橋梁樁基設(shè)計要點探討

劉莉靜

大連市市政設(shè)計研究院有限責任公司廈門分公司，福建 廈門 361000

1 設(shè)計背景

橋梁基礎(chǔ)是橋梁設(shè)計的重要內(nèi)容，鉆（挖）孔灌注樁基礎(chǔ)（以下簡稱“樁基礎(chǔ)”）是橋梁最常用、最主要的的基礎(chǔ)形式之一，本文主要針對鉆孔灌注樁基礎(chǔ)展開討論。

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，樁基設(shè)計是一項十分重要的內(nèi)容，橋梁樁基作為隱蔽工程，其設(shè)計是否合理，對橋梁安全及工程規(guī)模有著重大的影響，對橋梁施工和工程進度也有一定影響。因此，在樁基設(shè)計中堅持應(yīng)一定的原則，因地制宜、精心設(shè)計，切實加強設(shè)計要點的掌握，更好地控制橋梁樁基設(shè)計質(zhì)量。

橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計，需要根據(jù)橋位處的水文條件、現(xiàn)場地形地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)型式、施工要求等因素全面考慮，合理確定樁基礎(chǔ)的構(gòu)造和配筋。

在橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計中存在一些通病或常見問題，這些通病或問題影響到設(shè)計質(zhì)量，有的可能影響到橋梁安全、工程規(guī)模、施工及工程進度，影響到設(shè)計單位在業(yè)主心目中的形象，應(yīng)引起設(shè)計人員的重視和注意。

本文將結(jié)合實際工程項目對橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計中的一些通病或常見問題及處理措施進行總結(jié)。

2 橋梁樁基設(shè)計荷載的基本梳理

第一，樁基荷載作用方面，因為橋梁可以承受的荷載主要包含了永久荷載與可變荷載，但是在施工中，經(jīng)常受到諸多因素影響，也難以避免存在偶然荷載。而永久荷載源于橋梁樁基上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力與自重，其給橋梁也會帶來影響。而可變荷載主要是由于受到車輛制動、牽引而形成的作用力。而偶然荷載則是指由于自然災害而給樁基帶來的影響。因此，橋梁樁基承受的荷載較大，這就需要我們緊密結(jié)合實際來強化荷載處理。

第二，負摩擦力。若樁基周圍的地層出現(xiàn)了沉陷，就需要在地層樁體中出現(xiàn)向下滑動的位移，若此位移比樁基下沉的位移要大，那么樁側(cè)土就會給樁基帶來向下作用力，這個力就叫作負摩擦力，所以在計算時也應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)做好對負摩阻力的精確計算。

3 橋梁樁基的計算內(nèi)容

橋梁樁基礎(chǔ)計算主要內(nèi)容（僅介紹常見的摩擦樁及端承樁）

3.1 荷載分配

作用于承臺底或樁頂?shù)耐夂奢dP、H、M 用結(jié)構(gòu)位移法分配到各樁樁頭Pi、Hi、Mi，并給出承臺底中心（或樁頂）外荷載作用點處的水平位移、豎向位移和轉(zhuǎn)角。

3.2 承載力

樁基承載力是橋梁計算的重要組成部分。根據(jù)荷載分配進行單樁承載力驗算，計算出各樁的容許承載力［Ra］和實際最大承載力R。

橋梁樁基礎(chǔ)單樁承載力計算依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG3363-2019）進行［1］。

（1）摩擦樁：

單樁容許承載力計算公式：

對支撐在土層中的鉆（挖）孔灌注樁，其單樁軸向受壓承載力特征值Ra 可按下列公式計算：

（2）端承樁

單樁容許承載力計算公式：

對支撐在基巖上或者入基巖中的鉆（挖）孔樁、沉樁，其單樁軸向受壓承載力特征值Ra 可按下式計算：

（3）樁身強度計算

采用m 法計算樁身在垂直力Pi、水平力Hi 和彎矩Mi 作用下樁身內(nèi)力和位移，并對配筋進行驗算。

樁身強度計算模型：普遍采用的是將樁作為彈性地基上的梁，按文克爾假定（樁身任一點的土抗力和該點的位移成正比）的解法，簡稱彈性地基梁法。我國鐵路、公路、水利及房建等領(lǐng)域常用的“m”法、“K”法、“c”法等均屬于此種方法，公路橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計中一般常用“m”法。

