橋梁設(shè)計(jì)中的樁基設(shè)計(jì)探析

文/左魯、張銳

1 前言

在諸多橋梁基礎(chǔ)類型中，樁基是現(xiàn)階段最常用的一種。樁基不僅承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高，而且適用性也良好，可以節(jié)省材料、降低成本，在橋梁工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。樁基受力機(jī)理：以作用在樁端的與地層之間的阻力與樁周土存在的摩擦力為軸向荷載提供支承，以樁側(cè)土層存在的側(cè)向阻力為水平荷載提供支承。在設(shè)計(jì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，選擇哪一種樁基類型會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)體系安全性、施工難易程度和成本造價(jià)。因此，相關(guān)人員必須高度重視，根據(jù)橋梁實(shí)際情況，選擇適宜的樁基類型。

2 樁型確定

現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范提出了兩種典型樁基類型，即摩擦樁與端承樁，同時(shí)也對(duì)這兩種樁基類型的適用性進(jìn)行了明確的規(guī)定。其中，摩擦樁指的是將樁周摩擦力作為承載力，其樁底支撐力大多無(wú)法提供符合要求的承載力；而端承樁主要將樁端支撐力作為承載力，其樁周摩阻力往往很小。根據(jù)以上定義可知，在樁基設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先考慮端承樁。而從工程的實(shí)際情況來(lái)看，對(duì)于摩擦樁，其樁長(zhǎng)通常大于端承樁，這會(huì)使造價(jià)相對(duì)較高，在這種情況下，選擇端承樁是工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。然而，如果工程地質(zhì)條件導(dǎo)致端承樁埋深相對(duì)較大，其樁長(zhǎng)與采用摩擦樁時(shí)的樁長(zhǎng)相當(dāng)，這樣會(huì)使端承樁失去意義和價(jià)值，而此時(shí)采用摩擦樁可能達(dá)到更好的效果。因此，如果在樁長(zhǎng)方面這兩種類型的樁相當(dāng)，則采用摩擦樁可能更加安全[1]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果可知，樁基的樁側(cè)阻力與端阻力，其發(fā)揮程度和上覆土層基本性質(zhì)、層厚、樁身長(zhǎng)度和樁徑之比、嵌入的巖層性質(zhì)及深度和樁徑之比、樁底沉渣厚度有關(guān)。通常情況下，上覆土層具有的側(cè)阻力可以正常發(fā)揮，但伴隨樁長(zhǎng)和樁徑之比的不斷增大，側(cè)阻力明顯增加。只有樁長(zhǎng)較短且樁徑較粗的嵌巖樁，其端阻力比土層的側(cè)阻力率先發(fā)揮。在樁承載力上，端阻力起到?jīng)Q定性作用，為端承樁。對(duì)于樁長(zhǎng)和樁徑之比超過(guò)15 的嵌巖樁，不論嵌入的巖層屬于風(fēng)化巖還是完整基巖，樁側(cè)阻力都比端阻力率先發(fā)揮，為摩擦樁。當(dāng)樁長(zhǎng)和樁徑之比超過(guò)40，且上覆土層為堅(jiān)硬土層，則樁端承載將沒(méi)有太大的作用，其受力狀態(tài)屬于摩擦樁，將樁端設(shè)置在強(qiáng)風(fēng)化巖層或中風(fēng)化巖層均可。在部分地區(qū)，對(duì)于嵌入泥質(zhì)軟巖中的灌注樁，當(dāng)其樁長(zhǎng)和樁徑之比超過(guò)45 時(shí)，嵌巖部分的阻力在總荷載中占據(jù)不足20%；當(dāng)樁長(zhǎng)和樁徑之比超過(guò)60 時(shí)，嵌巖段的端阻力在總荷載中只占5%。其主要原因?yàn)椋菏紫?，嵌巖樁的樁身存在彈性壓縮特點(diǎn)，會(huì)使樁頂產(chǎn)生一定程度的沉降，導(dǎo)致樁周土體產(chǎn)生剪應(yīng)力，這也是樁身受到的土體摩阻力；其次，樁孔底部存在沉渣，這些沉渣相當(dāng)于一個(gè)壓縮性很強(qiáng)的軟墊，會(huì)導(dǎo)致樁底產(chǎn)生一定程度的沉降。不論樁頂沉降還是樁底沉降，都會(huì)使樁身和土體或嵌巖段和巖體之間產(chǎn)生一定相對(duì)位移，進(jìn)而出現(xiàn)側(cè)阻力。以上彈性壓縮與樁底沉降都和樁長(zhǎng)、樁徑之比有關(guān)，當(dāng)樁長(zhǎng)和樁徑之比增加時(shí)，無(wú)論是彈性壓縮還是樁底沉降都會(huì)變大，進(jìn)而使摩擦力與側(cè)阻力均明顯增大[2]。

