公路橋梁樁基設(shè)計要點分析

徐偉

（煙臺東部海洋經(jīng)濟(jì)新區(qū)行政服務(wù)中心，山東煙臺 264000）

0 引言

目前，橋梁基礎(chǔ)的形式非常多，包括沉井基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)等，通常情況下，橋梁結(jié)構(gòu)需要承受的荷載較大，因此，承載能力強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定的樁基礎(chǔ)應(yīng)用越來越廣泛，尤其是整體承載能力差的地質(zhì)，多以樁基礎(chǔ)作為橋梁工程基礎(chǔ)形式的首要選擇，本文將重點介紹巖溶地區(qū)的公路橋梁樁基的設(shè)計問題、設(shè)計原則和設(shè)計要點。

1 工程概況

本文選擇天津市某公路橋梁工程作為研究對象，公路全長為29.5 km，按照一級公路和城市快速路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，橋梁全長為1 045.6 m，橋面寬度為30 m，分雙幅設(shè)計。橋梁的上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制簡支T梁，最大跨徑為50 m，橋梁的下部結(jié)構(gòu)為灌注樁基礎(chǔ)、U型組合臺以及排架雙柱式墩，橋臺樁與橋墩樁的直徑分別為1.2 m和1.5 m，直徑不超過1.5 m的樁體共68根。

2 橋梁樁基設(shè)計問題

2.1 樁基承載性能研究

對于巖溶地區(qū)來說，樁基承載性能研究包括影響因素、受力狀態(tài)等方面。近年來，樁基承載性能研究方法主要有物理模擬法、數(shù)值模擬法以及理論模擬法等，其中，物理模擬法分為三個環(huán)節(jié)，即室內(nèi)相似模擬試驗、離心模擬試驗和現(xiàn)場原位試驗，綜合分析土體和樁基之間的荷載傳遞性能，可以得出，荷載由樁頂開始，沿樁身向下傳遞，巖土層的摩擦力首先發(fā)揮作用，當(dāng)樁側(cè)摩阻力達(dá)到一定限度后，荷載繼續(xù)增加，則巖石或者樁端土發(fā)揮作用，承擔(dān)增加的荷載。研究表明，巖溶地區(qū)樁基受力狀態(tài)具有如下特點：第一，樁基受力狀態(tài)與多方面因素有關(guān)，比如成樁施工工藝、持力層性質(zhì)、樁體長徑比以及覆蓋巖土整體性能等；第二，樁身的長徑比超過20時，樁端受力較小，樁側(cè)摩阻力較大[1]；第三，樁身的長徑比小于20時，樁基不會產(chǎn)生明顯的變形，樁基受力基本由樁端巖層承受；第四，圍巖特性、相對樁基偏位、填充物質(zhì)量、裂縫大小、邊界條件、頂板厚度以及巖溶洞穴尺寸等因素，也會影響樁基的承載力[2]。因此，設(shè)計巖溶地區(qū)的橋梁樁基時，應(yīng)該充分了解樁基受力狀態(tài)，結(jié)合樁基受力狀態(tài)的影響因素，確保橋梁樁基設(shè)計的合理性和安全性，以提高橋梁樁基設(shè)計的整體質(zhì)量。

2.2 樁基承載力計算

實際工程中，主要參照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的要求，根據(jù)嵌巖樁、端承樁或者摩擦樁的計算公式，進(jìn)行橋梁樁基承載力計算，巖溶地區(qū)的橋梁樁基工程中，多以嵌巖樁作為計算模板，然而，上述規(guī)范介紹的承載力計算公式，具有一定的局限性。以摩擦樁為例，樁基承載力包括兩個部分，即樁端支撐力和樁側(cè)摩阻力，樁基承載力的發(fā)揮與地層極限摩阻力、樁基相對巖土的位移以及土層特性有直接關(guān)系；以嵌巖樁為例，樁基承載力包括三個部分，即樁端巖層阻力、嵌入巖層的摩阻力和覆土層側(cè)摩阻力，樁基承載力受樁端清孔程度、破碎程度、持力層巖石性質(zhì)、嵌入深度、樁身的長徑比以及覆土層結(jié)構(gòu)特性等因素的影響[3]。但是，在巖溶地區(qū)，樁基的受力狀態(tài)和荷載分布不明確，若沒有針對實際情況進(jìn)行分析，只是簡單的套用計算公式，就不能正確的反映樁基的受力狀態(tài)，導(dǎo)致樁基局部破壞，進(jìn)而影響樁基的整體質(zhì)量，此外，還需要根據(jù)巖溶地區(qū)樁基工程的實際要求，適當(dāng)調(diào)整計算參數(shù)，確保樁基的施工質(zhì)量。

