公路橋梁樁基設計問題初探

史梁

（黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080）

橋梁上部結構荷載通常較大，后期質(zhì)量穩(wěn)定、承載能力高的鉆孔灌注樁往往成為絕大多數(shù)橋梁工程首選的基礎形式。橋梁樁基的設計是否得當，對工程造價、質(zhì)量、工期及使用影響很大。筆者結合工作實踐，就樁基設計中的一些問題進行初步探討。

1 正確區(qū)分端承樁和摩擦樁等樁基類型

通常認為，凡嵌巖樁必為端承樁，凡端承樁均不考慮土層側阻力。實際上，大量現(xiàn)場結果表明：樁側阻力、端阻力的發(fā)揮性狀與上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質(zhì)和嵌巖深徑比、樁底沉渣厚度等因素有關。

一般情況下，上覆土層的側阻力是可以發(fā)揮的，而且隨著長徑比l/d的增大，側阻力也相應增大；只有短粗的人工挖孔嵌巖樁，端阻力先于土層側阻力發(fā)揮，端阻力對樁的承載力起主要作用，屬端承樁。對l/d>15－20的泥漿護壁鉆(沖)孔嵌巖樁，無論是嵌入風化巖還是完整基巖中，樁側阻力均先于端阻力發(fā)揮，表現(xiàn)出明顯的摩擦型。對于l/d≥40，且覆蓋土層不屬于軟弱土，嵌巖樁端的承載作用較小，此時樁基受力狀態(tài)為摩擦樁，樁端嵌入強風化或中風化巖層中即可。在某些地區(qū)，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁l/d>45時，嵌巖段總阻力占總荷載比例小于20%；l/d>60時，嵌巖段端阻力占總荷載比例小于5%。究其原因，一方面由于嵌巖樁樁身的彈性壓縮，導致樁頂沉降，這個彈性壓縮量引發(fā)了樁周土體的剪應力，也即是土對樁的摩阻力。另一方面，鉆孔樁的孔底殘留的沉渣，形成一個可壓縮的軟墊，至使樁底也會產(chǎn)生沉降，這一沉降和上述樁本身的壓縮導致樁身與土體、嵌巖段樁身與巖體產(chǎn)生相對位移，從而產(chǎn)生側阻力。而這種樁身彈性壓縮和樁底沉降是隨著長徑比l/d的增大而增大的，因而導致摩擦力和側阻力的增大。

同時，傳遞到樁端的應力也隨嵌巖深徑比hr/d的增大而減小。當hr/d>5時傳遞到樁端的應力接近于零；但對泥質(zhì)軟巖嵌巖樁，hr/d=5－7時，樁端阻力仍可占總荷載的5%～16%。

由此可見，端承樁和摩擦樁的區(qū)分，不能單純從是否嵌巖來區(qū)分，要考慮上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質(zhì)、嵌巖深徑比和樁底沉渣厚度等因素。

2 科學計算樁基承載力

樁基承載力的計算是橋梁設計的重要內(nèi)容。關于承載力的計算公司，《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTJ024-85)給出了明確的規(guī)定：支承在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆 (挖)樁，其單樁軸向受壓容許承載力［Р］，可按下式計算：

Ra-天然濕度的巖石單軸極限抗壓強度

h-樁嵌入基巖深度，不包括風化層

U-樁嵌入基巖部分的橫截面周長，按設計直徑計算

A-樁底截面面積

c1、c2-根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素確定的系數(shù)

公式表明：嵌巖樁的單樁軸向受壓容許承載力［Р］，僅取決于樁底處巖石的強度和嵌入基巖的深度，以及清孔情況、巖石破碎程度等因素。根據(jù)規(guī)范描述，通常認為只要是嵌巖樁，就是端承樁，就適用于這個公式。實際上，只有在嵌巖樁在清孔絕對干凈，樁底處于理想支撐，樁底巖石完整且強度很高時，樁的豎向位移很微小，樁基才表現(xiàn)為典型的端承樁，公式的使用是無可爭議的。實際工程中，只有當樁基長徑比較小，土層側阻力占比例不大時，樁基主要表現(xiàn)為端承樁的特征，公式才可使用。

