橋梁樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

文 / 魏吉明

樁基設(shè)計(jì)直接決定著結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性與承載能力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)往往需要秉承嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際條件不斷優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員密切聯(lián)系工程的具體特點(diǎn)，不斷完善結(jié)構(gòu)的承載能力分析。但在我國目前的許多工程中，樁基設(shè)計(jì)受到各種各樣的因素影響常常容易出現(xiàn)問題。在這樣的背景下，未來橋梁的設(shè)計(jì)與施工就需要積極引入新理念與新技術(shù)，推動設(shè)計(jì)工作向著科學(xué)化、信息化的方向發(fā)展，改善樁基和設(shè)計(jì)的水平。

橋梁樁基的作用

緩解上部結(jié)構(gòu)沉降

樁基是橋梁工程的重要組成，構(gòu)成了結(jié)構(gòu)傳力的主要框架，為了保證橋梁工程整體滿足承載力要求，首先應(yīng)當(dāng)確保樁基具有足夠的剛度。只有樁基具有足夠剛度，才能夠有效傳導(dǎo)、承載上部結(jié)構(gòu)所受的荷載，并緩解由此帶來的沉降。所以，樁基能夠起到控制結(jié)構(gòu)變形、預(yù)防過大位移的作用，為橋梁發(fā)揮預(yù)期功能提供穩(wěn)定的條件。

此外，樁基與環(huán)境土體之間一般存在空隙，這就導(dǎo)致基礎(chǔ)、土體之間會產(chǎn)生摩擦作用，這也有助于分擔(dān)上部荷載，改善結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

降低建設(shè)成本

我國基礎(chǔ)工程建設(shè)得到了極大的促進(jìn)，橋梁工程的體量與數(shù)量也隨之發(fā)生著提升。在這樣的情況下往往不可避免地會遇到復(fù)雜地形地勢及地質(zhì)條件，譬如地下水位過高或需要水下作業(yè)時(shí)，可以將樁基當(dāng)做橋梁的基礎(chǔ)，這不僅有助于提升橋梁工程的施工質(zhì)量，同時(shí)還能夠合理配置生產(chǎn)資源，將建設(shè)成本控制在可接受的范圍內(nèi)。

抵御自然災(zāi)害

作為橋梁工程的特殊組成，樁基的力學(xué)表現(xiàn)往往比較突出，具有良好的抗拉能力且能夠很好地應(yīng)對自然災(zāi)害的沖擊，避免由于自然因素導(dǎo)致的各類耐久及安全問題。

橋梁工程樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

樁基選型及間距確定

隨著工程建設(shè)需求趨于多樣化發(fā)展，樁基的類型也越來越多，對于不同工程條件及要求下的橋梁工程建設(shè)，所應(yīng)用的樁基往往也存在較大的差異。樁基主要起到承擔(dān)上部荷載作用，為橋梁交通運(yùn)輸功能的實(shí)現(xiàn)建立良好的環(huán)境。

總的來看，根據(jù)荷載傳導(dǎo)方式的不同，樁基可大致分為端承樁及摩擦樁兩大類，其中端承樁一般需要伸入到土體較深的位置，且持力層以堅(jiān)硬穩(wěn)定的基巖為主，以此來形成穩(wěn)定、可靠的支撐力。在施工完成后，端承樁的位移及與土體的摩擦都比較小。而摩擦樁則主要應(yīng)用于土層比較厚的土體中，此外若樁基與硬質(zhì)土難以貼合時(shí)也可考慮采用摩擦樁設(shè)計(jì)。

對于摩擦樁而言，其上部荷載主要由樁身于土體之間的摩擦力來傳導(dǎo)，基巖作用在樁上的反力一般不高。端承樁、摩擦樁的承載能力與側(cè)阻力、阻力以及樁長徑比之間存在密切關(guān)系。在開展樁基施工時(shí)，若樁底伸入到持力層中且樁長徑比處于15-20的范圍內(nèi)，則樁側(cè)阻力要先于樁端阻力承擔(dān)上部荷載；而對于樁長徑比小于40且未被軟弱土體覆蓋的樁，樁端往往處于風(fēng)化程度較大的土體中，此時(shí)則樁端承載力處于較低水平。

