基于公路橋梁中大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計分析

文∕王勁松

1 前言

大直徑橋梁基礎(chǔ)設(shè)計工程屬于系統(tǒng)性工程，在設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)用到的理論知識較多，另外設(shè)計時還需對大直徑樁基的受力原理以及橋梁結(jié)構(gòu)原理分析，從而保證樁基的負重摩擦力以及承載力達到工程建設(shè)的需求。在大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計的過程中，需要綜合各種因素進行分析，全面提升橋梁耐久性和安全性，從而推動公路橋梁項目的不斷發(fā)展。因此，對橋梁工程建設(shè)中大直徑樁基礎(chǔ)的設(shè)計要點分析、綜合性探尋出有效的設(shè)計方案就尤為重要。

2 工程概況

某山區(qū)橋梁工程全長1.7km，本工程屬于雙向車道，且結(jié)構(gòu)較為特殊，上部采用的是現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱結(jié)構(gòu)橋梁，下部則采用大直徑樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

3 地質(zhì)情況分析

該橋梁結(jié)構(gòu)層一共設(shè)計為7 層，且每一層的施工設(shè)計都存在差異性。首先第1 層為路基層，該層路基以填土為主，厚度≥1m；第2 層屬于加固層，加固層選擇硬質(zhì)黏土鋪設(shè)，厚度≥1.4m；第3 層屬于填充層，填充選擇碎石施工，需注意的是填充階段要將碎石與亞粘土攪拌后填充，以提升整體穩(wěn)定性，同時其厚度控制為3.6m 范圍內(nèi)；第4 層為強化層，強化層選擇風(fēng)化石與巖石填充，且厚度控制為3.5m 左右；第5 層是風(fēng)化層，通過有效利用風(fēng)化作用使泥巖快速發(fā)育、開裂形成夾粉泥巖后進行鋪設(shè)，厚度設(shè)計為3.5m；第6 層為弱風(fēng)化層，雖然其具備風(fēng)化特性，但本質(zhì)上與上層風(fēng)化還是存在區(qū)別，故而只需要把粉砂質(zhì)的巖石進行風(fēng)化后再將其作為巖心進行鋪設(shè)即可，厚度控制為2.6m；第7 層屬于微風(fēng)化層，與上層風(fēng)化特征一致，微風(fēng)化層也需要發(fā)育后出現(xiàn)裂隙滿足設(shè)計需求[1]。

4 公路橋梁大直樁基設(shè)計

4.1 準確計算大直樁基承載力設(shè)計

在大直徑樁基承載力設(shè)計的過程中，其承載力高低直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。按照大直徑樁基承載力的計算公式以及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》2019 版的要求，在設(shè)計中需要對支撐于基巖的結(jié)構(gòu)進行計算，以保證單樁軸向受壓能力達到需求，具體公式如下：

［P］=（c1A+c2Uh）Ra

其中，Ra 代表的是巖石單軸的抗壓極限強度；h代表的是基巖狀體嵌入深度值（但不涉及分化層的厚度）；U 代表的是基礎(chǔ)巖樁體嵌入的截面周長（計算上按照設(shè)計直徑的要求計算）；A 代表的是樁基礎(chǔ)底面的截面面積；c1、c2 主要指的是根據(jù)清孔情況與巖石的破碎率等因素確定的有關(guān)系數(shù)。

根據(jù)該公式可知，嵌巖樁本身的單樁軸向受壓容許指嵌巖樁其包含多個因素，即：清孔情況、巖石破碎值、樁低位置嵌入巖石的深度以及強度因素。按照JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求可知，端承樁屬于嵌巖樁類型，在設(shè)計中能夠滿足上述公式的要求。但是需要注意的是，在設(shè)計層面上嵌巖樁要控制好其凈高度。因為樁底巖石堅硬度很大，能夠減少樁的位移可能，所以套用以上公式能夠提升大直徑樁基的承載力[2]。

4.2 樁長設(shè)計

大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計環(huán)節(jié)樁長的設(shè)計要按照項目實際要求對地質(zhì)情況進行分析。當前很多施工環(huán)境地質(zhì)層多為軟質(zhì)巖石，此類地質(zhì)浸水后承載力會下降，進而降低樁基側(cè)摩擦力與樁端阻力，故而需要在設(shè)計中將第7 層設(shè)定為端樁持力層。同時，在設(shè)計時還要考慮到巖層表面給樁體造成的影響、對樁側(cè)巖造成的側(cè)向水平抗力以及大直徑基礎(chǔ)成樁要求和設(shè)計方案可信性等多方面因素，科學(xué)選擇大直徑樁體的類型，同時設(shè)定樁長，以提升樁基礎(chǔ)工程質(zhì)量。需要注意的是，在樁長的設(shè)計過程中，我們還需要根據(jù)公路橋梁的具體結(jié)構(gòu)以及形式合理控制大直徑樁長的距離，從而保證大直徑樁長的設(shè)計范圍能夠達到工程的安全性要求。

