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        橋梁設(shè)計(jì)過程中樁基沉降問題處理分析

        2021-07-01 03:30:02江勇
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2021年36期
        關(guān)鍵詞:樁基承載力橋梁

        江勇

        (遵義市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司,貴州遵義 563000)

        0 引言

        樁基作為橋梁常用基礎(chǔ)類型,其設(shè)計(jì)結(jié)果決定了橋梁上下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,如果樁基設(shè)計(jì)不當(dāng),樁基將產(chǎn)生明顯的工后沉降。因此,在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中必須對樁基的設(shè)計(jì)引起足夠重視,從設(shè)計(jì)上就避免沉降問題的發(fā)生,保證橋梁樁基質(zhì)量。

        1 樁基礎(chǔ)概述

        樁基礎(chǔ)有多種類型,可從不同方面按照不同方法實(shí)施分類。若按照承臺和地面之間的相對位置進(jìn)行分類,可分成低樁承臺樁基礎(chǔ)和高樁承臺樁基礎(chǔ)。如果樁承臺底面處在地面以下,則屬于低樁承臺樁基礎(chǔ),而如果樁承臺底面處在地面以上,則屬于高樁承臺樁基礎(chǔ)。重力式橋臺、實(shí)體橋臺及橋墩一般采用的是低樁承臺樁基礎(chǔ),肋板臺、輕型橋臺側(cè)一般采用高樁承臺樁基礎(chǔ)。

        若按照承載性質(zhì)分,可將樁基礎(chǔ)分成摩擦型樁和端承型樁,其中,摩擦型樁還能進(jìn)一步細(xì)分為摩擦樁與端承摩擦樁,前者是指在承載能力達(dá)到極限狀態(tài)后,樁頂部的豎向荷載主要由樁側(cè)阻力充分承擔(dān),其樁端阻力可以小到忽略不計(jì);而端承摩擦樁是指在承載能力達(dá)到極限狀態(tài)后,樁頂部的豎直方向荷載由樁側(cè)的阻力大部分承擔(dān)[1]。同樣,端承型樁也能進(jìn)一步分成兩種,即端承樁與摩擦端承樁,端承樁是指承載能力達(dá)到極限狀態(tài)后,樁頂部的豎直方向荷載均由樁端的阻力負(fù)責(zé)承擔(dān),樁側(cè)的阻力可以小到忽略不計(jì);而摩擦端承樁是指在承載能力達(dá)到極限狀態(tài)后,樁頂部的豎直方向荷載主要由樁端阻力承擔(dān)。因摩擦樁與端承樁的荷載傳遞與支撐方式存在很大差異,一般情況下,摩擦樁產(chǎn)生的沉降比端承樁大,會使墩臺出現(xiàn)不均勻沉降,對此在同一個(gè)工程的同一個(gè)下部橋墩或橋臺的樁基礎(chǔ)當(dāng)中,不可同時(shí)設(shè)置摩擦樁與端承樁兩種樁型。

        若按照具體成樁方式,可將樁基分成以下幾類:一是非擠土類樁,即在成孔時(shí)將與樁身體積相當(dāng)?shù)耐馏w開挖出來,再灌注混凝土,導(dǎo)致樁周與樁底土體均存在應(yīng)力松弛情況,目前最常用的鉆孔樁與挖孔樁都屬于該類樁;二是部分?jǐn)D土樁,即在成孔時(shí)有輕微的擠土作用,使樁周土自身工程性質(zhì)不會產(chǎn)生太大變化,目前常見的此類樁型包括打入式預(yù)制樁及敞口鋼管樁;三是擠土樁,即成樁時(shí)樁周土體被完全擠開,導(dǎo)致土體自身工程性質(zhì)相較于天然狀態(tài)出現(xiàn)很大變化,目前較為常見的此類樁基包括以下三種:預(yù)制樁、混凝土管樁及沉管樁。

        若按照樁徑的大小,可將樁基分成以下三種:一是小樁,即樁徑不超過250mm 的樁;二是中等直徑樁,即樁徑在250~800mm 范圍內(nèi)的樁;三是大直徑樁,即樁徑不小于800mm 的樁[2]。

