關于公路橋梁嵌巖樁基的設計研究

謝瑋

【摘 要】隨著社會的發(fā)展與進步，重視公路橋梁嵌巖樁基設計對于現(xiàn)實生活中具有重要的意義。本文主要介紹公路橋梁嵌巖樁基設計的有關內容。

【關鍵詞】公路橋梁；嵌巖樁；樁基；計算；設計

引言

在公路橋梁的正常運行時，公路橋梁上部結構的荷載一般都較大，所以要求設計嵌巖樁基應具有較高的性能，所以承載能力高、質量穩(wěn)定的鉆孔灌注樁是絕大多數(shù)橋梁工程首選的基礎形式。設計的橋梁樁基是否適當，對工程質量、造價、工期及使用都有很大的影響。

一、嵌巖樁的定義

又稱嵌巖墩。樁的下段有一定長度澆筑于巖體中的鉆孔灌注樁。樁端嵌入巖體中的樁稱為嵌巖樁。不論巖體的風化程度如何只要樁端嵌入巖體中均可稱為嵌巖樁，嵌入不同特性的巖體中的嵌巖樁其特性的差異是由巖體特性的差異所引起的。巖石為顆粒間連接牢固、呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。巖石的風化程度分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化5個等級。國外認為：只要樁端嵌入巖體中，不論巖體的風化程度如何、堅硬性如何，都稱為嵌巖樁。樁端支承于中等風化程度以上巖層的樁就可稱其為嵌巖樁，不包括嵌入全風化、強風化巖情況。嵌巖樁作業(yè)，身底端有一定長度嵌入基巖體的一種基礎樁類型。其目的是使樁身與基巖結為一體，以提高樁的穩(wěn)固性與承載能力。嵌巖樁一般要求穿過土層和風化層嵌入到微風化或完整基巖中15～2倍。嵌巖樁巖段鉆孔通常用大直徑組合式牙輪鉆頭或滾刀鉆頭施工，亦可用大直徑空氣潛空錘或組合式潛孔錘施工。

二、嵌巖樁基的單樁承載能力的計算

樁基承載力的計算是橋梁設計的重要部分?！豆窐蚝A與地基設計規(guī)范》（JTGD63—2007）中明確的規(guī)定：支承在嵌入基巖內或基巖上的挖（鉆）樁，其單樁軸向的受壓容許承載力lRa]，可按如的下式計算：

Ra表示單樁軸向受壓承載力容許值；C、C2i表示根據巖石破碎程度、清孔情況等因素確定的系數(shù)；Ap表示樁底截面面積；s表示覆蓋層土的側阻力發(fā)揮系數(shù)：hj表示樁嵌入基巖深度；q表示樁側第i層土的側阻力標準值；Li表示各土層的厚度；u表示樁嵌入基巖部分的橫截面周長，按照設計的直徑計算：C表示單軸抗壓強度和樁端巖石飽標準值；上述公式表明：Ra只跟嵌入基巖的深度和樁底處巖石的強度，以及巖石破碎程度、清孔情況等因素有關。依據規(guī)范所描述，通常大家會認為只要是嵌巖樁跟端承樁是一樣的，也適用于這個公式。而實際上不是，只有在嵌巖樁的清孔為絕對干凈，樁底只有支撐作用，樁底強度很高且?guī)r石完整時，樁幾乎沒有豎向位移，樁基才能算是端承樁，公式也才能使用。在實際的工程中，只有在土層側阻力所占的比例較小，當樁基長徑比不大時，樁基大致表現(xiàn)出端承樁的特征，公式才可以使用。公式中所提到的“h”是指“樁嵌入基巖的深度，但不包括風化層”。一般都認為是樁必須嵌入新鮮基巖，而不管其上面風化巖層的強度怎么樣。因為有的強風化硬質巖層（如花崗巖），它們的極限強度則會大于極軟巖新鮮巖的強度。這說明一般硬質巖的強風化層或微弱風化層的強度都相對較高，如不考慮這些層次的嵌巖深度，只是一味的要求嵌入新鮮基巖是不行的。根據這個原則，如果風化層很厚，樁基嵌巖則會很深。所以在設計上，這會致使計算的承載力Ra遠小于實際的極限承載能力Ra；在工程施工上，這會增大工程量，延長工期。工程試驗表面，當巖面比較平整時，樁的嵌巖深度h>2d時，樁側嵌固力約占總荷載5O%以上。承載力會隨著嵌固深度增加而增大，但嵌固的深度h>3d時，承載力增長比較小。所以，在進行樁基設計實踐時，如提高樁基承載力必須要通過較大的嵌巖來現(xiàn)實時，可以考慮加大樁徑。

三、公路橋梁嵌巖樁基礎設計應注意的問題

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和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質和嵌巖深徑比、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生相對位移，從而產生側阻力。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和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質、嵌巖深徑比和樁底沉渣厚度等因素。

2.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倍樁徑范圍內無軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布；（3）在樁端應力擴散范圍內無巖體臨空面。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。為使樁基設計經濟合理，應根據經驗值和試算數(shù)值相結合的方法來確定嵌巖深度及樁端持力層厚度。

3.嵌巖樁基配筋的進行布置

我們在設計時通常有兩種鋼筋的布置方式，即最大彎矩處進行配筋和將基樁主筋一半部分延伸到樁低處。最大彎矩處進行配筋是從樁頂直延伸到最大彎矩的一半以下的錨固長位置處，減少二分之一配筋再一直延伸至彎矩為零以下的錨固長位置處，再往下就是素混凝土段。而在基樁主筋一半部分一直伸到樁底配筋，從節(jié)省工程費用和樁體受力及發(fā)生事故處理的概率來看，最大彎矩處進行配筋種更加合理。但在將基樁主筋一半部分延伸到樁低處配筋可以減小施工的難度，樁基在灌注混凝土時，鋼筋籠的定位就顯得尤為重要，將鋼筋布置到樁底，對固定鋼筋籠來說就會容易些。

結束語

嵌巖樁具有承載力高，抗震性能好，樁基沉降小，群樁效應弱等優(yōu)點，在橋梁工程等方面得到大量使用。在公路橋梁建設中，樁基嵌巖樁已成為采用較為廣泛的基礎形式，由于基樁嵌入巖層中，單樁軸向容許承載力決定于樁基底處巖石的強度和嵌入巖層的深度，基樁的外力全部傳至樁底巖層。因而研究公路橋梁嵌巖樁基礎設計探討，了解公路橋梁嵌巖樁承載力計算公式，對我們日后研究具有重要的意義。

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