橋梁樁基設計分析

鐘悅鵬

（江西省贛南公路勘察設計院有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

橋梁樁基作為系統(tǒng)性的工作，在設計階段，設計人員需要了解樁基設計的原則，通過更新設計理念、優(yōu)化設計方案，提升橋梁樁基的設計效果，從而為橋梁工程建設奠定基礎(chǔ)。

1 正確區(qū)分樁基類型

對橋梁工程設計展開全面分析，研究目前橋梁設計的標準與要求，發(fā)現(xiàn)端承樁的施工阻力與土層阻力存在直接的關(guān)系，所以在端承樁的設計環(huán)節(jié)，應充分分析受壓、樁側(cè)阻力、端阻力等。只有對每項因素都充分考慮分析，才能保證工程質(zhì)量合格。比如，上覆土層受厚度與土質(zhì)條件的影響，其所存在的阻力對端承樁產(chǎn)生影響，所以要綜合分析樁長徑比、樁底沉渣厚度等參數(shù)。因為嵌巖樁也是端承樁的一種，在應用時，應綜合分析嵌巖樁嵌入基巖性質(zhì)以及嵌巖深徑比參數(shù)。上覆土層的側(cè)壓力會因為長徑比L/d 的變化而變化。長徑比越大，則側(cè)壓力越大，反之則會減小。如果在施工中，因為嵌巖樁承載力較小的情況下，存在摩擦樁的情況，樁端嵌入強風化或者中風化巖層時，應達到長徑比L/d≥40 與硬土層條件。在現(xiàn)場施工中，地理位置有著很大的差別，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注施工作業(yè)時間有差異，嵌巖結(jié)構(gòu)部分的阻力也會發(fā)生變化。比如，嵌巖段阻力是總荷載的20%以內(nèi)時，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁L/d＞45 時會出現(xiàn)。嵌巖段端阻力占總荷載5% 以內(nèi)時，軟巖嵌巖灌注樁L/d＞60。發(fā)生這種情況的原因如下：其一，樁頂由于嵌巖樁樁身的彈性壓縮而發(fā)生沉降反應，所以嵌巖樁出現(xiàn)了彈性壓縮變化，壓縮量會造成土體存在阻力性作用；其二，鉆孔樁底部有較多的沉渣，進而出現(xiàn)了沉降的問題，導致樁體與巖石、嵌巖樁存在錯位的情況，從而導致側(cè)阻力的發(fā)生。

從工程實際情況分析發(fā)現(xiàn)，傳遞到樁端的應力與嵌巖深徑比hr/d 相關(guān)：hr/d 增大時，樁端的應力減??；hr/d 減小時，樁端的應力增大。對于端承樁與摩擦樁的區(qū)分來說，主要是根據(jù)樁長徑比、沉降反應所形成的特點，還有上覆土層厚度、泥土厚度等參數(shù)，經(jīng)過綜合分析才能做出判斷，以達到精確性標準。

2 樁基的作用

2.1 緩解上部結(jié)構(gòu)沉降

在橋梁工程施工中，樁基是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分，對整個橋梁項目運行的安全性產(chǎn)生直接影響。為了提升橋梁的整體性能，首先應確保剛性性能合格。只有樁基剛度的性能合格，才能滿足橋梁承載性的要求，可以承載上部荷載，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)不均勻沉降的問題。

2.2 降低橋梁工程建設成本

在橋梁工程建設環(huán)節(jié)，很多橋梁地質(zhì)條件比較復雜，如橋梁工程的地下水位偏高，在建設時會增加建設成本。但是采用樁基作為橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠有效地提升工程的建設質(zhì)量，同時還能達到資源合理配置的要求，減少項目建設成本的投入。

2.3 有效抵御自然災害的破壞

樁基是橋梁的具體承載結(jié)構(gòu)部分，屬于比較特殊的部位，對于性能和質(zhì)量的要求很高。同時，基礎(chǔ)也受到自然災害的破壞和影響，應采取措施規(guī)避自然災害影響，提高橋梁運行的安全性。