（4）樁基礎(chǔ)穩(wěn)定計算

（5）樁基礎(chǔ)裂縫計算

按照橋涵規(guī)范（JTG3362-2018）有關(guān)章節(jié)進行［2］。

（6）樁基礎(chǔ)沉降驗算

（7）設(shè)計荷載

樁基礎(chǔ)設(shè)計荷載包括：上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載、下部結(jié)構(gòu)墩身、承臺自重以及船撞力、波浪力、風力、地震荷載等。

4 橋梁計算中經(jīng)常出現(xiàn)的問題

4.1 樁基承載力計算參數(shù)取用問題

4.1.1 摩擦樁：

（1）k2—地基土容許承載力隨深度的修正系數(shù)；k2應(yīng)根據(jù)樁端處持力層土類按表1 選用：

表1 地基土承載力寬度、深度修正系數(shù) k1、k2

樁基計算式，k2的取值是否得當對樁長的影響非常大。結(jié)合廈門新機場某項目，項目位于填海造地區(qū)，樁基采用摩擦樁設(shè)計，樁基持力層位于砂土狀強風化花崗巖，k2取值2.5 和4 時，樁基長度相差11m。所以合理取用參數(shù)k2值，對工程規(guī)模有著很大的影響。設(shè)計時應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘查報告，根據(jù)各巖層風華的相應(yīng)土類取值，合理取用參數(shù)。

（2）清底系數(shù)m0

m0與樁底沉淀土厚度和樁徑比值t0/d 有關(guān)，設(shè)計時根據(jù)樁底沉淀土厚度要求和樁徑比值t/d 按規(guī)范取用。

表2 清底系數(shù)m0

（3）樁尖以上土的容重γ2:

應(yīng)根據(jù)橋位處樁位實際情況，采用干容重還是浮容重。

（4）土層qik、qr 等參數(shù)取用出錯

一般地質(zhì)土層數(shù)較多，qik數(shù)據(jù)輸入時易出錯，加強核查，qr計算時應(yīng)注意土層類別，按照規(guī)范取值，粉砂不大于1000kPa,中細砂1150kPa，中砂、粗砂、砂礫1450kPa,碎石土2750kPa。

4.1.2 端承樁：

（1）樁底巖層不均勻有軟弱層情況，根據(jù)地質(zhì)報告采用，樁尖應(yīng)避開軟弱夾層，fr 按地質(zhì)鉆孔資料推薦值或低值采用。

（2）端承樁樁基持力層一般從中風化或微風化巖層巖面起算，并滿足一定的入巖深度。

（3）c1、c2—根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的參數(shù)，按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》P42 表6.3.7-1 取用；

表3 發(fā)揮系數(shù)c1、c2

d ＞1.5m 時，t ≤100mm；

3、對中風化層作為持力層的情況，c1、c2分別乘以 0.75的折減系數(shù)。

4.2 負摩阻力計算問題

對于地表附近一定深度范圍內(nèi)有軟弱土層（未經(jīng)地基處理）的橋臺或橋墩（旁邊有填土會引起地基沉降），樁基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)考慮負摩阻影響。

樁基計算時不考慮負摩阻力，可能導致樁基承載力不足，影響橋梁安全。負摩阻力深度可按0.77～0.80h（h-軟土層厚度）考慮。為簡化設(shè)計，一般保守地按軟土層范圍均按負摩阻考慮。

4.3 樁底巖層為軟巖時，樁基是按照摩擦樁設(shè)計還是端承樁設(shè)計的問題

設(shè)計時經(jīng)常遇到樁基持力層為軟巖的情況，比如中風化粉砂巖，中風化泥巖，這種情況下是按照端承樁設(shè)計還是摩擦樁設(shè)計，是很多設(shè)計人員很糾結(jié)的一個問題。其實對這個問題，規(guī)范里給出了明確的解答，主要參照frk值進行設(shè)計。

