橋梁工程鉆孔灌注樁設計分析

吳尚琴

（撫州贛東公路設計院有限公司，江西 撫州 344000）

0 引言

樁基礎為深基礎的結構形式，抗壓性能比較優(yōu)越，將上部荷載傳輸到地基結構內。因為樁基礎的穩(wěn)定性、承載性能都非常優(yōu)越，所以廣泛地應用到工程領域，也是比較成熟的基礎類型。在現代社會高速發(fā)展的背景之下，上部結構物的荷載不斷增多，對于下部基礎的要求也在不斷提高，所以必須加強橋梁基礎的設計和建設施工，才能更好地滿足橋梁的運行標準，對我國交通事業(yè)的發(fā)展產生積極意義。

1 鉆孔灌注樁單樁承載力的影響因素分析

橋梁工程在投入使用后，上部荷載經過樁基礎傳輸到地基結構內，使應力快速消散。在荷載消散期間，把應力分布到各個樁位置，實現荷載均勻分布，能夠在一定程度上提升樁體的穩(wěn)定性。橋梁工程上部結構的荷載由摩擦樁承擔通過側阻力形式向周圍土體擴散。在樁體與土的相互作用中，受力形式比較復雜，難以準確分析。所以設計人員準確地評估樁基承載力，提出科學合理的設計方案，進行豎向荷載的準確分析是極為重要的，也是不可忽視的。在橋梁樁基礎方面的設計中，豎向荷載是經過承臺傳輸到土體結構內，讓側樁承載來自相同的荷載。同時，單樁的豎向荷載分布范圍較廣，影響因素也比較廣泛，在受到持續(xù)荷載影響下，很容易出現上下移動的情況。而樁身荷載往往是通過側摩阻力的形式傳輸到周圍土體結構內。隨著樁體插入土體深度不斷增大，樁身結構受到的軸力、壓縮量也不斷縮小，容易導致樁側阻力增加。鉆孔灌注樁在投入使用后，有較多因素存在很大的影響，且各個因素之間的關系較復雜。單樁承載力的影響因素不僅有材料，還包括尺寸與土體，所以要綜合分析各個方面的影響因素，并將其控制在合理范圍內，才能規(guī)避不利影響，提高樁體結構的質量和性能[1]。

2 工程概況

某橋梁工程結構長度為6850m，寬度尺寸42m，設計方案中包含1612 根鉆孔灌注樁，直徑設計為1.2m、1.3m、1.8m。為了準確地研究和分析該項目的樁體性能，針對項目的具體情況，設計人員展開靜載試驗，準確地測定其承載性能以及極限狀態(tài)下承載力，進一步優(yōu)化樁基設計方案，以確定最佳的設計方案，切實提升橋梁工程的運行安全和質量水平。

3 試驗分析

3.1 試驗概況

根據試驗要求，將樁基分為A、B 兩組進行分析，估算最大加載量參數，與試驗中選取的樁基共用2 根錨樁，總計9 根。A 樁長35m，B 樁長24m，直徑均為1.3m；錨樁長35m，樁徑1.5m。試驗樁樁體使用C25混凝土澆筑形成，鋼筋為HRB335，兩組的直徑、數量相同，間隔距離也一致。經過對現場的地質條件、試樁標準進行分析，具體參數可見表1。

表1 各試樁最大加載量及極限承載力匯總

在試驗操作中，選擇應用逐級加載的操作方式，每一級的加載量為預估最大加載的10%，在兩組加載數據中間隔5～10min，讀取加載后15min、30min 的數據。在加載試驗的環(huán)節(jié)，保證每小時的沉降量不超過0.1mm，經過連續(xù)兩次加載以達到穩(wěn)定性的標準，然后繼續(xù)進行下一級的加載試驗。加載狀態(tài)見表2，荷載-沉降曲線見圖1。

圖1 荷載-沉降曲線

表2 各試樁加載及卸載分級

從表格2 以及曲線波動變化關系發(fā)現，數據的差異性沒有明顯的變化特征，故而不能以這種方式確定單樁極限承載力的取值范圍，并且兩組的數據相差并不大。

在大直徑樁體工程中，大多數情況下沉降量以極限承載力為基礎，在計算環(huán)節(jié)需要了解其運行的效果和性能，展開全面的分析和研究。在試樁環(huán)節(jié)出現樁頂沉降40mm 的情況，A 組Sa1 極限承載力為21000kN，Sa2 的極限承載力為23000kN。在項目實施環(huán)節(jié)，若采用泥漿護壁的作業(yè)方式，其樁體孔徑相對較大，現場施工中一旦清孔的效果比較差，內部會存在較多的淤泥，使得樁端阻力難以達到理想的狀態(tài)，性能和質量不能達到要求，在圖1中明顯看到了它的變化情況。針對大直徑灌注樁，通常不會發(fā)生整體性剪切損壞的問題，其損壞的情況是循序漸進的，逐步從小變大。在碎石條件下，表現更明顯，所以可以根據需求分析確定樁基沉降的情況，以得出樁基運行的不利因素[2]。

