味著樁基礎設計是成功的。

1 端承樁和摩擦樁的區(qū)別

《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTGD63-2007）中提供了兩種典型的樁基形式，摩擦樁和端承樁，并對兩種樁基的適用情況范圍做了規(guī)定。摩擦樁即主要利用樁周的摩阻力提供承載力，一般認為樁底的支撐力不足以提供足夠承載力；端承樁一般主要是利用樁端的支撐力提供承載力，樁周的摩阻力很小。從定義上看，樁基設計時端承樁應該是首選，只有當樁端的地質(zhì)條件不能滿足要求時，采選用摩擦樁。從實際工程上看，摩擦樁的樁長一般都比端承樁要長，造價較端承樁高，優(yōu)先選用端承樁是設計的原則之一。但是當端承樁所要求的地質(zhì)條件埋深較深時，設計的端承樁長度按摩擦樁設計都能滿足要求時，端承樁就失去了價值，這樣的設計采用摩擦樁更好。當樁基按端承樁設計的樁長和按摩擦樁設計的樁長長度接近時，一般宜按摩擦樁設計較安全。

大量現(xiàn)場結(jié)果表明：樁側(cè)阻力、端阻力的發(fā)揮性狀與上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質(zhì)和嵌巖深徑比、樁底沉渣厚度等因素有關。

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L/d>15-20的泥漿護壁鉆（沖）孔嵌巖樁，無論是嵌入風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L/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，樁端嵌入強風化或中風化巖層中即可。在某些地區(qū)，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁L/d>45時，嵌巖段總阻力占總荷載比例小于20%；L/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，導致樁頂沉降，這個彈性壓縮量引發(fā)了樁周土體的剪應力，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L/d的增大而增大的，因而導致摩擦力和側(cè)阻力的增大。

同時，傳遞到樁端的應力也隨嵌巖深徑比hr/d的增大而減小。當hr/d>5時傳遞到樁端的應力接近于零；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%。

由此可見，端承樁和摩擦樁的區(qū)分，不能單純從是否嵌巖來區(qū)分，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。

當采用端承樁設計時，宜采用大直徑少根數(shù)的設計方式；當采用摩擦樁設計時，已采用小直徑多根數(shù)的設計方式。

2 確定嵌巖深度及樁端持力層厚度

橋梁工程樁基設計中，經(jīng)常會遇到兩軟弱巖層之間穿越強度很高的一定厚度的巖層（夾層），或者有些地區(qū)溶洞比較發(fā)育。如果這種夾層厚度不夠承載厚度要求，鉆孔樁就需要穿越夾層，以達到持力層，這對施工機械和施工進度都是極大的考驗。

對樁底基巖厚度的確定，主要有三個條件：（1）不考慮樁身周圍覆蓋土層側(cè)阻力，嵌巖灌注樁周邊嵌入完整和較完整的未風化、微風化、中風化硬質(zhì)巖體的最小深度，按構(gòu)造要求0.5m；（2）要求樁底以下3倍樁徑范圍內(nèi)無軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布；（3）在樁端應力擴散范圍內(nèi)無巖體臨空面。對于一般夾層，只要滿足前兩個條件即可作為持力層。對巖溶地區(qū)樁基，由于巖體形狀奇特多變，巖溶洞隙的分布毫無規(guī)律，現(xiàn)有勘探手段難以事先查明它的準確位置及大小，導致工期延長、工程費用增加。基于計算所需的邊界條件十分復雜，而巖溶地基比一般巖石地基影響因素更多，以前通常要求樁端下有4m、5m或5倍樁徑持力層厚度，對于不同樁徑、不同的單樁承載力，如果同樣要求基樁端面以下有5m完整基巖，兩者的可靠度是不盡相同的。為使樁基設計經(jīng)濟合理，應根據(jù)經(jīng)驗值和試算數(shù)值相結(jié)合的方法來確定嵌巖深度及樁端持力層厚度。

3 樁基配筋

基樁各截面的配筋，理論上應根據(jù)樁基內(nèi)力進行計算布置。樁基內(nèi)力可采用“m”法或其他有可靠依據(jù)的方法計算。按“m”法計算樁基時，樁身彎矩有四個特點。（1）彎矩分布規(guī)律近于一條自頂向下衰減的波形曲線，且衰減很快；（2）樁身最大彎矩發(fā)生在第一個非完整波形內(nèi)，一般在地面以下約3m位置；（3）樁身彎矩在第一個彎矩零點以下很小，可以忽略不計，其下樁身主要起傳遞豎向力作用；（4）第一個彎矩零點位置在樁入土深度h=4/αh處。

在設計中通常有兩種鋼筋布置方式。一種是根據(jù)最大彎矩處進行配筋。從樁頂一直伸到最大彎矩一半處下一定錨固長度位置，減少一半配筋再一直伸至彎矩為零下一定錨固長位置，再下為素混凝土段，對于軟基，樁主筋最好穿過軟土層。另一種是將基樁主筋一半部分一直伸到樁底。從樁體受力和節(jié)省工程費用以及發(fā)生事故處理的難度來看，前一種更合理。這是因為：由于樁基較長一段不設鋼筋，比后者節(jié)省了部分鋼筋；底部斷樁時，鋼筋籠拔出后，可原孔再鉆，減少扁擔樁發(fā)生機率。但是，第二種配筋方式可以減小施工難度，樁基灌注混凝土時，鋼筋籠的定位是十分重要的，鋼筋布置到樁底，易于固定鋼筋籠。

4 結(jié)束語

樁-土體系共同工作的問題，是土木工程界長期探索的課題。由于計算機的應用，計算方法日益復雜，但是土的參數(shù)之多樣性和離散性，其結(jié)果未必是“精確”的，這就迫使我們?nèi)绻O計好樁基礎，就必須首先完全的認識與了解它，然后根據(jù)它與巖石、土壤、沉渣及自身的關系特性綜合考慮，結(jié)合實驗結(jié)論與經(jīng)驗，合理的設計使用樁基礎，力求經(jīng)濟適用，堅固持久。

參考文獻

[1] 張喜剛，鮑衛(wèi)剛.公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTGD63-2007）.人民交通出版社，2009，（3）.

[2] 凌治平，易經(jīng)武.基礎工程.人民交通出版社，2011，（8）.

[3] 趙明華.橋梁地基與基礎.人民交通出版社，2010，（1）.

[4] 曾國熙等.樁基工程手冊.中國建筑工業(yè)出版社，1995，（9）.