淺談樁基存在缺陷后的豎向承載力驗(yàn)算

李生亮

(新疆南方路橋工程有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000)

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淺談樁基存在缺陷后的豎向承載力驗(yàn)算

李生亮

(新疆南方路橋工程有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000)

樁基施工屬于地下隱蔽性工程，影響其質(zhì)量的因素較多，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到上部結(jié)構(gòu)的安全，造成無法挽回的生命財(cái)產(chǎn)損失。文章結(jié)合某工程實(shí)例，介紹樁基存在缺陷后的豎向承載力驗(yàn)算方法，供同類工程參考。

樁基；缺陷；安全；承載力；驗(yàn)算

0 引言

樁基礎(chǔ)是工程中最為常見的深基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于橋梁及建筑建設(shè)中，由設(shè)置于巖土中的樁和樁頂連接的承臺(tái)共同組成的基礎(chǔ)，樁與承臺(tái)下地基土共同承擔(dān)上部荷載，形成復(fù)合承載基樁。其功能是通過桿件的側(cè)壁摩阻力和端阻力將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到深處的地基上。按照承載力分擔(dān)形式的不同，主要分為摩擦樁、端承摩擦樁、端承樁及摩擦端承樁四種樁基。

基于樁基施工的隱蔽性，樁基的開挖成孔、鋼筋籠下放、混凝土澆筑等過程均易受地質(zhì)條件、施工人員操作水平、地下水變化等影響，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取合理補(bǔ)救措施，易形成各種問題樁。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹樁基存在缺陷后的豎向承載力驗(yàn)算方法，可供同類工程參考。

1 工程概況

某大橋?yàn)?×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，先簡支后連續(xù)，橋梁全寬7.8 m，全長128 m。兩岸橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái)，樁基礎(chǔ)，每個(gè)橋臺(tái)承臺(tái)底設(shè)置直徑1.2 m樁基4根，單根樁長22.5 m。

該工程墩臺(tái)樁基施工完成后經(jīng)檢測單位采用聲波透射法對樁基完整性進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，終點(diǎn)岸橋臺(tái)4-4號(hào)樁基樁身完整性類別屬于Ⅲ類，樁底1.5 m范圍段波形嚴(yán)重畸變，該段樁基有嚴(yán)重缺陷。經(jīng)調(diào)查分析施工過程，造成樁基底部缺陷的主要原因?yàn)槟酀{護(hù)壁指標(biāo)控制不當(dāng)，砂巖段承壓水頭高，造成底部局部砂巖段塌孔，施工操作人員未給予足夠重視，底部清渣隨意不徹底，導(dǎo)致樁基底部懸于較厚的沉渣上，未能落于承載力較高的土層上。從而造成整個(gè)樁基承載力有一定缺失，需對該樁基進(jìn)行缺陷后承載力計(jì)算，以驗(yàn)算承載安全系數(shù)，為補(bǔ)救方案提供依據(jù)。

2 樁基豎向承載力驗(yàn)算

由于終點(diǎn)岸橋臺(tái)4-4樁基存在嚴(yán)重缺陷，其承載力必然受到一定影響，故需對其進(jìn)行承載力驗(yàn)算。首先擬采用《橋梁博士》對大橋橋梁上部結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)平面桿系模型，并采用空間有限元軟件Midas對4號(hào)橋臺(tái)建立相應(yīng)三維有限元實(shí)體模型，進(jìn)而得到相應(yīng)承臺(tái)底以上橋梁結(jié)構(gòu)對4-4號(hào)樁基的作用力，從而對大橋4-4號(hào)樁基承載力進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析，通過以上分析進(jìn)而驗(yàn)證大橋4-4號(hào)樁基的安全性是否滿足規(guī)范要求。

2.1 計(jì)算模型

大橋兩岸橋臺(tái)支座均采用四氟滑板式橡膠支座，故上部橋梁結(jié)構(gòu)通過支座對橋臺(tái)的作用僅為豎向力作用，而無水平力和彎矩等作用?，F(xiàn)采用《橋梁博士》對大橋橋梁上部結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)平面桿系模型，通過有限元分析計(jì)算，得到4號(hào)橋臺(tái)上相應(yīng)三支座的支承反力。

采用空間有限元軟件Midas建立大橋4號(hào)橋臺(tái)三維有限元空間實(shí)體模型(不包括樁基，通過在承臺(tái)底與樁基連接處施加全約束模擬相關(guān)作用)，并采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行校核，如圖1所示。其中，假定樁基頂不發(fā)生位移，通過在承臺(tái)底與樁基連接處施加全約束邊界條件，用于模擬獲得承臺(tái)底以上橋梁結(jié)構(gòu)作用于樁基頂力的大小；同時(shí)假定承臺(tái)底以上所有荷載均由樁基承受，即地基對4號(hào)橋臺(tái)除樁基外其它構(gòu)件均無約束作用。

(a)Midas實(shí)體模型圖

(b)ANSYS實(shí)體模型圖

2.2 計(jì)算荷載

按照現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)入橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載、汽車荷載(考慮汽車荷載沖擊系數(shù)的影響)、溫度荷載、支座沉降及混凝土收縮、徐變等作用。通過計(jì)算分析得出，荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，4號(hào)橋臺(tái)上支座支承反力如表1所示。