        2 橋梁樁基設(shè)計(jì)步驟與內(nèi)容

        樁基設(shè)計(jì)步驟與內(nèi)容為:其一,選擇適宜的樁基形式,如混凝土樁還是鋼管樁,樁基尺寸。樁基形式確定是否合理,直接影響橋梁安全、使用功能及造價(jià)。在選擇具體樁基類型的過程中,要充分考慮以下要點(diǎn):樁基所在場地范圍內(nèi)的地質(zhì)條件、橋型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、樁基主要受力特點(diǎn)。其二,持力層確定和樁長選擇。在確定持力層及樁長的過程中,要充分考慮以下因素:單樁承載力符合要求、橋墩或橋臺不會產(chǎn)生明顯沉降及沉降差異、綜合考慮樁基工程造價(jià)、充分考慮樁基施工技術(shù)合理性與可行性。其三,保證樁基合理布置。當(dāng)樁數(shù)相同,采用不同樁基布置方法時(shí),樁基自身承載力和可以發(fā)揮出的作用也存在很大差異。其四,樁基水平方向承載力確定。對于基底水平方向剪力與傾覆力矩,通常情況下產(chǎn)生水平力的原因有以下幾種:地震力、風(fēng)的作用力、汽車的制動(dòng)力、臺后的填土壓力、溫度的升降產(chǎn)生的溫度力,彎橋還需要考慮離心力的作用。在高烈度地震區(qū),地震是主要控制因素,在地震區(qū)進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮以上作用。其五,明確樁基施工可能給周圍環(huán)境造成的影響,并注意技術(shù)是否具有良好的經(jīng)濟(jì)性與合理性[3]。

        3 橋梁樁基設(shè)計(jì)特點(diǎn)與作用

        樁基設(shè)計(jì)作為橋梁設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié),保證樁基設(shè)計(jì)質(zhì)量是使橋梁達(dá)到穩(wěn)定和耐用的關(guān)鍵所在,必須引起設(shè)計(jì)人員的高度重視。樁基能將橋梁承受的水平與豎直方向荷載可靠傳遞至地基,樁基自身有良好剛度與抗彎能力,由于不同工程在很多方面都存在明顯差異,所以樁基類型選擇也有很大差異。通常而言,目前較為常用的樁型包括以下幾種:預(yù)制樁、鉆孔樁、挖孔樁和沉管樁。橋梁樁基應(yīng)能支撐自身重量與所有外部荷載,如果樁基存在隱患問題,會對橋梁工程的其他建設(shè)項(xiàng)目造成很大影響。在公路橋梁工程中,樁基主要具有以下幾個(gè)方面功能和作用:其一,樁基有很大的剛度,可減少整體結(jié)構(gòu)沉降,對形變進(jìn)行均勻分擔(dān),以滿足橋梁設(shè)計(jì)剛度的要求;其二,樁體和周圍土體存在一定摩擦作用,能將橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載均勻傳遞到土體,從而減輕地基受到的壓力,為橋梁上部結(jié)構(gòu)提供可靠支撐,保證橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;其三,如果區(qū)域地下水的水位相對較高,或持力層位于地下水位以下,則優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)的形式,方便施工,減少地下水對結(jié)構(gòu)的影響;其四,樁側(cè)剛度與抗拔力相對較強(qiáng),可有效抵抗水平方向作用力與傾覆力矩,同時(shí)還能減小地震可能對橋梁造成的影響,進(jìn)而保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定;其五,如果地基發(fā)生液化,可通過將樁基設(shè)置從液化層中穿過,直到穩(wěn)定巖土層,將液化土可能給橋梁造成的影響降至最低[4]。

        4 橋梁樁基設(shè)計(jì)沉降問題分析

        4.1 明確樁基沉降規(guī)律

        由于巖土本身具備可壓縮的特性,在地基土受到外力作用后會產(chǎn)生一定超靜孔隙水壓力,導(dǎo)致地基土產(chǎn)生變形,還會延續(xù)很長一段時(shí)間,導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降。橋梁建設(shè)中,基礎(chǔ)會產(chǎn)生一定沉降現(xiàn)象,并且這種沉降現(xiàn)象還會保持相對較長的時(shí)間,并不會因?yàn)楣こ痰慕ǔ啥鴱氐捉Y(jié)束。如果橋梁地基沉降相對較大,則會在橋梁整體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生影響,當(dāng)問題較為嚴(yán)重時(shí),會給橋梁的正常和安全使用造成致命影響,導(dǎo)致這種情況發(fā)生的主要原因?yàn)闃痘a(chǎn)生不均勻沉降或短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大沉降。當(dāng)發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象時(shí),會使樁基上部產(chǎn)生傾斜或扭曲,或產(chǎn)生開裂,影響結(jié)構(gòu)的使用壽命,情況嚴(yán)重時(shí)還有可能產(chǎn)生倒塌?;诖?,在樁基設(shè)計(jì)開始前必須做好現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)查,明確地質(zhì)條件與水文地質(zhì),并據(jù)此采取針對性措施,對地基形變予以嚴(yán)格控制,減少或從根本上防止樁基沉降造成的不利影響[5]。

