橋梁設(shè)計(jì)中的樁基設(shè)計(jì)分析

石 璞

（湖北省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430200）

1 引言

我國(guó)是基建項(xiàng)目強(qiáng)國(guó)，工程建設(shè)如橋梁、房屋、電力等建筑都需要設(shè)計(jì)樁基基礎(chǔ)工程。在高速公路修建過程中，需要建設(shè)大量的橋梁，為了保證橋梁的最大承載能力，減少地基的沉降變形，經(jīng)常采用深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，而樁基設(shè)計(jì)是最常用的深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。本文從樁基設(shè)計(jì)理論、橋梁樁基設(shè)計(jì)存在問題、橋梁樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)三方面論述樁基設(shè)計(jì)。

2 樁基設(shè)計(jì)理論研究

2.1 樁基設(shè)計(jì)理論

樁基設(shè)計(jì)是檢測(cè)和控制樁基的抗壓能力，使其符合橋梁總設(shè)計(jì)的要求。橋梁樁基設(shè)計(jì)需要滿足兩個(gè)要求：一方面，樁基和土體之間要相互穩(wěn)定，滿足沉降位移要求；另一方面，樁基自身要有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以滿足樁基承載力的要求。樁基和土體的相互作用可以保證樁基具有足夠大的承載能力，使樁身不會(huì)產(chǎn)生誤差外的沉降變形，當(dāng)樁基受水平方向的荷載時(shí)，對(duì)樁產(chǎn)生的彎矩與變形在允許范圍內(nèi)。

樁基設(shè)計(jì)與其地基處理的不同之處在于其設(shè)計(jì)理念是“先實(shí)踐，后理論計(jì)算”。樁基設(shè)計(jì)主要包括承載能力設(shè)計(jì)和沉降變形計(jì)算，通過設(shè)置樁長(zhǎng)、樁徑等參數(shù)設(shè)計(jì)樁基承載力，以保證樁基具有足夠的負(fù)荷能力。為避免過度變形造成橋梁損壞而進(jìn)行沉降變形計(jì)算。此外，配筋和承臺(tái)可以保障樁基具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也是樁基設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，特別情況下，需要計(jì)算樁基和承臺(tái)的抗裂和裂縫長(zhǎng)度。目前，我國(guó)樁基設(shè)計(jì)正處于變革時(shí)期，主要計(jì)算方法有：容許承載力計(jì)算、總安全系數(shù)計(jì)算、分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算等。樁基計(jì)算理論主要分為兩類 ，容許應(yīng)力理論的定值設(shè)計(jì)和依托概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

定值設(shè)計(jì)法的原理是規(guī)定地基和樁身強(qiáng)度，限制剪切應(yīng)力來調(diào)整地基沉降，屬于較為典型的樁基驗(yàn)算方法。依據(jù)橋梁所處土體、河流等自然環(huán)境條件，確定樁基、承臺(tái)的參數(shù)設(shè)置以及圖紙驗(yàn)算樁基中各樁的承載力，根據(jù)工程實(shí)際情況對(duì)樁基進(jìn)行輕度和沉降計(jì)算，進(jìn)而完成墩臺(tái)下構(gòu)的設(shè)計(jì)。此計(jì)算方法的弊端是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷樁基的可靠度，可能會(huì)與實(shí)際施工情況不符。而樁基極限狀態(tài)計(jì)算方法加入可靠度理論和概率理論，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理科學(xué)衡量樁基的可靠度，改變了以往用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)橋梁樁基的缺點(diǎn)，使施工更加科學(xué)精準(zhǔn)。

