吳尚琴

（撫州贛東公路設(shè)計(jì)院有限公司，江西 撫州 344000）

0 引言

樁基礎(chǔ)為深基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，抗壓性能比較優(yōu)越，將上部荷載傳輸?shù)降鼗Y(jié)構(gòu)內(nèi)。因?yàn)闃痘A(chǔ)的穩(wěn)定性、承載性能都非常優(yōu)越，所以廣泛地應(yīng)用到工程領(lǐng)域，也是比較成熟的基礎(chǔ)類(lèi)型。在現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展的背景之下，上部結(jié)構(gòu)物的荷載不斷增多，對(duì)于下部基礎(chǔ)的要求也在不斷提高，所以必須加強(qiáng)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和建設(shè)施工，才能更好地滿(mǎn)足橋梁的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極意義。

1 鉆孔灌注樁單樁承載力的影響因素分析

橋梁工程在投入使用后，上部荷載經(jīng)過(guò)樁基礎(chǔ)傳輸?shù)降鼗Y(jié)構(gòu)內(nèi)，使應(yīng)力快速消散。在荷載消散期間，把應(yīng)力分布到各個(gè)樁位置，實(shí)現(xiàn)荷載均勻分布，能夠在一定程度上提升樁體的穩(wěn)定性。橋梁工程上部結(jié)構(gòu)的荷載由摩擦樁承擔(dān)通過(guò)側(cè)阻力形式向周?chē)馏w擴(kuò)散。在樁體與土的相互作用中，受力形式比較復(fù)雜，難以準(zhǔn)確分析。所以設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確地評(píng)估樁基承載力，提出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行豎向荷載的準(zhǔn)確分析是極為重要的，也是不可忽視的。在橋梁樁基礎(chǔ)方面的設(shè)計(jì)中，豎向荷載是經(jīng)過(guò)承臺(tái)傳輸?shù)酵馏w結(jié)構(gòu)內(nèi)，讓側(cè)樁承載來(lái)自相同的荷載。同時(shí)，單樁的豎向荷載分布范圍較廣，影響因素也比較廣泛，在受到持續(xù)荷載影響下，很容易出現(xiàn)上下移動(dòng)的情況。而樁身荷載往往是通過(guò)側(cè)摩阻力的形式傳輸?shù)街車(chē)馏w結(jié)構(gòu)內(nèi)。隨著樁體插入土體深度不斷增大，樁身結(jié)構(gòu)受到的軸力、壓縮量也不斷縮小，容易導(dǎo)致樁側(cè)阻力增加。鉆孔灌注樁在投入使用后，有較多因素存在很大的影響，且各個(gè)因素之間的關(guān)系較復(fù)雜。單樁承載力的影響因素不僅有材料，還包括尺寸與土體，所以要綜合分析各個(gè)方面的影響因素，并將其控制在合理范圍內(nèi)，才能規(guī)避不利影響，提高樁體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能[1]。

2 工程概況

某橋梁工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為6850m，寬度尺寸42m，設(shè)計(jì)方案中包含1612 根鉆孔灌注樁，直徑設(shè)計(jì)為1.2m、1.3m、1.8m。為了準(zhǔn)確地研究和分析該項(xiàng)目的樁體性能，針對(duì)項(xiàng)目的具體情況，設(shè)計(jì)人員展開(kāi)靜載試驗(yàn)，準(zhǔn)確地測(cè)定其承載性能以及極限狀態(tài)下承載力，進(jìn)一步優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)方案，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案，切實(shí)提升橋梁工程的運(yùn)行安全和質(zhì)量水平。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)概況

根據(jù)試驗(yàn)要求，將樁基分為A、B 兩組進(jìn)行分析，估算最大加載量參數(shù)，與試驗(yàn)中選取的樁基共用2 根錨樁，總計(jì)9 根。A 樁長(zhǎng)35m，B 樁長(zhǎng)24m，直徑均為1.3m；錨樁長(zhǎng)35m，樁徑1.5m。試驗(yàn)樁樁體使用C25混凝土澆筑形成，鋼筋為HRB335，兩組的直徑、數(shù)量相同，間隔距離也一致。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、試樁標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，具體參數(shù)可見(jiàn)表1。

表1 各試樁最大加載量及極限承載力匯總

在試驗(yàn)操作中，選擇應(yīng)用逐級(jí)加載的操作方式，每一級(jí)的加載量為預(yù)估最大加載的10%，在兩組加載數(shù)據(jù)中間隔5～10min，讀取加載后15min、30min 的數(shù)據(jù)。在加載試驗(yàn)的環(huán)節(jié)，保證每小時(shí)的沉降量不超過(guò)0.1mm，經(jīng)過(guò)連續(xù)兩次加載以達(dá)到穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，然后繼續(xù)進(jìn)行下一級(jí)的加載試驗(yàn)。加載狀態(tài)見(jiàn)表2，荷載-沉降曲線見(jiàn)圖1。