        4.2 樁基類型與長度確定

        在實(shí)際的樁基設(shè)計(jì)過程中,確定適宜的樁型與樁長作為重要內(nèi)容之一,直接影響樁基整體質(zhì)量,必須引起設(shè)計(jì)人員高度重視,保證所選樁基類型及樁長的合理性與可行性。在實(shí)際工作中,應(yīng)先做好場地環(huán)境勘察工作,對樁基施工可能對周邊環(huán)境造成的影響進(jìn)行深入分析,并確定成樁是否合理可行,確定的施工工藝方法是否滿足相關(guān)要求以及樁基的經(jīng)濟(jì)性是否合理。在初步確定樁基類型與長度后,還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整,以此在保證樁基安全和質(zhì)量的基礎(chǔ)上,盡可能降低工程投資。在必要的情況下,可以充分參考借鑒地區(qū)內(nèi)其他類似工程的樁基設(shè)計(jì)成果,以此有效保證樁基設(shè)計(jì)質(zhì)量,使樁基的設(shè)計(jì)與設(shè)置均能到最佳效果,防止由于設(shè)計(jì)不謹(jǐn)慎導(dǎo)致樁基產(chǎn)生不均勻沉降[6]。

        4.3 樁體豎向極限承載力的確定

        對于橋梁樁基豎直方向的承載力,按建筑標(biāo)準(zhǔn),不同標(biāo)準(zhǔn)建筑等級下樁基承載力的確定方法不同。如果樁基按照甲級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),則應(yīng)通過單樁靜載試驗(yàn)明確樁體的極限承載力大??;如果樁基按照乙級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)施工場地范圍內(nèi)地質(zhì)條件相對簡單,則可參照同地區(qū)其他類似工程實(shí)際條件開展樁基設(shè)計(jì),并通過原位測試加以綜合論證,確定方案的合理性與可行性;如果樁基按照丙級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),則需通過原位測試根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對復(fù)合樁基礎(chǔ),在對樁體自身豎直方向極限承載力進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),如果樁基主要承受的是軸心荷載,則必須保證復(fù)合樁基自身豎向承載力達(dá)到工程要求,而如果樁基主要承受的是偏心荷載,則要適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn),并驗(yàn)算其穩(wěn)定性;當(dāng)施工場地范圍內(nèi)存在地震荷載因素的影響時(shí),則要通過計(jì)算確定樁基的豎直方向承載能力[7]。

        4.4 水平方向承載與位移計(jì)算

        為了從根本上保證橋梁樁基結(jié)構(gòu)安全,在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中還要對其水平方向承載與位移進(jìn)行分析計(jì)算。在實(shí)際工作中通常要從下列兩個(gè)方面入手實(shí)施計(jì)算:一方面是單樁基礎(chǔ);另一方面是群樁基礎(chǔ)。對單樁基礎(chǔ)而言,主要承受水平方向作用力,在使用中應(yīng)滿足各項(xiàng)特征要求,對于水平荷載等級為甲級和乙級的樁基,要采用水平靜載試驗(yàn)的方法確定樁基的特征值;對于樁身的實(shí)際配筋率可以達(dá)到0.65%以上的混凝土灌注樁,可采用靜載試驗(yàn)的方法來確定,如果地面產(chǎn)生10mm 左右的水平方向位移,則應(yīng)將荷載的3/4 作為樁身特征值;對于樁身的實(shí)際配筋率不足0.65% 的樁基,可將臨界荷載3/4 作為樁身特征值。對群樁而言,如果力矩較大或有水平方向作用力,應(yīng)先考慮群樁效應(yīng),之后通過計(jì)算確定樁基水平方向的承載力對應(yīng)的特征值,如果承載的底部、土體和地基之間在摩擦系數(shù)上存在很大關(guān)聯(lián),則必須謹(jǐn)慎確定樁基特征值[8]。

        4.5 承臺計(jì)算

        對橋梁樁基承臺而言,在計(jì)算中應(yīng)對不同內(nèi)容進(jìn)行分別驗(yàn)算,如截面變化出實(shí)際受剪承載力與斜截面驗(yàn)算,承臺的抗沖切驗(yàn)算等。如果承臺懸挑邊存在很多剪切截面,則要對每個(gè)斜截面實(shí)際受剪承載力都予以驗(yàn)算與判斷。對條形承臺梁而言,其彎矩可采用彈性地基梁作為依據(jù)來分析。如果樁端持力層為深度和厚度均相對較大的巖體,則其硬度較大,并且和樁柱軸線未能達(dá)到重合,此時(shí)需將樁基看作鉸支座,之后按照連續(xù)梁形式來計(jì)算。在樁基承臺設(shè)計(jì)中,應(yīng)對承臺結(jié)構(gòu)正截面通過計(jì)算確定受彎承載力,在設(shè)計(jì)與配筋過程中都要按照相關(guān)規(guī)范實(shí)施控制。