2.2 樁基產(chǎn)生豎向力的機(jī)理

樁基承載力由樁與土體間的距離決定，受樁基自身重量和承載負(fù)荷的影響，為使樁基穩(wěn)定牢固，必須將樁與土體的位置向下移動(dòng)。此時(shí)，土體會(huì)因剪切應(yīng)變?cè)龃蠖a(chǎn)生不斷增大的剪切力，待剪切力處于閾值時(shí)，即使剪切應(yīng)變持續(xù)增加，其仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，使得樁基兩端承載負(fù)荷不斷增加，最終影響樁基承載能力。樁與土體之間的位移變化包括樁身壓縮變形、樁兩端沉降變形兩部分，往往樁底及樁周沉降變形明顯，而樁身壓縮變形對(duì)樁和土體沒有明顯影響。以樁長(zhǎng)30m、樁直徑1.5m 的空心樁體為例，其樁身壓縮變形極限僅為2mm。樁底沉降變形的主要原因是鉆樁孔時(shí)清理不徹底，施工清孔時(shí)，清理不徹底就會(huì)殘留樁身內(nèi)的殘?jiān)Ｊ軜痘灾丶皹俄斬?fù)荷的影響，當(dāng)不斷增加承載壓力，會(huì)導(dǎo)致樁基發(fā)生10～20cm 的沉降形變。

3 橋梁樁基設(shè)計(jì)存在的問題

3.1 樁基承載性能有待提高

樁基承載性能主要包括樁基影響因素和樁基受力狀態(tài)兩方面。在實(shí)踐施工檢測(cè)中，通過物理模擬法檢測(cè)樁基承載能力。物理模擬法分為室內(nèi)相似模擬、離心模擬和現(xiàn)場(chǎng)原位模擬。通過綜合分析樁基的荷載傳遞能力，可以看出荷載自樁頂沿樁身自上而下傳遞，主要靠土層摩擦力作用。在實(shí)際施工中，土質(zhì)整體性能影響樁基受力狀態(tài)；樁身長(zhǎng)與樁徑比例過高，樁側(cè)摩擦力變大，樁端承載性能變?nèi)?。反之比例過低，樁基不會(huì)發(fā)生形變，由樁端巖層承受荷載。因此，應(yīng)充分掌握樁基的受力狀態(tài)，結(jié)合填充物質(zhì)、頂板厚度、土體條件綜合評(píng)估、分析樁基承載力，以保證樁基設(shè)計(jì)的安全性，提高橋梁樁基的施工質(zhì)量。

3.2 樁基嵌入深度不合理

參照橋梁樁基設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)樁基嵌入深度小于0.5m 時(shí)，需要合理調(diào)整樁基承載力，但是實(shí)際施工中沒有規(guī)范的數(shù)值要求，這使樁基設(shè)計(jì)缺少規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，容易造成安全事故。究其原因是嵌入樁的定義沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，施工人員對(duì)嵌入深度各執(zhí)己見。一部分技術(shù)人員認(rèn)為應(yīng)當(dāng)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為嵌入深度標(biāo)準(zhǔn)，但是試驗(yàn)得到的嵌入深度范圍忽視了現(xiàn)場(chǎng)施工條件，結(jié)論并不完善；一部分技術(shù)人員認(rèn)為樁基深度不應(yīng)過深，因?yàn)榍度肷疃葘?duì)樁基承載力的提升效果較弱，只會(huì)增加施工成本，應(yīng)用性不強(qiáng)。施工人員對(duì)樁基嵌入深度標(biāo)準(zhǔn)的理解不一致，一定程度上會(huì)影響橋梁樁基施工。

3.3 樁基承載力計(jì)算不合理

橋梁樁基承載力是衡量樁基穩(wěn)固的重要因素，根據(jù)橋梁樁基設(shè)計(jì)規(guī)范要求，樁基承載力計(jì)算多以摩擦樁為計(jì)算參照。摩擦樁樁基承載力包括樁端荷載力和樁側(cè)摩擦力。樁基承載能力和樁基與土體的摩擦力、樁基相對(duì)土體的位移以及土層性質(zhì)有關(guān)。在實(shí)際橋梁樁基設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合施工地區(qū)樁基的環(huán)境條件、土質(zhì)條件調(diào)整計(jì)算參數(shù)，保證樁基的施工質(zhì)量。