圖1 荷載-沉降曲線

表2 各試樁加載及卸載分級(jí)

從表格2 以及曲線波動(dòng)變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的差異性沒(méi)有明顯的變化特征，故而不能以這種方式確定單樁極限承載力的取值范圍，并且兩組的數(shù)據(jù)相差并不大。

在大直徑樁體工程中，大多數(shù)情況下沉降量以極限承載力為基礎(chǔ)，在計(jì)算環(huán)節(jié)需要了解其運(yùn)行的效果和性能，展開(kāi)全面的分析和研究。在試樁環(huán)節(jié)出現(xiàn)樁頂沉降40mm 的情況，A 組Sa1 極限承載力為21000kN，Sa2 的極限承載力為23000kN。在項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié)，若采用泥漿護(hù)壁的作業(yè)方式，其樁體孔徑相對(duì)較大，現(xiàn)場(chǎng)施工中一旦清孔的效果比較差，內(nèi)部會(huì)存在較多的淤泥，使得樁端阻力難以達(dá)到理想的狀態(tài)，性能和質(zhì)量不能達(dá)到要求，在圖1中明顯看到了它的變化情況。針對(duì)大直徑灌注樁，通常不會(huì)發(fā)生整體性剪切損壞的問(wèn)題，其損壞的情況是循序漸進(jìn)的，逐步從小變大。在碎石條件下，表現(xiàn)更明顯，所以可以根據(jù)需求分析確定樁基沉降的情況，以得出樁基運(yùn)行的不利因素[2]。

通過(guò)圖1可以發(fā)現(xiàn)，了解單樁極限承載力與樁長(zhǎng)的關(guān)系，在樁體長(zhǎng)度增大的情況下，承載性能也會(huì)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，可以確保樁體的質(zhì)量性能符合要求，完全達(dá)到橋梁工程的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。摩擦樁承載力由側(cè)樁阻力提供，同時(shí)變化情況與側(cè)樁土的位移量有一定聯(lián)系。由于橋梁上部的荷載在傳輸土體結(jié)構(gòu)內(nèi)，樁底部位的荷載小于實(shí)際荷載，所以增加樁體長(zhǎng)度，樁側(cè)阻力會(huì)相對(duì)較小，可以不用分析。就當(dāng)前很多橋梁工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員確定設(shè)計(jì)方案時(shí)都會(huì)分析樁側(cè)阻力，容易導(dǎo)致樁體長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于橋梁工程的總體效益方面造成不利的影響[3]。

3.2 發(fā)揮樁身軸力與樁端阻力

經(jīng)過(guò)對(duì)此次試樁的數(shù)據(jù)分析，選取其中幾項(xiàng)數(shù)據(jù)展開(kāi)研究，得出樁端阻力在頂荷載比例數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 頂荷載比例分析

經(jīng)過(guò)對(duì)兩組試驗(yàn)樁體的結(jié)果分析，了解到不同尺寸樁體的差異，發(fā)現(xiàn)其軸力會(huì)因?yàn)槿胪辽疃鹊脑龃蠖鴾p小。如果樁體結(jié)構(gòu)受到的豎向荷載比較小，樁周土?xí)鸩椒謸?dān)上部荷載，導(dǎo)致樁端部位幾乎不會(huì)受到任何軸力的作用，即樁端軸力為零。在這種情況下，樁身與樁周土在彈性變化狀態(tài)中，軸力隨著深度的增大而呈現(xiàn)出線性遞減的趨勢(shì)。在樁端荷載持續(xù)增加的情況下，樁端阻力也會(huì)升高，而變化會(huì)有滯后性，并不能立即做出反映。Sb1 樁的樁端阻力在總荷載中所占比例相對(duì)較多，在該樁體的施工中，成孔環(huán)節(jié)泥漿護(hù)壁厚度過(guò)大，造成孔壁上存在不容易滑動(dòng)的物質(zhì)，所以樁端阻力占比增加，并且隨著泥皮厚度的增大而變化速度減慢，從表3的數(shù)據(jù)也能得出這一結(jié)論[4]。

3.3 確定有效樁長(zhǎng)