對于樁端巖石飽和單軸抗壓強度frk＜2MPa 時，樁基礎(chǔ)承載力按摩擦樁計算，樁基礎(chǔ)按摩擦樁設(shè)計。

4.4 樁身強度計算問題

樁身強度計算一般應(yīng)先計算樁頂豎直力、水平力和彎矩，然后進行樁身強度計算。尤其是水平力，一般應(yīng)根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)型式、聯(lián)長、支座型式、地震基本烈度等綜合考慮，進行必要的水平力計算。如常規(guī)橋梁，可采用集成剛度法計算水平力在各墩（臺）分配。通航河流水中橋墩應(yīng)進行船撞力驗算；強震區(qū)應(yīng)根據(jù)規(guī)范計算地震荷載，并采用地震荷載控制橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計等。設(shè)計人員樁基設(shè)計時不僅計算樁長，還要對樁身強度做出計算，并根據(jù)計算進行配筋設(shè)計［3］。

5 橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計主要問題及處理

問題1：樁長如何控制，控制多長合適？

措施1： 鉆（挖）孔灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計時樁長L 原則上按不超過40 倍樁徑即40d 控制，否則可考慮按增加樁的根數(shù)或樁徑處理。

問題2：樁頂標高取用不合理，具體表現(xiàn)：

（1）陸地橋墩樁頂埋入地面過深，增加土方開挖量和施工難度，或樁頂露出地面，影響美觀。

（2）水中墩橋墩樁頂置于河底或高出常水位太多。

措施2：合理確定樁頂標高。除去有特殊要求的橋梁（比如有泄洪或者通航需求的橋梁）需要將承臺置于一般沖刷線以下外，其他橋梁建議陸地橋墩樁頂標高按照埋入地面線以下0.5m 控制為適宜；位于水中的橋墩樁頂標高一般按常水位以下0.10m 控制較為合適［3］。

問題3：橋梁樁底標高取用不合理。樁底標高置于軟弱土層內(nèi)或置于軟弱土層分界面附近。

措施3：合理確定橋梁樁底標高。為確保橋梁安全，橋梁樁端持力層應(yīng)設(shè)置于較為良好的持力層，應(yīng)避免設(shè)置于軟弱土層內(nèi)或軟弱土層分界面附近。

問題4：橋梁樁頂力計算僅考慮豎向力向下疊加。

措施4：計算樁基承載力時，確定樁頂力時除了考慮豎向分力，還應(yīng)考慮水平分力以及彎矩對樁產(chǎn)生的影響，橋臺位置處還需考慮土壓力的影響。

問題5：樁基承臺厚度，規(guī)范規(guī)定承臺厚度不小于1.5 倍樁基直徑且不小于1.5m，部分設(shè)計人員認為應(yīng)該嚴格執(zhí)行規(guī)范，設(shè)計中對樁基礎(chǔ)承臺厚度尺寸取用不合理，造成材料的浪費。

措施5：參照某項目橋梁案例，橋墩采用雙柱式花瓶墩,橋墩墩底尺寸為1.8m×1.8m，樁基采用單排樁基，樁基直徑2.2m，樁基和墩柱中心線對齊。按照規(guī)范，承臺厚度嚴格執(zhí)行規(guī)范應(yīng)該不小于3.3m，但是由于橋墩與樁基對應(yīng)，橋墩將上部傳下來的力直接傳給樁基，承臺的作用類僅是起到一個方墩和圓樁連接的一個過渡作用，故本項目此類承臺設(shè)計時采用2m厚度，設(shè)計合理，且為工程節(jié)省了大量的材料。

問題6：嵌巖樁嵌巖深度多少為宜？

措施6：端承樁深度須根據(jù)計算確定，一般嵌巖深度宜不少于一倍樁徑。如《國道324 復線（同安段）二期完善工程施工圖設(shè)計》，樁基如巖深度按照如下控制：

6 結(jié)束語

綜上所述，由于作為橋梁結(jié)構(gòu)與地基連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)的設(shè)計與施工在工程建設(shè)中是非常重要的，其中任何一個環(huán)節(jié)處理不當，都會給橋梁結(jié)構(gòu)帶來重大的安全隱患。因此，在實際的工程案例中，應(yīng)需要根據(jù)項目實際情況因地制宜的進行設(shè)計和選擇施工方法，做到綜合分析及多方案比選，并謹慎用心的組織設(shè)計與施工，以確保橋梁安全。