除此之外，在開展樁基設(shè)計(jì)時(shí)，還需要對樁間距予以足夠重視，過大或過小的間距均會導(dǎo)致樁基承載能力不佳。

樁基承載力計(jì)算

承載力是樁基需要關(guān)注的首要指標(biāo)，也是保障工程穩(wěn)定的根本。在確定樁基承載力時(shí)，需要對結(jié)構(gòu)極限支撐能力做出精確計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)來確定施加在橋梁上的最大荷載水平。計(jì)算所需的主要公式如下：[P]=（c·A+c·U）R。其中，[P]為樁基的極限承載力，KPa；c、c均為樁基的穩(wěn)定系數(shù)；A為樁基下截面面積，m；U為樁基伸入到巖層中的底面周長，m；h為樁基扣除風(fēng)化層后伸入巖層的長度，m；R為樁基底巖石的最大抗壓強(qiáng)度，KPa。在確定樁基極限承載力時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵照上式完成計(jì)算，特別需要注意補(bǔ)充條件的選用，確保最終計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

樁基負(fù)摩阻力

1.負(fù)摩阻力的成因

在計(jì)算樁長時(shí)，所考慮的摩擦力均為正摩擦力，即指樁體沉降量大于附近土體沉降量時(shí)，樁身受到土體的向上作用。樁側(cè)摩阻力的作用方向可通過樁體及附近土體的相對沉降量來判斷，特別是在軟土中受到土體自重及上部荷載的影響往往會發(fā)生比較顯著的沉降現(xiàn)象，若其超出相應(yīng)的限值，則土體作用于樁身的摩阻力就將改變方向，構(gòu)成向下的負(fù)摩阻力。所以，在設(shè)計(jì)樁基時(shí)，應(yīng)當(dāng)對負(fù)摩阻力的影響予以充分考慮，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷優(yōu)化樁基的設(shè)計(jì)方案，減弱其不利影響。

2.負(fù)摩阻力的分布及計(jì)算

在實(shí)際的橋梁工程中，負(fù)摩阻力在樁身上可能產(chǎn)生的位置比較多，但值得注意的是負(fù)摩阻力不僅僅出現(xiàn)在軟弱土層中。受到樁基附近土體沉降的影響，正摩阻力沿樁身呈現(xiàn)出上大下小的分布，一般負(fù)摩阻力最早產(chǎn)生于樁頂處。在荷載長期作用下，土體沉降現(xiàn)象會持續(xù)增大，因此負(fù)摩阻力的分布也就不斷向下發(fā)展，由此形成上部負(fù)摩阻力、下部正摩阻力的分布。

在摩阻力值為零的位置即為中性點(diǎn)，正負(fù)摩阻力在該處相互抵消。在中性點(diǎn)位置以上的區(qū)域，土體沉降要高于樁體，因此樁身受到土體向下的作用，為負(fù)摩阻區(qū)；同樣地，在中性點(diǎn)之下的區(qū)域，土體沉降要小于樁體，因此樁身受到土體向上的作用，為正摩阻區(qū)。實(shí)踐表明，中性點(diǎn)的具體位置受到多重因素的影響，譬如土體性質(zhì)、水文地質(zhì)、樁徑樁長等，中性點(diǎn)深度的標(biāo)準(zhǔn)為：粘土?xí)r選用0.5～0.6m，中密以上砂土?xí)r選用0.7～0.8m，卵礫石土?xí)r選用0.9m，基巖時(shí)選用1m。

嵌巖深度

嵌固深度的確定需要重點(diǎn)考慮樁基荷載的水平，并綜合水平及豎向荷載兩個(gè)方面的影響。其中豎向荷載主要由結(jié)構(gòu)自重及活載組成，譬如在橋梁工程中若基巖的單軸抗壓強(qiáng)度高于15MPa，則在設(shè)計(jì)時(shí)可不過多考慮豎向荷載的影響，而將水平荷載分析作為重點(diǎn)，以確定最佳的嵌固深度。

