《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》樁基設(shè)計問題探討

滕 凱

（齊齊哈爾市水務(wù)局，黑龍江 齊齊哈爾161006）

樁基是橋梁和渡槽工程中普遍采用的基礎(chǔ)工程之一，因此，在季節(jié)性凍土區(qū)其遭受的凍害破壞也比較嚴重。GBT50662-2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》[1]（以下簡稱《規(guī)范》）是在認真總結(jié)水利部1998年頒布實施的SL211-98《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》[2]以來取得成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出的，該《規(guī)范》的頒布實施，為季節(jié)性凍土區(qū)水工建筑物的冰凍害防治及抗凍技術(shù)的進一步推廣起到了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)對《規(guī)范》中有關(guān)樁基設(shè)計規(guī)定的研究，結(jié)合多年從事抗凍樁基工程設(shè)計的工作經(jīng)驗，筆者認為，《規(guī)范》中有關(guān)樁基設(shè)計的提法存在片面性，作為指導(dǎo)抗冰凍工程設(shè)計的規(guī)范性文件，尚有進一步補充和完善的必要性。

1 關(guān)于“應(yīng)進行抗凍拔穩(wěn)定和強度驗算”的凍脹級別范圍劃定問題

《規(guī)范》第12.1.1 條規(guī)定，“嚴寒地區(qū)橋梁和渡槽的樁、墩基礎(chǔ)，當(dāng)土的凍脹級別屬Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級時，應(yīng)進行抗凍拔穩(wěn)定和強度驗算”。這一范圍限定的理由是“在寒冷地區(qū)土的凍脹級別屬Ⅰ，Ⅱ級時，一般橋梁和渡槽樁基的抗凍拔力均大于凍拔力”（見《規(guī)范》“條文說明”）。按照這一條規(guī)定，位于Ⅱ級凍脹區(qū)的樁基可不進行抗凍拔穩(wěn)定和強度驗算。而實際抗凍樁基工程的設(shè)計計算證明，樁基抗凍拔是否穩(wěn)定，強度是否需要復(fù)核，土的凍脹級別（切向凍脹力大?。┦侵饕蛩兀⒎菦Q定因素，因為上部荷載的組合、樁基直徑的大小、地基土層的分布及設(shè)計凍深的大小等都是影響樁基工程抗凍拔穩(wěn)定及強度的重要因素。下面通過工程設(shè)計實例說明Ⅱ級凍脹土中的樁基也應(yīng)進行抗凍拔穩(wěn)定和強度驗算的必要性。

表1為設(shè)計樁基的4 種地質(zhì)條件，依據(jù)工程所在位置情況，利用《規(guī)范》式（B.0.1-1）～（B.0.1-3）及（C.0.2-3）可分別求得1，2 號基土的設(shè)計凍深Zd分別為2.06 和2.14 m（實際計算均取2.0 m）；凍脹量h 分別為4.95 和4.56 cm；由《規(guī)范》表3.0.9 可知，兩種土均屬Ⅱ級凍脹土，利用《規(guī)范》表4.0.3-1 通過內(nèi)插法可分別求得其切向凍脹力Tt分別為39.67 和37.07 kPa。

以某灌區(qū)的渡槽工程為例，已知該渡槽槽身為鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計荷載情況見表2。現(xiàn)取1，2 號基土條件按以下情況進行分析及比較。

1）樁基直徑及基土條件相同，取不同上部荷載組合情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗算。

2）上部荷載組合及基土條件相同，取不同樁基直徑情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗算。

3）上部荷載組合、樁基直徑及基土條件相同，在不同設(shè)計凍深情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗算。

4）上部荷載組合、樁基直徑及基土條件相同，在不同基土土層分布情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗算。

針對上述4 種情況，采用《規(guī)范》公式（12.3.3）即可完成相關(guān)計算，成果見表2所示。

表1 樁基土力學(xué)指標

由表2可見，雖然Ⅱ級凍脹土的切向凍脹力相對較小，但由于受上部荷載組合、樁徑、基土土層分布及凍深等因素影響，位于Ⅱ級凍脹土中的樁基仍然存在較大程度的不穩(wěn)定性，實際工程設(shè)計中有必要進行抗凍拔穩(wěn)定及強度驗算，否則，很可能因凍拔或強度不夠引起建筑物破壞。