4 橋梁工程樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

樁基設(shè)計(jì)時(shí)，要求樁的各項(xiàng)參數(shù)都能充分發(fā)揮樁基的承載能力。無論是整體設(shè)計(jì)還是局部設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)滿足樁基設(shè)計(jì)要求，依照科學(xué)計(jì)算確定樁身材料的強(qiáng)度等級(jí)。在樁基設(shè)計(jì)過程中，要保證設(shè)計(jì)規(guī)劃切實(shí)可行，并符合橋梁的使用功能。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用先進(jìn)施工技術(shù)和施工方法，充分控制樁基的性能，最大程度發(fā)揮樁基的承載能力，使樁基設(shè)計(jì)成本最低，安全性能最佳，滿足樁基設(shè)計(jì)的多方面要求。橋梁樁基分為低樁臺(tái)和高樁臺(tái)，低樁臺(tái)適用于季節(jié)性等沖刷流速較小的河流；高樁臺(tái)適用于常年有水，沖刷力度較大的河流。在實(shí)際施工中，高樁臺(tái)是施工設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

樁基設(shè)計(jì)主要參照初步規(guī)劃方案，結(jié)合實(shí)際施工環(huán)境和工程要求，完善制定安全、經(jīng)濟(jì)、適用的具體施工方案。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)內(nèi)容包括樁基承載力計(jì)算、樁基承載性能分析、樁基嵌入深度、分析地基沉降變形問題、預(yù)估自然環(huán)境及其他因素對(duì)樁基的影響程度，采取相應(yīng)的防范措施。本文以長(zhǎng)1856.7m 高架路段標(biāo)準(zhǔn)、寬75.5m 的橋梁工程為例，深入分析橋梁樁基設(shè)計(jì)。具體從施工環(huán)境、群樁樁基形式、樁基選型和間距、壓漿參數(shù)設(shè)置、持力層設(shè)計(jì)、高樁臺(tái)設(shè)計(jì)等六方面進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

4.1 勘查施工環(huán)境

進(jìn)行施工前勘察時(shí)，根據(jù)勘察重點(diǎn)不同，分階段完成勘察工作。在初勘階段，應(yīng)重點(diǎn)勘察橋梁工程所處的地形、地質(zhì)等自然環(huán)境條件，初勘階段通過鉆孔探測(cè)輔助物探的方式確定地質(zhì)。本橋梁工程處于亞熱帶海洋氣候區(qū)，全年濕潤(rùn)多雨，初勘后分析該項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土質(zhì)復(fù)雜，下水位深1.3m，樁基施工受自然環(huán)境的影響較大。詳勘階段采用多種物探方式，依據(jù)初勘核查結(jié)果，明確土質(zhì)從下及上分別為黃土粘質(zhì)土、清灰土粘質(zhì)土、灰色粘質(zhì)土、填土。因此，必須加強(qiáng)樁基-土體牢固性以及完善防水設(shè)計(jì)。對(duì)復(fù)雜的土質(zhì)條件，采用一樁一孔的形式。對(duì)于樁徑超過1.5m 的樁基，采用一個(gè)中心孔，四個(gè)周邊孔的設(shè)計(jì)方式，以達(dá)到安全穩(wěn)固的施工要求。此外，根據(jù)施工方案和施工規(guī)范要求，勘察作業(yè)應(yīng)原位測(cè)試，施工技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)核查設(shè)計(jì)圖紙等資料，全面掌握、了解現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)等環(huán)境情況，并改進(jìn)施工技術(shù)方案，保證勘察結(jié)果滿足橋梁樁基施工需求。