        4.6 其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

        4.6.1 對于基礎(chǔ)承臺頂部標(biāo)高。在一般地形條件中,承臺頂面和地面之間應(yīng)保持不超過0.5m 間隔距離。處在常水位中的承臺,其頂部應(yīng)能和常水位保持平齊。處在需填土范圍內(nèi)的承臺,其頂部和地面實(shí)際標(biāo)高差值一般超過0.5m。當(dāng)橋墩所在位置為邊遠(yuǎn)地區(qū)時(shí),為減小承臺基礎(chǔ)開挖施工可能給對既有建筑設(shè)施造成的不利影響,承臺底部可至于地面位置,而將承臺露于外部,而在城鎮(zhèn)或現(xiàn)有道路旁,側(cè)應(yīng)將承臺頂部埋于地面以下或于地面齊平。當(dāng)承臺位置存在沖刷時(shí),應(yīng)考慮沖刷對承臺及樁基的影響,適當(dāng)加深承臺深度或采用必要的防護(hù)措施。若橋梁所處位置存在凍深,還應(yīng)考慮凍深對承臺底面的影響,一般應(yīng)將承臺底面至于設(shè)計(jì)凍深線以下。

        4.6.2 為盡量減小沉降,樁底必須處在承載力足夠的持力層上,持力層承載力應(yīng)能達(dá)到350kPa 以上,且進(jìn)入持力層中的深度應(yīng)能滿足規(guī)范的要求,并經(jīng)驗(yàn)算確定。如果相鄰兩個(gè)基礎(chǔ)的地質(zhì)條件相差較大,則會使不同基礎(chǔ)樁基的長度存在很大差異,需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行專門的分析研究。嵌巖樁巖層頂板厚度通常要達(dá)到4m 以上,樁尖的設(shè)置根據(jù)結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行。如果鉆探深度已經(jīng)達(dá)到30m 依然無法找到厚度不小于4m 的頂板,則對于樁身直徑在1.50m 以內(nèi)的樁基,其樁側(cè)累計(jì)頂板厚度應(yīng)達(dá)到5.0m 以上,而對于樁身直徑超過1.50m 的樁基,樁側(cè)累計(jì)頂板厚度應(yīng)達(dá)到7.0m 以上,支承頂板厚度應(yīng)能達(dá)到3m 以上,且嵌入巖層內(nèi)至少0.5m。從巖層中通過的樁體,應(yīng)能與巖壁之間達(dá)到緊密聯(lián)結(jié),不可使用擴(kuò)筒等方式進(jìn)行隔離。對于大跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的橋梁,因其梁部剛度相對較大,所以對沉降變形極為敏感,其沉降變形值更應(yīng)嚴(yán)格控制,這需要在實(shí)際的樁基設(shè)計(jì)中給予足夠的重視,采取必要的檢測措施對樁底質(zhì)量進(jìn)行檢查,同時(shí)采取有效的措施加以補(bǔ)強(qiáng)。

        4.6.3 當(dāng)采用墩基礎(chǔ)時(shí),可不進(jìn)行沉降計(jì)算,但要在說明中給出施工注意事項(xiàng);對摩擦樁進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)充分考慮典型地質(zhì)情況。承臺樁基礎(chǔ)布置必須符合剛性角方面的要求,承臺厚度為樁徑的1.5~2.0倍。若承臺的剛性角無法達(dá)到要求,則可考慮進(jìn)行加臺階。樁基設(shè)計(jì)除了要對單樁側(cè)面土體實(shí)際承載力與樁底土體實(shí)際承載力進(jìn)行檢算,還要對樁身穩(wěn)定性及材料強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)橋墩高度相對較矮時(shí),樁基主要由單樁承載力進(jìn)行控制,而當(dāng)橋墩高度相對較大時(shí),樁基主要由橫縱方向產(chǎn)生的位移進(jìn)行控制。當(dāng)基巖深度相對較大時(shí),為減少實(shí)際沉降量,可按照摩擦樁對基樁進(jìn)行分析和計(jì)算。

        4.6.4 控制樁底沉渣厚度。樁底沉渣厚度對樁基的沉降影響較大,樁基成孔后樁底會有一定量的沉渣無法清理干凈,若沉渣厚度較大,樁基施工完成后會產(chǎn)生比較大的沉降量,因此需對樁基的沉渣厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制,各規(guī)范均對樁基的沉渣厚度進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

        5 結(jié)語

        綜上所述,樁基礎(chǔ)是橋梁工程最常用的基礎(chǔ)類型,樁基設(shè)計(jì)則在很大程度上決定了橋梁上部結(jié)構(gòu)能否保持穩(wěn)定,尤其是決定了橋梁的沉降,良好的樁基設(shè)計(jì)能起到減小樁基沉降的作用,防止在施工過程中或施工完成后導(dǎo)致樁基產(chǎn)生較大的沉降。以上分析提出了樁基設(shè)計(jì)中可防止樁基產(chǎn)生較大工后沉降的要點(diǎn)與做法,旨在為實(shí)際的樁基設(shè)計(jì)工作提供參考依據(jù)。

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