2 關(guān)于“橋梁和渡槽宜減少樁、墩數(shù)量和減小樁徑”的規(guī)定問題

《規(guī)范》第12.1.2 條規(guī)定，“橋梁和渡槽宜減少樁、墩數(shù)量和減小樁徑”。該條規(guī)定就減少樁基的總凍拔力而言是行之有效的方法，但實際工程設(shè)計證明，橋梁和渡槽工程樁柱數(shù)量的多少，除應(yīng)考慮滿足抗凍拔要求外，還要滿足上部承載及結(jié)構(gòu)要求，同時還應(yīng)體現(xiàn)樁基工程的總體費用最優(yōu)。僅從減少樁基凍拔力角度而強調(diào)減少樁、墩數(shù)量和減小樁徑并非經(jīng)濟合理。

2.1 關(guān)于“減少樁的數(shù)量”問題

實際工程設(shè)計表明，當(dāng)上部荷載一定情況下，減少樁的數(shù)量雖然可以減少樁基工程的凍拔力，但另一方面，由于樁基數(shù)量的減少，單樁承載力（軸向壓力及彎矩）將明顯增大，單樁的設(shè)計入土深度及配筋量隨之增加，因此，工程費用可能大于多樁情況，現(xiàn)通過工程實例進行說明。

表2 樁基抗凍拔穩(wěn)定復(fù)核情況

選表1中3 號基土兩種不同凍前地下水位埋深條件下的樁基工程進行比較。經(jīng)計算可分別求得3 號基土兩種不同凍前地下水位埋深條件下的凍脹量分別為18.66 和25.56 cm，分別為Ⅳ級和Ⅴ級凍脹土，相應(yīng)的切向凍脹力分別為100 和140 kPa。已知某橋梁工程樁基承臺的設(shè)計恒荷載為1 000 kN，活荷載為900 kN，承受彎矩情況與樁基的樁柱數(shù)量有關(guān)，見表3。試驗采用2 根直徑D=0.8 m 樁基和3根同樣直徑樁基的費用比較（已知工程當(dāng)?shù)氐幕炷羻蝺r為580 元/m3，鋼筋籠單價為7 400 元/t，樁基成孔費按文獻［5］計?。?，成果見表3。

表3 樁基設(shè)計樁柱數(shù)量投資比較

由表3可見，當(dāng)上部恒荷載和活荷載分別為PA=1 000 kN 和PB=900 kN 時，在Ⅳ級凍脹土情況下，采用3 樁基礎(chǔ)較2 樁基礎(chǔ)更加經(jīng)濟合理；而當(dāng)上部荷載不變，在Ⅴ級凍脹土情況下，2 樁基礎(chǔ)則優(yōu)于3 樁基礎(chǔ)。因此，在實際工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)樁基工程的上部荷載組合、基土的凍脹級別及樁基穿越土層的具體情況通過優(yōu)化設(shè)計，選取經(jīng)濟合理的樁柱數(shù)量。關(guān)于《規(guī)范》中宜減少橋梁及渡槽工程樁的數(shù)量的規(guī)定，筆者認為有待進一步補充和完善。

圖1 R～P～T 關(guān)系曲線

2.2 關(guān)于“減少樁的直徑”問題

根據(jù)筆者的研究成果[3，4]，不考慮上部荷載組合及基土的凍脹級別，片面減小樁徑并非經(jīng)濟合理，最經(jīng)濟的抗凍樁徑應(yīng)通過優(yōu)化設(shè)計獲得?，F(xiàn)選取表1中4 號基土條件，當(dāng)凍前為不同地下水位埋深情況下（不同基土凍脹級別），上部恒荷載分別為125，250 及375 kN，活荷載PB分別為135，270 及405 kN 時設(shè)計樁徑的優(yōu)化成果，并完成R～P～T 的關(guān)系曲線繪制，如圖1所示。

由圖1可見，在樁基上部荷載一定情況下，當(dāng)切向凍脹力Tt≤120 kPa 時，最優(yōu)設(shè)計樁徑（2R）隨基土切向凍脹力的增大而減??；而當(dāng)Tt＞120 kPa 時，最優(yōu)樁徑與基土切向凍脹力Tt的關(guān)系曲線為一近于平行與橫坐標軸的直線，即：最優(yōu)樁徑與基土切向凍脹力Tt的大小無關(guān)。因此，在實際樁基工程的設(shè)計中，通過減小樁徑并非可以獲得經(jīng)濟合理的樁基設(shè)計成果。

［1］ GB/T50662-2011，水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ SL211-1998，水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 滕凱，李圣濤，盧秀佳.抗凍樁基的優(yōu)化設(shè)計［J］.東北水利水電，1993（11）：10-14.

［4］ 滕凱，孫永平，張秋蘭.抗凍群樁的優(yōu)化設(shè)計［J］. 工程勘察，1996（6）：6-9.

［5］ 國家物價局，建設(shè)部. 工程勘察設(shè)計收費管理規(guī)定［S］.2002.