4.2 選擇群樁樁基形式

施工技術(shù)人員在全面分析勘測(cè)結(jié)果、了解施工基本狀況后，可以初步確定設(shè)計(jì)橋梁樁基的形式。常用的樁基選型為大且短的群樁做基礎(chǔ)，避免了樁基和土體間的接觸。長(zhǎng)時(shí)間地殼運(yùn)動(dòng)后地質(zhì)發(fā)生改變，土體逐漸適應(yīng)變化形式產(chǎn)生相對(duì)平衡的應(yīng)力，樁基和土體接觸會(huì)破壞土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致新的問題產(chǎn)生，增加施工難度，拖延施工周期，提高施工成本。根據(jù)樁基的受力性和土質(zhì)條件，按照摩擦樁性質(zhì)計(jì)算樁基長(zhǎng)度，以預(yù)算的樁基長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算樁底標(biāo)高，綜合分析樁基整體的受力狀態(tài)。如果土體深度較深，樁基承載力和樁側(cè)摩擦力比較，樁側(cè)摩擦力的占比為主，此時(shí)，應(yīng)該按照摩擦樁的計(jì)算方法預(yù)估樁長(zhǎng)，持力層參數(shù)應(yīng)該選擇承載能力較高的土質(zhì)層。如果土體深度較淺，樁底降入土體后，樁基嵌入深度不夠，需要通過壓漿處理等方式提高土體密度和強(qiáng)度，預(yù)估樁基長(zhǎng)度時(shí)可忽略不計(jì)樁側(cè)摩擦力。此外，應(yīng)適當(dāng)依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件處理土層參數(shù)以保證施工的安全性。

4.3 確定樁基選型和間距

橋梁樁基承擔(dān)著橋梁自身的重量和可變荷載，根據(jù)荷載的傳播路徑可將樁歸為端承樁和摩擦樁兩類。荷載主要承載樁身和土體的摩擦力，端承樁和摩擦樁端阻力、側(cè)阻力與樁長(zhǎng)比值相關(guān)。當(dāng)樁長(zhǎng)徑比值在15～20 時(shí)，樁側(cè)阻力發(fā)揮承載作用；當(dāng)樁長(zhǎng)徑比大于40 時(shí)，端承樁承載力變小。橋梁樁基設(shè)計(jì)必須達(dá)到最小間距的要求，在設(shè)計(jì)中避免群樁效應(yīng)，若樁間距較大，則會(huì)影響樁基承臺(tái)的穩(wěn)定；樁間距變小，則會(huì)增加造價(jià)成本。因此，橋梁承臺(tái)設(shè)計(jì)需要采用群樁加大承臺(tái)的方式。

4.4 合理設(shè)置壓漿參數(shù)

施工人員進(jìn)行橋梁樁基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循橋梁樁基設(shè)計(jì)規(guī)范，確定壓漿參數(shù)，以提高土體密度和強(qiáng)度，避免影響樁基施工的質(zhì)量。施工人員進(jìn)行樁基加固作業(yè)時(shí)，既要及時(shí)總結(jié)工程數(shù)據(jù)和施工經(jīng)驗(yàn)，也要制定應(yīng)急預(yù)案以確定合理的壓漿參數(shù)。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)壓漿參數(shù)的合理性，施工人員應(yīng)按要求完成壓漿參數(shù)設(shè)置的檢測(cè)后，再進(jìn)行后續(xù)工作。完成壓漿參數(shù)計(jì)算等準(zhǔn)備工作后，施工人員應(yīng)首先進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測(cè)試相關(guān)參數(shù)，分析不滿足施工標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)參數(shù)的原因，直至調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)后才能將其應(yīng)用在樁基施工中。

4.5 施工持力層優(yōu)化設(shè)計(jì)

施工技術(shù)人員設(shè)計(jì)橋梁樁基時(shí)，需要嚴(yán)格按照施工方案確定橋梁樁基位置。如果樁基所處地質(zhì)環(huán)境良好，土質(zhì)硬度高，則樁基建設(shè)難度大為降低。如果樁基所處土質(zhì)松軟，則樁基建設(shè)難度會(huì)大幅增加，并且會(huì)影響橋梁工程整體施工情況。針對(duì)土質(zhì)問題，施工人員應(yīng)在施工前勘探確認(rèn)土質(zhì)狀況，通過優(yōu)化持力層土質(zhì)的方式提升樁基位置的土質(zhì)硬度，為后續(xù)樁基建設(shè)工程節(jié)約時(shí)間和成本。在鉆孔灌注樁施工時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)樁基負(fù)荷能力差或樁體表層質(zhì)量不過關(guān)的情況，也會(huì)對(duì)樁基施工造成不同程度的阻礙。因此，為避免以上問題，施工人員應(yīng)當(dāng)在注漿時(shí)做好漿管疏通工作，并在混凝土振搗時(shí)消除樁身土層裂縫的問題，保證樁體負(fù)荷能力滿足樁基建設(shè)要求。