1.樁基長，覆蓋層厚

若建設(shè)地存在土層厚度過大的基巖，則該樁基的彎矩最大區(qū)段可以認(rèn)為是出現(xiàn)在覆蓋土層內(nèi)，且由覆蓋土層負(fù)擔(dān)大部分的彎矩與剪力。這一力學(xué)特性也就導(dǎo)致樁基對于嵌固樁的握裹力比較有限。所以，若在設(shè)計(jì)時(shí)涉及到樁基長且覆蓋層厚的情況，則需要充分考慮樁基尺寸、土體厚度等的影響，并將嵌巖樁的深度控制在0.5—1.5m的范圍內(nèi)。

2.樁基短，無覆蓋層

若建設(shè)地的覆蓋層比較薄且基巖埋深比較淺，那么嵌巖樁即可被視為剛性樁，其所能承受的水平荷載主要根據(jù)嵌巖樁的埋置深度來確定，具體計(jì)算式為：h=（MH/0.066βRaD）。其中：h為嵌巖樁的埋置深度；M為基巖的頂面彎矩；β為計(jì)算系數(shù)；Ra為基巖的單軸抗壓強(qiáng)度；D為鉆孔樁的設(shè)計(jì)樁徑。

橋梁樁基設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的問題

實(shí)地地質(zhì)勘察

樁基對于橋梁工程整體功能的實(shí)現(xiàn)有著至關(guān)重要的影響，且在不同工程條件下所需考慮的影響因素也存在一定差異，因此在設(shè)計(jì)工作正式開始前應(yīng)當(dāng)實(shí)地對建設(shè)地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，并形成具體全面的勘察報(bào)告。特別地，對于施工過程中出現(xiàn)的各類地質(zhì)條件變化，也應(yīng)及時(shí)做出研判其影響，靈活調(diào)整設(shè)計(jì)方案，基于勘察數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)變更。實(shí)地勘察的內(nèi)容應(yīng)至少包括地形地勢變化、地層厚度、土體硬度等。

確保樁基基本性能的實(shí)現(xiàn)

只有確保樁基設(shè)計(jì)具有足夠的科學(xué)性與可行性，橋梁結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮出預(yù)期的承載能力，將結(jié)構(gòu)維持在穩(wěn)定可靠的狀態(tài)下。所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧的影響因素的比較復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)好不同因素之間的相互作用，選擇最佳的樁型、樁徑及樁長等參數(shù)。需要特別注意的是，樁基的承載能力及基底反力計(jì)算都是決定樁基性能的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)反復(fù)比選不同設(shè)計(jì)方案，綜合比對選擇最佳的方案，使得樁基能夠?qū)崿F(xiàn)良好的荷載傳遞能力，在橫向與豎向荷載的組合作用下保持原有的性能。除此之外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)當(dāng)保證樁基具備良好的抗彎能力。

選擇合適的樁型及分布

經(jīng)過長期的發(fā)展，樁基的類型已經(jīng)得到了充分的發(fā)展，譬如預(yù)制樁、沉管灌注樁等都已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)體系。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，樁基的類型及其分布都需要結(jié)合工程實(shí)際情況來選定，并考慮好現(xiàn)場作業(yè)條件、上下結(jié)構(gòu)性能等來進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

結(jié)語

我國交通運(yùn)輸正處于快速發(fā)展的階段，人們對于橋梁工程建設(shè)的要求也越來越高。樁基作為橋梁工程的重要組成部分，其設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)影響著橋梁項(xiàng)目整體的性能。所以這也就需要技術(shù)人員能夠明確樁基的基本作用，并能夠掌握樁基設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，能夠根據(jù)實(shí)際工程條件考慮承載能力、負(fù)摩阻力及嵌固深度等重要指標(biāo)。同時(shí)，設(shè)計(jì)工作也應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)樁基與上部結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)性與一致性。