2.3 樁基的嵌入深度

橋梁規(guī)范要求，當(dāng)樁基的嵌入深度不超過0.5 m時，需要適當(dāng)調(diào)整樁基承載力，但是，沒有強(qiáng)制性的深度要求，這就使得樁基設(shè)計缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，容易造成樁基質(zhì)量問題，這是因為嵌巖樁的定義尚未明確，專業(yè)人員對嵌入深度的理解存在差異。部分專業(yè)人員采用試驗結(jié)果作為理論依據(jù)，認(rèn)為嵌入深度為3～7D的范圍內(nèi)，樁基的承載力可以得到充分的發(fā)揮，但是，由于試驗本身的局限性，使得該結(jié)論也不完善。此外，部分專業(yè)人員也提出樁基的嵌入深度不宜過大的理論，雖然樁基嵌入深度增加有助于樁基承載力的提高，然而，樁基承載力的提高程度并不明顯，用較大的施工成本換取較小的樁基承載力增加量，應(yīng)用效果不高[4]。筆者認(rèn)為，樁基的嵌入深度應(yīng)該根據(jù)實際工程進(jìn)行確定，綜合考慮樁身長徑比、巖層性質(zhì)以及覆土層結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)，得出具體的樁基嵌入深度。

3 橋梁樁基設(shè)計要點

在天津市某公路橋梁工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)理論研究成果，總結(jié)出巖溶地區(qū)橋梁樁基的設(shè)計原則和設(shè)計要點。

3.1 勘察作業(yè)

勘察作業(yè)時，由于勘察重點的不同，應(yīng)該將勘察工作分為不同的階段。首先，初勘階段，重點勘察工程所在地的地質(zhì)條件，比如是否存在巖溶現(xiàn)象、巖溶發(fā)育狀況等，根據(jù)初勘作業(yè)得到的資料，確定橋梁工程的基礎(chǔ)形式，初勘階段主要采用物探方式，輔助以一定量的鉆孔作業(yè)，以便對物探結(jié)果進(jìn)行核查；其次，詳勘階段，參照初勘結(jié)果，采用不同的物探方式，詳細(xì)勘察工程所在地的各項地質(zhì)參數(shù)，明確巖層性質(zhì)和巖溶狀態(tài)，比如頂板厚度、巖石特性、巖層走勢、填充材料、洞隙率、溶洞尺寸以及溶洞布置等。對于溶洞發(fā)育地質(zhì)來說，鉆孔作業(yè)時，一定要采用一樁一孔的形式，尤其是溶洞特別發(fā)育地質(zhì)，若樁身直徑超過1.5 m，則采用一個中心孔、四個周邊孔的形式，以便準(zhǔn)確評價溶洞狀態(tài)，此外，按照施工工藝和規(guī)章制度，勘察作業(yè)應(yīng)進(jìn)行原位測試，相關(guān)的工作人員到施工現(xiàn)場查看并校核設(shè)計資料，掌握現(xiàn)場巖溶的總體狀況，繪制橫、縱斷面圖，確保勘察資料能夠滿足施工需求[5]。

3.2 樁基形式

在全面分析勘察資料、了解巖溶狀況的基礎(chǔ)上，確定初步設(shè)計的樁基形式，一般情況下，盡量選用大而短的群樁基礎(chǔ)，避免樁基和溶洞之間的觸碰，這是由于長時間的地質(zhì)變化過程中，土體已經(jīng)產(chǎn)生相對平衡的應(yīng)力狀態(tài)，若樁基和溶洞出現(xiàn)觸碰，會形成一定的擾動，導(dǎo)致原有土體出現(xiàn)新的問題，進(jìn)而提高施工難度，延長施工周期，增加施工成本。根據(jù)樁基的受力狀態(tài)和地質(zhì)條件，按照摩擦樁對樁基長度進(jìn)行預(yù)估，預(yù)估過程中，若遇見溶洞，則不需要計算樁側(cè)摩阻力，再以預(yù)估樁基長度為基準(zhǔn)，得出樁底標(biāo)高，結(jié)合持力層的特性，綜合分析樁基的整體受力形狀。如果溶洞的深度比較大，樁底距離溶洞比較遠(yuǎn)，相比于樁基承載力來說，樁側(cè)摩阻力的比重較大，這種情況下，可以按照摩擦樁的公式計算樁長，持力層選擇承載能力較高的巖土層[6]。如果溶洞的深度比較小，樁底進(jìn)入溶洞中，樁基的嵌入深度不滿足要求，或者，溶洞數(shù)量多、分布密集，基巖的深度較大，樁底不能嵌入基巖，這種情況下，也可以采用摩擦樁進(jìn)行設(shè)計，需要注意的是，一定要對溶洞進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如拋填片石處理或者壓漿處理，提高溶洞的密實度和整體強(qiáng)度，計算樁基長度時，應(yīng)該忽略樁側(cè)摩阻力，此外，由于溶洞受力狀態(tài)不明朗，需要適當(dāng)處理土層參數(shù)指標(biāo)，保證施工的安全性。