表1 4號(hào)橋臺(tái)上支座支反力表(單位：kN)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，繪出4號(hào)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)受力示意圖如圖2所示。

圖2 橋臺(tái)結(jié)構(gòu)受力示意圖

2.3 橋臺(tái)臺(tái)身后土側(cè)壓力計(jì)算

按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)第4.2.3條，臺(tái)后主動(dòng)土壓力為：

(1)

(2)

式中：E——主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；

γ——碎石土的重力密度，取19kN/m3；

B——橋臺(tái)寬B=7.8m；肋板寬=1.5m； 承臺(tái)寬B=6.2m；

H——計(jì)算土層高度m；

β——填土表面與水平面的夾角，取2°；

α——臺(tái)背與豎直面的夾角；

ψ——碎石土的內(nèi)摩擦角，取45°；

δ——臺(tái)背與填土間的摩擦角，取22.5°；

h——汽車荷載的等代均布土層厚度(m)。

根據(jù)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸及各參數(shù)取值，通過計(jì)算得出作用于橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)土壓力E1、E2、E3值分別為221.5kN、284.2kN、305.7kN。承臺(tái)頂堆積碎石土作用于承臺(tái)的總重為2 390.4kN。

將以上作用荷載施加到橋臺(tái)上，通過計(jì)算可得4號(hào)臺(tái)承臺(tái)底以上橋梁結(jié)構(gòu)對4個(gè)樁基樁頂處作用力如表2所示。

表2 樁基頂豎向作用力表

(單位：kN)

注：表中4-1、4-2為臺(tái)尾處后排樁，4-3、4-4為前排樁。

2.4 樁基豎向承載力驗(yàn)算

由于4-4號(hào)樁基底部1.5m范圍段有嚴(yán)重缺陷，通過該段樁基所承受橋梁結(jié)構(gòu)荷載作用力大小將難以把握，因此，在對4-4號(hào)樁基進(jìn)行承載力驗(yàn)算時(shí)，對該段樁基所起作用將不予以考慮，故對4-4號(hào)樁基將只對樁底1.5m以上樁基部分按摩擦樁進(jìn)行承載力驗(yàn)算。大橋4-4號(hào)樁基地質(zhì)柱狀圖如圖3所示。

圖3 地質(zhì)剖面圖

對4-4號(hào)樁基承載力按摩擦樁進(jìn)行計(jì)算，而不計(jì)存在缺陷的樁底1.5m段樁基的樁側(cè)阻力和樁底樁端阻力作用。

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63-2007)：摩擦樁-鉆(挖)孔灌注樁單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]，可按下列公式計(jì)算：

(3)

qr=m0λ[[fa0]+k2γ2(h-3)]

(4)

由于不考慮樁基底部1.5m范圍段對整個(gè)樁基承載力的貢獻(xiàn)，故樁端處承載力容許值qr和該段樁基樁側(cè)摩阻力均為0。

[Ra]=0.5×3.14×1.2×(50×5.8+46×5.2+37×5+60×5)+0=1 910kN。

根據(jù)3.3節(jié)中計(jì)算結(jié)果，承臺(tái)底以上橋梁結(jié)構(gòu)作用至4-4號(hào)樁基頂?shù)呢Q向作用力為：N=2 667.5kN；

因此，4-4號(hào)樁基承載力安全系數(shù)為：

綜上，在不考慮大橋4號(hào)橋臺(tái)4-4樁基樁底1.5m嚴(yán)重缺陷段樁側(cè)摩阻力和樁端阻力對整個(gè)樁基所提供承載力的情況下，該樁基剩余部分可提供承載力遠(yuǎn)小于樁頂豎向荷載，相應(yīng)承載力安全系數(shù)為0.715，必須采取可靠的工程補(bǔ)救措施。

3 結(jié)語

橋梁樁基經(jīng)過檢測根據(jù)樁身完整性類別，對Ⅱ類及低于Ⅱ類的樁基，可根據(jù)需要，綜合分析造成不完整樁基的原因。對于承載力受到影響的問題樁，應(yīng)對其進(jìn)行承載力驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果以明確其承載力是否滿足規(guī)范要求。必要時(shí)采用高應(yīng)變法或樁基靜載實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步校核驗(yàn)證樁基單樁承載力。本文通過工程實(shí)例簡述樁基存在缺陷后的豎向承載力驗(yàn)算方法，對問題樁進(jìn)行輔助計(jì)算驗(yàn)證，從而為樁基補(bǔ)救方案提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1]JTGD63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTGD60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]李克釧.基礎(chǔ)工程(第二版)[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[4]JGJ106-2014，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].

Discussions on Vertical Bearing Capacity Checking of Pile Foundation with Defects

LI Sheng-liang

(Xinjiang Nanfang Road and Bridge Engineering Co.，Ltd.，Kashi，Xinjiang，844000)

The pile foundation construction belongs to the underground covered engineering，there are many factors affecting its quality，and in some severe cases，it can even affect the safety of upper structure，causing irreparable loss of life and property.In combination with an engineering example，this article introduced the vertical bearing capacity checking method of pile foundation with defects，thereby providing the reference for similar projects.

Pile foundation；Defect；Safety；Bearing capacity；Checking

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.015

1673-4874(2016)10-0053-04

2016-09-02

李生亮(1978—)，工程師，研究方向：公路與橋梁。