通過圖1可以發(fā)現，了解單樁極限承載力與樁長的關系，在樁體長度增大的情況下，承載性能也會呈現上升的趨勢，可以確保樁體的質量性能符合要求，完全達到橋梁工程的運行標準。摩擦樁承載力由側樁阻力提供，同時變化情況與側樁土的位移量有一定聯系。由于橋梁上部的荷載在傳輸土體結構內，樁底部位的荷載小于實際荷載，所以增加樁體長度，樁側阻力會相對較小，可以不用分析。就當前很多橋梁工程項目來說，設計人員確定設計方案時都會分析樁側阻力，容易導致樁體長度過長，對于橋梁工程的總體效益方面造成不利的影響[3]。

3.2 發(fā)揮樁身軸力與樁端阻力

經過對此次試樁的數據分析，選取其中幾項數據展開研究，得出樁端阻力在頂荷載比例數據見表3。

表3 頂荷載比例分析

經過對兩組試驗樁體的結果分析，了解到不同尺寸樁體的差異，發(fā)現其軸力會因為入土深度的增大而減小。如果樁體結構受到的豎向荷載比較小，樁周土會逐步分擔上部荷載，導致樁端部位幾乎不會受到任何軸力的作用，即樁端軸力為零。在這種情況下，樁身與樁周土在彈性變化狀態(tài)中，軸力隨著深度的增大而呈現出線性遞減的趨勢。在樁端荷載持續(xù)增加的情況下，樁端阻力也會升高，而變化會有滯后性，并不能立即做出反映。Sb1 樁的樁端阻力在總荷載中所占比例相對較多，在該樁體的施工中，成孔環(huán)節(jié)泥漿護壁厚度過大，造成孔壁上存在不容易滑動的物質，所以樁端阻力占比增加，并且隨著泥皮厚度的增大而變化速度減慢，從表3的數據也能得出這一結論[4]。

3.3 確定有效樁長

經過對以上的研究結論進行分析，發(fā)現在樁體投入使用后，減小樁土產生位移的狀態(tài)，在上部荷載向下傳輸的過程中，樁側阻力的增加也會隨著深度而不斷變化，表現出線性變化的趨勢。從鉆孔灌注樁的運行效果方面展開分析，樁基礎結構在承載力方面直接受到尺寸的影響，如果只是增加樁體長度，也不能完全提升單樁的承載力性能。因此，要選擇合適的樁體長度，以更好地發(fā)揮出鉆孔灌注樁的樁側以及樁端阻力，使得樁體結構的承載性能符合要求，還能夠達到經濟性的要求，實現綜合效益的提升。受到豎向荷載持續(xù)性作用，樁基礎會存在樁土壓縮以及相對位移兩種沉降反應。在傳輸豎向荷載的過程中，單樁極限承載力在達到了某個規(guī)定的參數值后，就不會再增加，此時樁體長度就被定義為有效樁長。在鉆孔灌注樁施工中，達到了某個深度尺寸后，樁體長度即使再增加，其承載力也不會有大幅度的提升，并且隨著樁體長度的不斷增加而出現了樁側阻力減小的變化趨勢，且樁側阻力在某個長度尺寸之下與零非常接近，這時確定有效樁長。

樁基的長度設計達到有效樁長的情況下，樁身即使發(fā)生變形的情況下，也不會因為樁體的長度增加而減小。在目前我國的橋梁項目的設計中，為了使得樁體結構達到規(guī)定的強度、剛度性能的標準，必須保證樁長符合要求，才能達到橋梁運行的安全性要求。樁側與樁端阻力是客觀存在的，同時也是設計樁體長度的重要考慮因素。樁側阻力會在樁體長度增加的情況下不斷提升，而樁端阻力不會直接影響承載力，主要是受到樁側阻力的影響。如果曲線表現出變化趨勢平緩的狀態(tài)，其極限承載力就是基本穩(wěn)定的條件，表示曲線在變化點體現出來的有效樁長。由于在計算有效樁長的階段中，可以選用的計算方法比較多，且不同類型的方法獲取的計算參數存在不同計算結果。當前，在設計過程中，承載力與沉降作為計算基礎，進行有效樁長的確定。通過觀察靜荷載試驗分析可了解到，單樁阻力與樁長的關系以二次曲線方式體現，故而針對不同需求的工程項目，樁側阻力的分布在一定范圍內也會受到這種因素的影響出現計算值波動，故而，需要考慮這方面體現出來的差異性[5]。

4 結語

經過試驗結論分析發(fā)現，兩組樁體的承載性能都能滿足要求，利用沉降量來控制極限承載力，而對于樁端阻力來說，如果上部的荷載作用趨近于零，那么樁側阻力就是樁體承載性能的根本。在上部荷載逐步增加的情況下，樁端阻力也會表現出上升的變化趨勢，以達到結構性能的穩(wěn)定標準。同時對于Sb1 樁側阻力占比較高的因素分析，發(fā)現樁側存在厚度較大的泥皮是重要原因，讓樁側土性質變化，極限摩阻力不斷減小。此外，分析單樁承載力與樁長之間存在的關系，經過合理的計算分析以確定有效樁長數據，從而達到樁體長度設計最優(yōu)化的效果，不僅滿足橋梁工程的運行需要，同時還能降低項目建設成本，實現綜合效益的提升。