公式中對“h”的要求是“樁嵌入基巖的深度，不包括風化層”。通常的理解是樁必須嵌入新鮮基巖，而不論其上面風化巖層的強度如何。有的強風化硬質(zhì)巖(如花崗巖)，其極限強度往往大于極軟巖新鮮巖的強度。說明一般硬質(zhì)巖的微弱風化層、甚至強風化層的強度都相當高，不考慮這些層次的嵌巖深度，一律要求嵌入新鮮基巖是不妥的。按照這個原則，在風化層很厚的情況下，樁基嵌巖很深。在設計上，必然導致計算承載力［Р］遠小于實際極限承載能力Р；在施工上，則會導致工程量的增大，工期的延長。

工程試驗證明，當巖面較平整，樁的嵌巖深度h>2d時，樁側嵌固力約占總荷載50%以上。隨著嵌固深度增加，承載力也隨之增大。但嵌固深度h>3d時，承載力增長不大。公式中沒有對h規(guī)定限值，也沒有隨h值增大而設定相關的折減系數(shù)。因此，在樁基設計實踐中，當樁基承載力需要通過較大的嵌巖深度來提高時，不妨考慮加大樁徑。

3 準確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度

橋梁工程樁基設計中，經(jīng)常會遇到兩軟弱巖層之間穿越強度很高的一定厚度的巖層(夾層)，或者有些地區(qū)溶洞比較發(fā)育。如果這種夾層厚度不夠承載厚度要求，鉆孔樁就需要穿越夾層，以達到持力層，這對施工機械和施工進度都是極大的考驗。

對樁底基巖厚度的確定，主要有三個條件：(1)不考慮樁身周圍覆蓋土層側阻力，嵌巖灌注樁周邊嵌入完整和較完整的未風化、微風化、中風化硬質(zhì)巖體的最小深度，按構造要求0.5m；(2)要求樁底以下3倍樁徑范圍內(nèi)無軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布；(3)在樁端應力擴散范圍內(nèi)無巖體臨空面。對于一般夾層，只要滿足前兩個條件即可作為持力層。對巖溶地區(qū)樁基，由于巖體形狀奇特多變，巖溶洞隙的分布毫無規(guī)律，現(xiàn)有勘探手段難以事先查明它的準確位置及大小，導致工期延長、工程費用增加?；谟嬎闼璧倪吔鐥l件十分復雜，而巖溶地基比一般巖石地基影響因素更多，以前通常要求樁端下有4m、5m或5倍樁徑持力層厚度，對于不同樁徑、不同的單樁承載力，如果同樣要求基樁端面以下有5m完整基巖，兩者的可靠度是不盡相同的。為使樁基設計經(jīng)濟合理，應根據(jù)經(jīng)驗值和試算數(shù)值相結合的方法來確定嵌巖深度及樁端持力層厚度。

4 采取合理的樁基配筋布置

基樁各截面的配筋，理論上應根據(jù)樁基內(nèi)力進行計算布置。樁基內(nèi)力可采用m“法或其他有可靠依據(jù)的方法計算。按m”法計算樁基時，樁身彎矩有四個特點。(1)彎矩分布規(guī)律近于一條自頂向下衰減的波形曲線，且衰減很快；(2)樁身最大彎矩發(fā)生在第一個非完整波形內(nèi)，一般在地面以下約3m位置；(3)樁身彎矩在第一個彎矩零點以下很小，可以忽略不計，其下樁身主要起傳遞豎向力作用；(4)第一個彎矩零點位置在樁入土深度h=4/αh處。

在設計中通常有兩種鋼筋布置方式。一種是根據(jù)最大彎矩處進行配筋。從樁頂一直伸到最大彎矩一半處下一定錨固長位置，減少一半配筋再一直伸至彎矩為零下一定錨固長位置，再下為素混凝土段，對于軟基，樁主筋最好穿過軟土層。另一種是將基樁主筋一半部分一直伸到樁底。從樁體受力和節(jié)省工程費用以及發(fā)生事故處理的難度來看，前一種更合理。這是因為：由于樁基較長一段不設鋼筋，比后者節(jié)省了部分鋼筋；底部斷樁時，鋼筋籠拔出后，可原孔再鉆，減少扁擔樁發(fā)生機率。但是，第二種配筋方式可以減小施工難度，樁基灌注混凝土時，鋼筋籠的定位是十分重要的，鋼筋布置到樁底，易于固定鋼筋籠。

[1]GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]黃求順.嵌巖樁承載力的試驗研究[A].全國建筑樁基技術規(guī)范專題報告，2004.

[3]黃良正.關于橋梁嵌巖樁設計的探討[J].公路科技雜志，2003，(1).