3 橋梁工程樁基的設計

3.1 樁基選型及間距

現(xiàn)代工程技術(shù)不斷發(fā)展，樁基礎(chǔ)形式日益增多，不同等級、地理條件的橋梁項目，所選擇的樁基礎(chǔ)形式也有很大的差異。對于橋梁結(jié)構(gòu)來說，樁基是主要的承載結(jié)構(gòu)，承受橋梁的自重、車輛荷載的持續(xù)作用，所以必須加強橋梁樁基礎(chǔ)的質(zhì)量監(jiān)督和控制。目前來說，樁基礎(chǔ)主要包含端承樁與摩擦樁兩種。端承樁設置在深層次的土壤中，多數(shù)都是插入硬質(zhì)基巖，通過基巖的強度提升基礎(chǔ)的承載力，滿足樁基礎(chǔ)運行效果的要求。在端承樁樁體施工后，并不會產(chǎn)生較大的位移或者摩擦，總體穩(wěn)定性良好。

摩擦樁目前廣泛應用在土層厚度較大、樁體長度難以滿足的硬質(zhì)土類地區(qū)，通過分析研究摩擦樁的承載性能可以發(fā)現(xiàn)，其荷載主要是通過樁身與樁周的土層摩擦來承載，樁端土體與基巖反力對比來說，相對較低。

在施工環(huán)節(jié)，如果樁基底部插入持力層，且長徑比設定為15%～20%，樁側(cè)阻力優(yōu)先端阻力發(fā)揮作用；長徑比在40%以上且表面無弱土體，因為樁端插入中風化巖層，所以端承樁的承載性能相對較低。除此之外，在橋梁的樁基礎(chǔ)的設計環(huán)節(jié)，還必須綜合分析樁基礎(chǔ)的設定間距，如果過大或者過小，都會導致工程的質(zhì)量難以滿足要求。

3.2 樁基承載力計算

通過樁基承載力方面的計算分析，支承在基巖上或者基巖內(nèi)的樁體結(jié)構(gòu)，其單樁軸向受壓容許承載力[P]的計算方式：

式（1）中：R為天然濕度的巖石單軸極限抗壓強度；h為樁嵌入基巖深度，不包括風化層；U 為樁嵌入基巖部分的橫截面周長，按設計直徑計算；A 為樁底截面面積；c、c為根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素確定的系數(shù)。

分析公式（1），嵌巖樁單樁軸向受壓容許承載力[P]的大小，受到巖石強度、嵌入深度、橫截面面積的影響，同時也受到巖石破碎度的影響。所以運用這一公式計算時，應將樁體清孔干凈，巖石抗壓強度合格且不存在碎石，樁長徑比與上覆土層側(cè)阻力的比例較小，從而確定為端承樁的結(jié)構(gòu)形式。

分析公式（1），其中的h 為嵌巖深度，分析時不需要考慮風化層的條件，樁體嵌入新鮮的基巖，不管風化層的強度如何。但是這種條件下，并未綜合分析硬質(zhì)巖與軟質(zhì)新鮮基巖的強度差異。在穿越強風化巖體的情況下，其強度高于新鮮巖體強度，就不需要插入新鮮巖體。但是樁體強度無法達到設計預期的標準，承載性能也不能達到要求，從而導致資源浪費。

分析公式（1），并未規(guī)定h 的參數(shù)設定范圍，也沒有任何參數(shù)會因為h 變化而變化，但是承載力會因為h 參數(shù)值的改變而發(fā)生變化。如果h＞2d，承載性能會隨著h 加大而增大，此時的樁側(cè)固力值超出總荷載的50%；如果h＞3d，承載力增加不明顯。在這樣的情況下，增加樁徑的方式可以增大承載性能。

3.3 樁基負摩阻力

3.3.1 樁基負摩阻力的形成

在樁長計算中，如果摩擦力是以正摩擦力的形式存在，在樁體沉降值超過周邊土體沉降的條件下，土體向樁體周邊產(chǎn)生摩阻力的影響。由于樁側(cè)摩擦力方向會直接受到樁體、周圍土體相對位移量的干擾和影響，特別是針對軟土地基的結(jié)構(gòu)來說，填土重量、車輛荷載等方面都會產(chǎn)生變化，只要沉降量超出規(guī)定要求，周邊土體會對樁基向下摩阻力轉(zhuǎn)化為樁基的負摩阻力。因此，在樁基的方案設計環(huán)節(jié)，應重點分析負摩阻力的影響，并實現(xiàn)優(yōu)化設計，提高結(jié)構(gòu)的運行性能和效果。