另外，傳遞至樁端處的應(yīng)力也會(huì)伴隨嵌巖深度和樁徑之比的增大而不斷減小，如果嵌巖深度和樁徑之比超過(guò)5，則傳遞至樁端處的應(yīng)力將接近0；而對(duì)于以泥質(zhì)軟巖為巖層嵌入的樁，如果其嵌巖深度和樁徑之比處在5～7 的范圍內(nèi)，則樁端阻力保持在總荷載5%～16%范圍內(nèi)。

由此可以看出，在對(duì)端承樁與摩擦樁進(jìn)行區(qū)分的過(guò)程中，不可只從是否嵌巖這一個(gè)角度考慮，而是要綜合考慮以下各項(xiàng)因素：上覆土層基本性質(zhì)與層厚；樁長(zhǎng)和樁徑之比；所嵌入基巖的基本性質(zhì)；嵌巖深度和樁徑之比；樁孔底部的沉渣厚度。若設(shè)計(jì)中采用的是端承樁，則要按照大樁徑和少樁數(shù)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)；而若設(shè)計(jì)中采用的是摩擦樁，則要按照小樁徑和多樁數(shù)的原則進(jìn)行。

3 嵌巖深度與持力層厚度的確定

在橋梁的樁基設(shè)計(jì)工作中，可能遇到兩層軟弱層間穿越高強(qiáng)度巖層的情況，而且還有很多地區(qū)巖溶發(fā)育。若夾層的厚度無(wú)法使承載力達(dá)到要求，則鉆孔樁要從這一夾層中穿過(guò)，達(dá)到持力層的目的，但這樣無(wú)論是對(duì)施工機(jī)械設(shè)備還是施工進(jìn)度均有很高的要求，是一次極大的考驗(yàn)[3]。

在確定樁底基巖實(shí)際厚度的過(guò)程中，需要充分考慮以下三個(gè)條件：對(duì)樁身周圍覆土存在的側(cè)阻力不予考慮，嵌巖樁的周邊應(yīng)嵌入完整或相對(duì)完整的硬質(zhì)巖體當(dāng)中，其嵌入的最小深度應(yīng)達(dá)到0.5m 以上；樁底下部三倍樁徑區(qū)域內(nèi)不能存在洞隙、軟弱夾層和斷裂帶；在樁端應(yīng)力持續(xù)擴(kuò)散的范圍中，不能存在巖體臨時(shí)面。對(duì)普通的夾層而言，滿足前兩個(gè)基本條件就可以作為持力層使用。而對(duì)于巖溶發(fā)育地區(qū)，應(yīng)考慮到巖體形狀多種多樣，且溶洞的分布大多無(wú)規(guī)律可循，采用現(xiàn)有勘探技術(shù)無(wú)法了解溶洞具體位置和規(guī)模時(shí)，會(huì)使工期大幅延長(zhǎng)，并增加相應(yīng)的費(fèi)用。由于設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中的邊界條件往往比較復(fù)雜，對(duì)巖溶地基而言，其影響因素要比普通巖石地基更多、更復(fù)雜，之前一般要求樁端的底部有樁徑五倍以上厚度的持力層，而對(duì)于樁徑和單樁承載力均不相同的樁，若提出同樣的要求，則不同樁的可靠度將完全不同。為保證樁基設(shè)計(jì)合理性與經(jīng)濟(jì)性，需要以過(guò)去工作經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，結(jié)合試算數(shù)據(jù)確定適宜的嵌巖深度與持力層厚度[4]。

