滕 凱

（齊齊哈爾市水務(wù)局，黑龍江 齊齊哈爾161006）

樁基是橋梁和渡槽工程中普遍采用的基礎(chǔ)工程之一，因此，在季節(jié)性凍土區(qū)其遭受的凍害破壞也比較嚴(yán)重。GBT50662-2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）是在認(rèn)真總結(jié)水利部1998年頒布實(shí)施的SL211-98《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]以來(lái)取得成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，該《規(guī)范》的頒布實(shí)施，為季節(jié)性凍土區(qū)水工建筑物的冰凍害防治及抗凍技術(shù)的進(jìn)一步推廣起到了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)對(duì)《規(guī)范》中有關(guān)樁基設(shè)計(jì)規(guī)定的研究，結(jié)合多年從事抗凍樁基工程設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，《規(guī)范》中有關(guān)樁基設(shè)計(jì)的提法存在片面性，作為指導(dǎo)抗冰凍工程設(shè)計(jì)的規(guī)范性文件，尚有進(jìn)一步補(bǔ)充和完善的必要性。

1 關(guān)于“應(yīng)進(jìn)行抗凍拔穩(wěn)定和強(qiáng)度驗(yàn)算”的凍脹級(jí)別范圍劃定問(wèn)題

《規(guī)范》第12.1.1 條規(guī)定，“嚴(yán)寒地區(qū)橋梁和渡槽的樁、墩基礎(chǔ)，當(dāng)土的凍脹級(jí)別屬Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗凍拔穩(wěn)定和強(qiáng)度驗(yàn)算”。這一范圍限定的理由是“在寒冷地區(qū)土的凍脹級(jí)別屬Ⅰ，Ⅱ級(jí)時(shí)，一般橋梁和渡槽樁基的抗凍拔力均大于凍拔力”（見(jiàn)《規(guī)范》“條文說(shuō)明”）。按照這一條規(guī)定，位于Ⅱ級(jí)凍脹區(qū)的樁基可不進(jìn)行抗凍拔穩(wěn)定和強(qiáng)度驗(yàn)算。而實(shí)際抗凍樁基工程的設(shè)計(jì)計(jì)算證明，樁基抗凍拔是否穩(wěn)定，強(qiáng)度是否需要復(fù)核，土的凍脹級(jí)別（切向凍脹力大?。┦侵饕蛩?，但并非決定因素，因?yàn)樯喜亢奢d的組合、樁基直徑的大小、地基土層的分布及設(shè)計(jì)凍深的大小等都是影響樁基工程抗凍拔穩(wěn)定及強(qiáng)度的重要因素。下面通過(guò)工程設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明Ⅱ級(jí)凍脹土中的樁基也應(yīng)進(jìn)行抗凍拔穩(wěn)定和強(qiáng)度驗(yàn)算的必要性。

表1為設(shè)計(jì)樁基的4 種地質(zhì)條件，依據(jù)工程所在位置情況，利用《規(guī)范》式（B.0.1-1）～（B.0.1-3）及（C.0.2-3）可分別求得1，2 號(hào)基土的設(shè)計(jì)凍深Zd分別為2.06 和2.14 m（實(shí)際計(jì)算均取2.0 m）；凍脹量h 分別為4.95 和4.56 cm；由《規(guī)范》表3.0.9 可知，兩種土均屬Ⅱ級(jí)凍脹土，利用《規(guī)范》表4.0.3-1 通過(guò)內(nèi)插法可分別求得其切向凍脹力Tt分別為39.67 和37.07 kPa。

以某灌區(qū)的渡槽工程為例，已知該渡槽槽身為鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)荷載情況見(jiàn)表2?，F(xiàn)取1，2 號(hào)基土條件按以下情況進(jìn)行分析及比較。

1）樁基直徑及基土條件相同，取不同上部荷載組合情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算。

2）上部荷載組合及基土條件相同，取不同樁基直徑情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算。

3）上部荷載組合、樁基直徑及基土條件相同，在不同設(shè)計(jì)凍深情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算。

4）上部荷載組合、樁基直徑及基土條件相同，在不同基土土層分布情況下的抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算。

針對(duì)上述4 種情況，采用《規(guī)范》公式（12.3.3）即可完成相關(guān)計(jì)算，成果見(jiàn)表2所示。

表1 樁基土力學(xué)指標(biāo)

由表2可見(jiàn)，雖然Ⅱ級(jí)凍脹土的切向凍脹力相對(duì)較小，但由于受上部荷載組合、樁徑、基土土層分布及凍深等因素影響，位于Ⅱ級(jí)凍脹土中的樁基仍然存在較大程度的不穩(wěn)定性，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中有必要進(jìn)行抗凍拔穩(wěn)定及強(qiáng)度驗(yàn)算，否則，很可能因凍拔或強(qiáng)度不夠引起建筑物破壞。