3.3.2 樁基負摩阻力的分布和計算

在橋梁項目施工建設的環(huán)節(jié)，樁基負摩阻力存在于多個位置上，但是并不是全部的負摩阻力都存在于軟弱基層結(jié)構(gòu)內(nèi)。在樁基結(jié)構(gòu)周邊的土體壓縮沉降反應影響下，樁身正摩阻力會從上到下呈現(xiàn)出減小的趨勢，負摩阻力首先出現(xiàn)在樁頂位置上，由于土體存在持續(xù)性的沉降、變形等問題，就會造成樁周的負摩阻力快速下降。在這種發(fā)展趨勢下，正、負摩阻力抵消的位置就是中性點，這一點上的側(cè)摩阻力是零。在中性點以上的部位，因為土層沉降量超過樁基結(jié)構(gòu)，所以在中性點上部就是負摩阻區(qū)，而下部則是正摩阻區(qū)。中性點部位上的受力條件是受多種因素影響的，如樁基底部的基層硬度、樁周力學特性、樁體直徑、地下水分布等。從工程實際經(jīng)驗出發(fā)，中性點部位上的取值按表1。

表1 中性點深度取值

樁基持力層中性點深度/m黏土0.5～0.6中密以上砂土0.7～0.8卵砂石土0.9基巖1.0

3.4 嵌巖深度

樁基結(jié)構(gòu)的設計中，負荷是重要的參數(shù)和指標，其主要影響嵌固深度，要從水平荷載、豎向荷載考慮分析。橋梁的豎向荷載主要包含自重、活載等，如在橋梁項目的施工中，基巖單軸抗壓強度超過15MPa，豎向負荷設計則沒有限制條件。因此，在設計中應確保嵌固深度符合要求并落實水平荷載的分析與研究。

3.4.1 樁基較長，覆蓋層較厚

在橋梁樁基礎(chǔ)施工中基巖結(jié)構(gòu)厚度比較大，特征較為明顯。在這種情況下，樁基彎矩的主要優(yōu)勢就是可以直接插入覆蓋土層結(jié)構(gòu)，而其他的絕大部分彎矩研究剪力都是覆蓋土承載的。由此可見，在樁基建設完成后，樁基對于基底嵌固樁不會產(chǎn)生過大的握裹作用力。基于此，在橋梁樁基的設計中，如果長度較長，覆蓋層的厚度比較大，應綜合分析覆蓋層的厚度、土層性質(zhì)、樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等因素，綜合考慮多個要素，最終確定嵌巖樁深度為0.5～1.5m。

3.4.2 樁基較短，無覆蓋層

如果樁基施工中，其覆蓋層的厚度較小、淺基巖的埋設深度比較大，這就可以確定按照剛性樁進行設計，所以在樁基水平荷載計算中，應根據(jù)嵌巖深度確定。在嵌巖深度確定時，需按照公式（2）計算：

式（2）中：

h

為嵌巖樁的嵌巖深度（m）；

M

為基巖頂面彎矩（kN·m）；

β

為系數(shù)，為0.5～1；

R

為基巖單軸抗壓強度（kPa）；

D

為鉆孔樁設計樁徑（m）。

4 橋梁樁基設計時需注意的問題

4.1 實地勘察地質(zhì)狀況

橋梁工程項目中，樁基是重要的組成結(jié)構(gòu)，承載上部橋梁結(jié)構(gòu)。不同橋梁項目有很大的差異，施工條件、地質(zhì)因素、結(jié)構(gòu)組成等都不同。在樁基設計開始前，必須進入現(xiàn)場進行全面勘查，了解實際情況后才能確定最佳設計方案。設計人員對現(xiàn)場情況展開全面勘察，獲取足夠的現(xiàn)場資料，確保方案設計符合要求。