如果基樁從多層巖溶層中穿過(guò)支立在堅(jiān)固穩(wěn)定的巖層，則可以不考慮巖溶可能對(duì)樁側(cè)的影響，并將磨阻作為一種安全儲(chǔ)備。由于巖溶層和樁側(cè)間存在磨阻作用，所以從本質(zhì)上講其與土和樁側(cè)間存在的磨阻完全不同。若多層巖溶層能和樁側(cè)通過(guò)粘結(jié)形成一個(gè)整體，則樁身上的軸向荷載分配需要在樁基設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮在某個(gè)粘結(jié)部位很可能由于受力集中影響而產(chǎn)生磨阻破壞，進(jìn)而使樁基破壞。對(duì)此，設(shè)計(jì)中除了要充分考慮巖溶層可能對(duì)樁側(cè)磨阻造成的影響，在樁基施工中還應(yīng)采取有效措施對(duì)巖溶層和樁壁進(jìn)行分隔，確?；鶚妒艿降乃休S向荷載都能作用在樁底部堅(jiān)固且穩(wěn)定的巖層表面，最后按照柱樁進(jìn)行設(shè)計(jì)即可[5]。

4 樁基配筋

基樁上不同截面的鋼筋配置需要以樁基內(nèi)力為依據(jù)通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。其中，對(duì)于樁基內(nèi)力，大多采用M 法計(jì)算；另外，在條件允許的情況，還可采取其他具有可靠參考與依據(jù)的方法來(lái)確定。當(dāng)采用M 法進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，在樁身彎矩方面，存在以下四個(gè)特點(diǎn)：彎矩的分布規(guī)律相當(dāng)于一條從頂部向下不斷衰減的曲線，而且衰減的速度往往很快；樁身上的最大彎矩通常產(chǎn)生于某個(gè)不完整的波形當(dāng)中，具體位置通常為地面下部3m 左右；樁身的彎矩在首個(gè)彎矩零點(diǎn)下部很小，基本上可以忽略，下部樁身主要起到的是對(duì)豎向力進(jìn)行傳遞的作用；首個(gè)彎矩零點(diǎn)的具體位置為樁入土后深度達(dá)到總深度的1/4 處[6]。

在實(shí)際的樁基設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般有以下兩種配筋方法：第一種方法是以最大彎矩部位為依據(jù)實(shí)施鋼筋布置[7]。從樁頂處開(kāi)始延伸至最大彎矩的一半處下一頂錨固長(zhǎng)度位置，減小一半配筋再繼續(xù)延伸到彎矩為零下一頂錨固長(zhǎng)度位置，再下則是素混凝土部分；當(dāng)存在軟基時(shí)，樁身上的主筋應(yīng)從軟土層中穿過(guò)。第二種方法是將樁基的主筋一半局部延伸至樁底部。從樁體結(jié)構(gòu)受力、盡可能減少工程費(fèi)用、避免事故發(fā)生、降低事故處理難度等角度講，第一種方法更加合理。其原因是：因樁基整體中有很長(zhǎng)一段范圍內(nèi)不會(huì)布置鋼筋，與第二種方法相比能減少一部分鋼筋材料，節(jié)省相應(yīng)的成本；另外，如果底部發(fā)生斷樁，則取出樁孔中的鋼筋籠之后，能在原孔基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)，這樣可以有效減少或避免扁擔(dān)樁現(xiàn)象的發(fā)生概率。然而，雖然采用第二種方法進(jìn)行鋼筋布置能降低施工難度，但在為樁基進(jìn)行混凝土灌注施工時(shí)，工作人員必須對(duì)鋼筋籠定位引起足夠的重視，將鋼筋直接布置到樁的底部，以此為鋼筋籠下放過(guò)程中的固定提供很大方便[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，樁體和土體協(xié)同工作方面的問(wèn)題一直都是巖土界長(zhǎng)期關(guān)注的課題。因計(jì)算機(jī)技術(shù)的大量應(yīng)用，使計(jì)算方法日趨復(fù)雜，且土體參數(shù)具有很強(qiáng)的離散性與多樣性，所以計(jì)算結(jié)果未必準(zhǔn)確。因此，要想做好樁基設(shè)計(jì)，相關(guān)人員應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行正確的認(rèn)識(shí)和了解，然后再依據(jù)樁基與巖體之間的關(guān)系綜合考慮，充分結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的樁基，以達(dá)到堅(jiān)固持久和經(jīng)濟(jì)適用。