4.6 橋梁樁基高樁承臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高樁樁基是指有多根樁和基線的承臺(tái)組成的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其主要作用是將樁端荷載通過承臺(tái)和樁傳入持力層地基中，在橋梁樁基中廣泛應(yīng)用該樁基作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。高樁承臺(tái)能穿過軟土層進(jìn)入地下持力層，與低樁承臺(tái)相比具有更好的承載能力。在原有的高樁樁基設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過設(shè)置樁與樁間的連梁，增挖附樁，將一根樁改為四根，增加高樁承臺(tái)的穩(wěn)定性。

4.7 樁基側(cè)面摩擦力提升設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范完成橋梁樁基設(shè)計(jì)工作。樁基決定了橋梁的承載力，樁基側(cè)面摩擦力大小均勻與否是決定樁基施工現(xiàn)場(chǎng)是否安全、灌注樁是否穩(wěn)定的主要因素。為提高樁基穩(wěn)固性，施工人員需要保證樁身和周圍土體的緊密度，減小樁身和土體的位移距離，同時(shí)，采取降低樁身和土體摩擦力的方法，提升樁基側(cè)面摩擦力。因此，施工人員需要綜合分析樁基和土體條件，提高灌注樁穩(wěn)固性，為后續(xù)樁基礎(chǔ)施工奠定基礎(chǔ)。

4.8 樁基承載力計(jì)算要點(diǎn)

橋梁樁基設(shè)計(jì)存在很多隨機(jī)性，樁基設(shè)計(jì)中通常用幾根試樁承載力的平均值和安全系數(shù)來確定樁基最大承載力，并不能反映群樁的荷載，承載能力計(jì)算方法存在明顯誤差；對(duì)于特殊土質(zhì)條件，如軟土層、巖溶層、凍土等橋梁樁基設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)提供針對(duì)性設(shè)計(jì)方案；設(shè)計(jì)橋梁樁基，需要最大程度發(fā)揮樁、土體、上部結(jié)構(gòu)的承載力。實(shí)際樁基設(shè)計(jì)中，不少樁基設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺乏完善的設(shè)計(jì)理念，承載力計(jì)算粗糙，對(duì)此設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)全面了解不確定因素和實(shí)際情況，全方位分析設(shè)計(jì)內(nèi)容。

4.9 樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

第一設(shè)計(jì)者遇到新工藝、新技術(shù)時(shí)，應(yīng)在遵循各類技術(shù)規(guī)范的同時(shí)，靈活運(yùn)用各種技術(shù)手段；第二在實(shí)際樁基設(shè)計(jì)中，運(yùn)用工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算承載力仍是樁基設(shè)計(jì)方法中的重要環(huán)節(jié)，橋梁樁基承載力設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法過渡到結(jié)合施工環(huán)境精準(zhǔn)計(jì)算的過程仍需大量分析，樁基承載力計(jì)算方法的實(shí)用性仍需進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

5 結(jié)語

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述了橋梁樁基的理論研究和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)際推理樁基設(shè)計(jì)方法。橋梁樁基作為橋梁建設(shè)的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)前，施工人員應(yīng)當(dāng)充分了解樁基實(shí)際情況和周圍自然環(huán)境，綜合分析樁基、土體、河流沖刷力等多種因素，全方位衡量后再完善樁基設(shè)計(jì)，確保橋梁樁基達(dá)到最大承載力并具有安全性，保證橋梁樁基施工質(zhì)量以及成本的合理性。橋梁樁基設(shè)計(jì)不僅受地質(zhì)條件、自然環(huán)境等因素制約，在施工中使用的施工技術(shù)和工藝也是影響樁基承載能力的重要因素。為此，施工人員應(yīng)提升施工工藝、完善施工管理制度、加大質(zhì)量檢測(cè)力度，提高后期施工效率，嚴(yán)格按照施工方案的規(guī)劃高質(zhì)量完成施工。