3.3 嵌入深度

當(dāng)基巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度不低于8 MPa，樁底標(biāo)高已經(jīng)達(dá)到基巖，且基巖安全范圍內(nèi)不存在溶洞時，可以按照嵌巖樁設(shè)計樁基，同時，參考基巖的傾斜度，保證不低于3D的嵌入深度。樁底穿過多層溶洞后仍沒有穿過全部溶洞，且一定要將樁底置于厚度較大的溶洞頂板，或者樁底位于溶洞頂板時，應(yīng)參考溶洞頂板的狀態(tài)，確定合理的計算方式，比如，溶洞頂板存在缺陷，則按照摩擦樁進(jìn)行設(shè)計；溶洞頂板沒有缺陷，則按照嵌巖樁進(jìn)行設(shè)計，不需要考慮樁側(cè)摩阻力，將樁側(cè)摩阻力作為預(yù)留安全儲備能力，由于裂隙水具有一定的后期溶蝕效果，會增加巖層的不穩(wěn)定性，同時，由于裂隙的存在，也會降低樁底清孔的效果，影響巖層的整體承載能力，因此，巖層強(qiáng)度應(yīng)取實際強(qiáng)度的70%。對于尺寸較小的溶洞來說，必須采用壓漿加固處理措施；對于尺寸較大的溶洞來說，壓漿加固措施很難實現(xiàn)，施工過程中，可以采用內(nèi)護(hù)筒穿越，不需要考慮樁側(cè)摩阻力，此外，還必須保證不小于3D的嵌入深度，根據(jù)相關(guān)理論研究成果，分析溶洞頂板的穩(wěn)定性，結(jié)合溶洞頂板的傾斜程度，以不出現(xiàn)樁底半邊受力為原則，確定溶洞頂板厚度的最小值，一般不得小于5 m，綜合分析后，得出樁底標(biāo)高和樁身長度[7]。

3.4 其他要點

合理控制樁基長度，尤其是同一承臺下，如果樁基長度差異較大，或者不同類型的樁基混合使用，則必然會導(dǎo)致樁基受力不均勻、剛度差異較大的問題，若出現(xiàn)上述情況，某一樁體受力過大時，可能出現(xiàn)突發(fā)性的破壞問題，樁體的整體受力狀態(tài)發(fā)生變化，引起相鄰樁基的破壞，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此，確定樁基長度和樁底標(biāo)高時，一定要遵守相應(yīng)的設(shè)計原則，同時，參考相鄰鉆孔情況，逐樁進(jìn)行分析確定。

從施工圖來看，必須標(biāo)明施工前的超前鉆、加鉆、補鉆，將其和設(shè)計資料進(jìn)行對比，控制和優(yōu)化樁基沉渣厚度，借助可靠性和安全性較高的方法，勘察樁底標(biāo)高以下8 m的地質(zhì)條件，主要以巖層狀況為主，安排專業(yè)人員，查看和校核樁底的巖石強(qiáng)度，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立即上報相關(guān)單位，調(diào)整設(shè)計方案。大面積施工前，一定要進(jìn)行試樁檢測，校核計算參數(shù)的合理性，驗證承載能力是否滿足設(shè)計要求等，以便選擇合理的施工工藝和施工方法，制定系統(tǒng)的施工方案。此外，施工過程中，根據(jù)樁基長度確定施工順序，樁基長度較長的樁優(yōu)先施工，起到支護(hù)作用，保證樁基長度較短的樁的施工安全。若施工過程發(fā)生變化，則需要根據(jù)實際情況對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計，以保證橋梁樁基工程的整體質(zhì)量。

4 結(jié)語

總之，橋梁樁基設(shè)計過程中，需要針對地質(zhì)條件、工程要求等因素，選擇合適的樁基形式，提高橋梁工程的安全系數(shù)，降低橋梁工程的經(jīng)濟(jì)成本，確保工程質(zhì)量和使用功能。

[1]姜賢平,王春雷.巖溶區(qū)橋基下伏溶腔頂板安全厚度分析[J].鐵道工程學(xué)報,2010(4):62-65.

[2]王華牢,張鵬,李寧.巖溶洞穴對嵌巖單樁承載力的影響研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報,2010(1):31-36.

[3]何春林,龔成中,吉德廣.巖溶地區(qū)溶洞特性對樁基承載性能的影響分析[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報,2006(1):73-78.

[4]龔成中,何春林.巖溶地區(qū)樁基承載特性研究分析[J].世界橋梁,2006(4):47-50.

[5]趙明華,袁騰方,黎莉,等.巖溶區(qū)樁端持力層安全厚度計算研究[J].公路,2003(1):124-128.

[6]趙明華,曹文貴,何鵬祥,等.巖溶及采空區(qū)橋梁樁基樁端巖層安全厚度研究[J].巖土力學(xué),2004(1):64-68.

[7]汪稔,孟慶山,羅強(qiáng),等.橋基巖溶洞穴頂板穩(wěn)定性綜合評價[J].公路交通科技,2005(6):76-80.