2 關(guān)于“橋梁和渡槽宜減少樁、墩數(shù)量和減小樁徑”的規(guī)定問(wèn)題

《規(guī)范》第12.1.2 條規(guī)定，“橋梁和渡槽宜減少樁、墩數(shù)量和減小樁徑”。該條規(guī)定就減少樁基的總凍拔力而言是行之有效的方法，但實(shí)際工程設(shè)計(jì)證明，橋梁和渡槽工程樁柱數(shù)量的多少，除應(yīng)考慮滿足抗凍拔要求外，還要滿足上部承載及結(jié)構(gòu)要求，同時(shí)還應(yīng)體現(xiàn)樁基工程的總體費(fèi)用最優(yōu)。僅從減少樁基凍拔力角度而強(qiáng)調(diào)減少樁、墩數(shù)量和減小樁徑并非經(jīng)濟(jì)合理。

2.1 關(guān)于“減少樁的數(shù)量”問(wèn)題

實(shí)際工程設(shè)計(jì)表明，當(dāng)上部荷載一定情況下，減少樁的數(shù)量雖然可以減少樁基工程的凍拔力，但另一方面，由于樁基數(shù)量的減少，單樁承載力（軸向壓力及彎矩）將明顯增大，單樁的設(shè)計(jì)入土深度及配筋量隨之增加，因此，工程費(fèi)用可能大于多樁情況，現(xiàn)通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

表2 樁基抗凍拔穩(wěn)定復(fù)核情況

選表1中3 號(hào)基土兩種不同凍前地下水位埋深條件下的樁基工程進(jìn)行比較。經(jīng)計(jì)算可分別求得3 號(hào)基土兩種不同凍前地下水位埋深條件下的凍脹量分別為18.66 和25.56 cm，分別為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)凍脹土，相應(yīng)的切向凍脹力分別為100 和140 kPa。已知某橋梁工程樁基承臺(tái)的設(shè)計(jì)恒荷載為1 000 kN，活荷載為900 kN，承受彎矩情況與樁基的樁柱數(shù)量有關(guān)，見(jiàn)表3。試驗(yàn)采用2 根直徑D=0.8 m 樁基和3根同樣直徑樁基的費(fèi)用比較（已知工程當(dāng)?shù)氐幕炷羻蝺r(jià)為580 元/m3，鋼筋籠單價(jià)為7 400 元/t，樁基成孔費(fèi)按文獻(xiàn)［5］計(jì)?。?，成果見(jiàn)表3。

表3 樁基設(shè)計(jì)樁柱數(shù)量投資比較

由表3可見(jiàn)，當(dāng)上部恒荷載和活荷載分別為PA=1 000 kN 和PB=900 kN 時(shí)，在Ⅳ級(jí)凍脹土情況下，采用3 樁基礎(chǔ)較2 樁基礎(chǔ)更加經(jīng)濟(jì)合理；而當(dāng)上部荷載不變，在Ⅴ級(jí)凍脹土情況下，2 樁基礎(chǔ)則優(yōu)于3 樁基礎(chǔ)。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)樁基工程的上部荷載組合、基土的凍脹級(jí)別及樁基穿越土層的具體情況通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取經(jīng)濟(jì)合理的樁柱數(shù)量。關(guān)于《規(guī)范》中宜減少橋梁及渡槽工程樁的數(shù)量的規(guī)定，筆者認(rèn)為有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

圖1 R～P～T 關(guān)系曲線

2.2 關(guān)于“減少樁的直徑”問(wèn)題

根據(jù)筆者的研究成果[3，4]，不考慮上部荷載組合及基土的凍脹級(jí)別，片面減小樁徑并非經(jīng)濟(jì)合理，最經(jīng)濟(jì)的抗凍樁徑應(yīng)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得?，F(xiàn)選取表1中4 號(hào)基土條件，當(dāng)凍前為不同地下水位埋深情況下（不同基土凍脹級(jí)別），上部恒荷載分別為125，250 及375 kN，活荷載PB分別為135，270 及405 kN 時(shí)設(shè)計(jì)樁徑的優(yōu)化成果，并完成R～P～T 的關(guān)系曲線繪制，如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，在樁基上部荷載一定情況下，當(dāng)切向凍脹力Tt≤120 kPa 時(shí)，最優(yōu)設(shè)計(jì)樁徑（2R）隨基土切向凍脹力的增大而減??；而當(dāng)Tt＞120 kPa 時(shí)，最優(yōu)樁徑與基土切向凍脹力Tt的關(guān)系曲線為一近于平行與橫坐標(biāo)軸的直線，即：最優(yōu)樁徑與基土切向凍脹力Tt的大小無(wú)關(guān)。因此，在實(shí)際樁基工程的設(shè)計(jì)中，通過(guò)減小樁徑并非可以獲得經(jīng)濟(jì)合理的樁基設(shè)計(jì)成果。

［1］ GB/T50662-2011，水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ SL211-1998，水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 滕凱，李圣濤，盧秀佳.抗凍樁基的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.東北水利水電，1993（11）：10-14.

［4］ 滕凱，孫永平，張秋蘭.抗凍群樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 工程勘察，1996（6）：6-9.

［5］ 國(guó)家物價(jià)局，建設(shè)部. 工程勘察設(shè)計(jì)收費(fèi)管理規(guī)定［S］.2002.