4.2 橋梁樁基的基本性能合格

橋梁樁基設計達到合理性要求后，才能提升橋梁樁基承載性能，符合橋梁運行安全性、穩(wěn)定性的標準?；诖?，在橋梁樁基設計中，了解各方面要素，分析影響因素，并結(jié)合具體情況選擇最佳的樁型、結(jié)構(gòu)形式、樁徑、樁長、樁距等參數(shù)，達到合理性的要求。在樁基設計中，承載力、基礎(chǔ)應力、樁帽形式等都是影響樁基性能的關(guān)鍵，所以設計人員應綜合分析各個方面的要素，確定最佳的樁基設計方案，提高結(jié)構(gòu)的承載性能，載荷傳輸能力也會得到提升。除了上述參數(shù)外，橋梁樁基的抗彎性能也是重要的技術(shù)指標，是設計人員不能忽視的因素。

4.3 選擇正確的樁形及布局

目前我國的樁基礎(chǔ)形式比較多樣化，預制柱、鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、沉管灌注樁等都得到比較普遍的應用。設計人員應綜合各方面的要素，選擇合適的樁基設計形式，確保布局設計達到科學性、合理性的要求。綜合分析現(xiàn)場需要，了解現(xiàn)場條件，進行上、下荷載試驗分析，才能確定合理的樁基形式，使樁基布局合理，達到橋梁運行標準。

4.4 采取合理的樁基配筋布置

以樁基內(nèi)力計算樁基配筋，應達到合理性要求。在樁基內(nèi)力計算確定中，應用m 法求解，樁身彎矩具備如下特點：其一，彎矩分布變化呈現(xiàn)出曲線形式，從頂向下逐步開始衰減，并且衰減的速度非?？?；其二，地面下3m 內(nèi)是樁身最大彎矩的出現(xiàn)位置；其三，樁身彎矩的第一個彎矩值以下的樁身主要的作用是傳輸豎向力，這一彎矩因為彎矩值近似為零，所以不需要考慮；其四，樁基深度h=4/ah 時，為第一個樁身彎矩的位置。在設計環(huán)節(jié)，通常選擇如下兩種配筋布置形式：其一，配筋設計的位置就是最大彎矩的位置。首先，應確定特定的錨固長位置，按照兩個過程分析，第一個在地面樁頂?shù)阶畲髲澗刂g距離的一半，第二個配筋減半后下到零下彎矩的位置。在固定好一個位置后，開始確定具體的素混凝土施工部位。這一方式能有效地降低工程項目的成本，保證樁基結(jié)構(gòu)承載性能達到要求，如果存在事故問題，也可以簡單處理，樁體性能提升明顯。其二，將一半樁基主筋深入樁底為止。該方式施工作業(yè)難度小，鋼筋籠下入方便，固定效果明顯。

4.5 準確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度

在橋梁樁基施工中，強度以及厚度都比較大的基巖周邊，分布著軟弱巖層，存在“兩軟夾一硬”的情況。在有些情況下，中間被夾的巖層強度性能無法滿足要求，對承載性能要求較高，導致鉆孔樁在進入持力層之前，應先穿越中間的夾層。在確定樁底巖層厚度時，應從下述幾點出發(fā)：其一，嵌巖灌注樁的周邊部位嵌入的深度是完整的，同時強度性能也比較高，這種情況下嵌入深度為0.5m 即可滿足要求。其二，橋梁樁基位置確定的環(huán)節(jié)，不存在弱夾層、斷裂帶、洞隙等，一般按照3 倍樁徑設計深度。其三，巖體臨空面不會在樁端應力的擴散范圍內(nèi)，夾層設計為持力層的形式，通常來說，必須同時滿足上述兩個條件。對于現(xiàn)場比較特殊的情況下，如橋梁處于巖溶區(qū)域，地質(zhì)條件比較特殊，并不能準確地勘察地質(zhì)條件，持力層厚度、深度應根據(jù)需要現(xiàn)場測定。

5 結(jié)語

在橋梁樁基設計環(huán)節(jié)，相關(guān)計算數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)驗證內(nèi)容較多，一旦某個細節(jié)出現(xiàn)差錯就會導致最終的結(jié)果與實際情況不符。所以，設計人員在開展該項工作時要明確設計要求，掌握設計標準，按照既定的設計規(guī)范進行樁基設計，保證樁基設計方案具備合理性、科學性以及適用性，如此才能為橋梁工程建設奠定基礎(chǔ)。