經(jīng)過(guò)對(duì)以上的研究結(jié)論進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在樁體投入使用后，減小樁土產(chǎn)生位移的狀態(tài)，在上部荷載向下傳輸?shù)倪^(guò)程中，樁側(cè)阻力的增加也會(huì)隨著深度而不斷變化，表現(xiàn)出線性變化的趨勢(shì)。從鉆孔灌注樁的運(yùn)行效果方面展開(kāi)分析，樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在承載力方面直接受到尺寸的影響，如果只是增加樁體長(zhǎng)度，也不能完全提升單樁的承載力性能。因此，要選擇合適的樁體長(zhǎng)度，以更好地發(fā)揮出鉆孔灌注樁的樁側(cè)以及樁端阻力，使得樁體結(jié)構(gòu)的承載性能符合要求，還能夠達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的要求，實(shí)現(xiàn)綜合效益的提升。受到豎向荷載持續(xù)性作用，樁基礎(chǔ)會(huì)存在樁土壓縮以及相對(duì)位移兩種沉降反應(yīng)。在傳輸豎向荷載的過(guò)程中，單樁極限承載力在達(dá)到了某個(gè)規(guī)定的參數(shù)值后，就不會(huì)再增加，此時(shí)樁體長(zhǎng)度就被定義為有效樁長(zhǎng)。在鉆孔灌注樁施工中，達(dá)到了某個(gè)深度尺寸后，樁體長(zhǎng)度即使再增加，其承載力也不會(huì)有大幅度的提升，并且隨著樁體長(zhǎng)度的不斷增加而出現(xiàn)了樁側(cè)阻力減小的變化趨勢(shì)，且樁側(cè)阻力在某個(gè)長(zhǎng)度尺寸之下與零非常接近，這時(shí)確定有效樁長(zhǎng)。

樁基的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)達(dá)到有效樁長(zhǎng)的情況下，樁身即使發(fā)生變形的情況下，也不會(huì)因?yàn)闃扼w的長(zhǎng)度增加而減小。在目前我國(guó)的橋梁項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，為了使得樁體結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度、剛度性能的標(biāo)準(zhǔn)，必須保證樁長(zhǎng)符合要求，才能達(dá)到橋梁運(yùn)行的安全性要求。樁側(cè)與樁端阻力是客觀存在的，同時(shí)也是設(shè)計(jì)樁體長(zhǎng)度的重要考慮因素。樁側(cè)阻力會(huì)在樁體長(zhǎng)度增加的情況下不斷提升，而樁端阻力不會(huì)直接影響承載力，主要是受到樁側(cè)阻力的影響。如果曲線表現(xiàn)出變化趨勢(shì)平緩的狀態(tài)，其極限承載力就是基本穩(wěn)定的條件，表示曲線在變化點(diǎn)體現(xiàn)出來(lái)的有效樁長(zhǎng)。由于在計(jì)算有效樁長(zhǎng)的階段中，可以選用的計(jì)算方法比較多，且不同類(lèi)型的方法獲取的計(jì)算參數(shù)存在不同計(jì)算結(jié)果。當(dāng)前，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，承載力與沉降作為計(jì)算基礎(chǔ)，進(jìn)行有效樁長(zhǎng)的確定。通過(guò)觀察靜荷載試驗(yàn)分析可了解到，單樁阻力與樁長(zhǎng)的關(guān)系以二次曲線方式體現(xiàn)，故而針對(duì)不同需求的工程項(xiàng)目，樁側(cè)阻力的分布在一定范圍內(nèi)也會(huì)受到這種因素的影響出現(xiàn)計(jì)算值波動(dòng)，故而，需要考慮這方面體現(xiàn)出來(lái)的差異性[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)論分析發(fā)現(xiàn)，兩組樁體的承載性能都能滿(mǎn)足要求，利用沉降量來(lái)控制極限承載力，而對(duì)于樁端阻力來(lái)說(shuō)，如果上部的荷載作用趨近于零，那么樁側(cè)阻力就是樁體承載性能的根本。在上部荷載逐步增加的情況下，樁端阻力也會(huì)表現(xiàn)出上升的變化趨勢(shì)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)對(duì)于Sb1 樁側(cè)阻力占比較高的因素分析，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)存在厚度較大的泥皮是重要原因，讓樁側(cè)土性質(zhì)變化，極限摩阻力不斷減小。此外，分析單樁承載力與樁長(zhǎng)之間存在的關(guān)系，經(jīng)過(guò)合理的計(jì)算分析以確定有效樁長(zhǎng)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到樁體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)最優(yōu)化的效果，不僅滿(mǎn)足橋梁工程的運(yùn)行需要，同時(shí)還能降低項(xiàng)目建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)綜合效益的提升。