4.3 樁頂設(shè)計

在大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計階段，樁頂設(shè)計也尤為重要。相較于公路橋梁項目而言，在受到橋梁選址以及橋梁結(jié)構(gòu)的影響下，樁頂?shù)氖芰η闆r是非常復(fù)雜的。若處于地震高發(fā)區(qū)，或是大直徑樁基礎(chǔ)的受力水平作用很大時，則在設(shè)計上需要分析承臺與大直徑的共同效果，同時考慮土體與兩者之間出現(xiàn)的彈性抗力作用，并保證頂樁設(shè)計的效果達到具體要求[3]。

4.4 單樁豎向極限承載力設(shè)計

大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計環(huán)節(jié)，樁基極限承載力作為重要的參數(shù)數(shù)據(jù)，其設(shè)計是非常重要的一項內(nèi)容。由于該環(huán)節(jié)需要考慮單樁豎向極限承載力的基本數(shù)據(jù)，因此在設(shè)計階段需要按照不同設(shè)計標準要求選擇設(shè)計方式。一般而言，大直徑樁基是根據(jù)甲級設(shè)計標準進行的，可采用單樁靜載試驗的方式計算其極限承載力；若大直徑樁基設(shè)計根據(jù)乙級的要求進行，那么當?shù)刭|(zhì)條件達到要求后，可根據(jù)相同橋梁工程的地質(zhì)條件進行設(shè)計，同時參考原位試驗的結(jié)果設(shè)計極限承載力。在設(shè)計極限端阻力承載力與側(cè)阻力以及單樁豎向承載力標準值時，需要根據(jù)以下要求進行：對直徑大的端樁承樁來說，在確定極限端樁阻力時可采用深層平板荷載試驗的方式予以確定；針對嵌巖樁的側(cè)阻力可以選擇巖基平板荷載試驗的方式進行，其他情況按照一般設(shè)計規(guī)范要求進行即可。在樁極限阻力確定的過程中，需要按照預(yù)先埋設(shè)元件的方式進行確定，通過預(yù)先埋設(shè)方式取得測試結(jié)果后，再選擇靜載試驗的方式對需求值進行確定，然后繪制出參數(shù)構(gòu)成的曲線，并將其作為單樁豎向極限承載力的最終確定值。此外，為了全面提高大直徑樁基礎(chǔ)的整體性能，在單樁豎向極限承載力設(shè)計的過程中，要考慮其存在荷載的極限系數(shù)，并對大直徑樁基礎(chǔ)的承擔(dān)能力進行分析，從而在確定相關(guān)系數(shù)之后提高單樁豎向極限承載力數(shù)值，并使其滿足安全性以及耐久性要求。

4.5 位移和大直樁基水平承載力設(shè)計要點

為了提升大直徑樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性與安全性，在大直徑樁基設(shè)計的過程中要做好位移的計算，這對提升大直徑水平承載力具有重要的作用。

4.5.1 群大直樁基礎(chǔ)。設(shè)計階段考慮到水平力大以及力矩大的大直徑樁基礎(chǔ)時，首先需要對承臺以及群樁和土體之間產(chǎn)生的群樁應(yīng)力進行分析，其次再對樁基的水平承載力特征值進行計算，在取值過程中，還需要考慮地基與承臺之間的摩擦系數(shù)，確保取值精確規(guī)范。

4.5.2 單大直樁基礎(chǔ)。其承擔(dān)能力要達到特征值需求，確定特征值的要求如下：

4.5.2.1 大直徑樁基類型若屬于甲級或是乙級，且屬于水平荷載類型的基礎(chǔ)，特征值則按照單樁水平靜載試驗的方式對其進行驗證[4]。

4.5.2.2 相較于裝身配筋率＜0.65 混凝土類型灌注樁，在設(shè)計階段中確定特征值時要按照靜載試驗的結(jié)構(gòu)進行選擇，一般對應(yīng)單樁荷載75%的受力特征。

4.5.2.3 設(shè)計階段一旦遇到配筋率＜0.65%灌注樁時，在特征值確定上可選擇單樁水平靜載試驗中臨界荷載的75%作為主要參數(shù)。

4.6 承臺的計算

4.6.1 在大直徑樁基承臺計算階段，需要按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求對樁邊連線以及柱邊、變階位置形成的受剪承載力和傾斜面進行驗算。若承臺懸挑邊有多個剪切面，則此時需要逐步驗算各個傾斜面的承受力。

4.6.2 在條形承載彎矩計算中，應(yīng)根據(jù)彈性地基梁的要求進行計算，當實踐中遇到大直徑端樁持力層后且?guī)r體軸線難以重合時，需要將樁架設(shè)為不動鉸支座，然后按照連續(xù)梁的計算方式進行操作。

4.6.3 大直徑樁基承臺類型需要考慮其正截面的承載能力，故而在受彎承載力以及配筋計算中要按照規(guī)范要求進行[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，在公路橋梁大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計過程中，需要按照項目實際情況對大直徑的樁基承載力以及負摩阻力、樁基配筋等方面進行詳細分析和計算，保證大直徑樁基設(shè)計參數(shù)滿足科學(xué)要求，并以此提升大直徑樁基礎(chǔ)的安全性和穩(wěn)定性。