鐘悅鵬

（江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

橋梁樁基作為系統(tǒng)性的工作，在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要了解樁基設(shè)計(jì)的原則，通過(guò)更新設(shè)計(jì)理念、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升橋梁樁基的設(shè)計(jì)效果，從而為橋梁工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 正確區(qū)分樁基類(lèi)型

對(duì)橋梁工程設(shè)計(jì)展開(kāi)全面分析，研究目前橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)與要求，發(fā)現(xiàn)端承樁的施工阻力與土層阻力存在直接的關(guān)系，所以在端承樁的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)充分分析受壓、樁側(cè)阻力、端阻力等。只有對(duì)每項(xiàng)因素都充分考慮分析，才能保證工程質(zhì)量合格。比如，上覆土層受厚度與土質(zhì)條件的影響，其所存在的阻力對(duì)端承樁產(chǎn)生影響，所以要綜合分析樁長(zhǎng)徑比、樁底沉渣厚度等參數(shù)。因?yàn)榍稁r樁也是端承樁的一種，在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)綜合分析嵌巖樁嵌入基巖性質(zhì)以及嵌巖深徑比參數(shù)。上覆土層的側(cè)壓力會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)徑比L/d 的變化而變化。長(zhǎng)徑比越大，則側(cè)壓力越大，反之則會(huì)減小。如果在施工中，因?yàn)榍稁r樁承載力較小的情況下，存在摩擦樁的情況，樁端嵌入強(qiáng)風(fēng)化或者中風(fēng)化巖層時(shí)，應(yīng)達(dá)到長(zhǎng)徑比L/d≥40 與硬土層條件。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，地理位置有著很大的差別，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注施工作業(yè)時(shí)間有差異，嵌巖結(jié)構(gòu)部分的阻力也會(huì)發(fā)生變化。比如，嵌巖段阻力是總荷載的20%以?xún)?nèi)時(shí)，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁L/d＞45 時(shí)會(huì)出現(xiàn)。嵌巖段端阻力占總荷載5% 以?xún)?nèi)時(shí)，軟巖嵌巖灌注樁L/d＞60。發(fā)生這種情況的原因如下：其一，樁頂由于嵌巖樁樁身的彈性壓縮而發(fā)生沉降反應(yīng)，所以嵌巖樁出現(xiàn)了彈性壓縮變化，壓縮量會(huì)造成土體存在阻力性作用；其二，鉆孔樁底部有較多的沉渣，進(jìn)而出現(xiàn)了沉降的問(wèn)題，導(dǎo)致樁體與巖石、嵌巖樁存在錯(cuò)位的情況，從而導(dǎo)致側(cè)阻力的發(fā)生。

從工程實(shí)際情況分析發(fā)現(xiàn)，傳遞到樁端的應(yīng)力與嵌巖深徑比hr/d 相關(guān)：hr/d 增大時(shí)，樁端的應(yīng)力減小；hr/d 減小時(shí)，樁端的應(yīng)力增大。對(duì)于端承樁與摩擦樁的區(qū)分來(lái)說(shuō)，主要是根據(jù)樁長(zhǎng)徑比、沉降反應(yīng)所形成的特點(diǎn)，還有上覆土層厚度、泥土厚度等參數(shù)，經(jīng)過(guò)綜合分析才能做出判斷，以達(dá)到精確性標(biāo)準(zhǔn)。

2 樁基的作用

2.1 緩解上部結(jié)構(gòu)沉降

在橋梁工程施工中，樁基是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分，對(duì)整個(gè)橋梁項(xiàng)目運(yùn)行的安全性產(chǎn)生直接影響。為了提升橋梁的整體性能，首先應(yīng)確保剛性性能合格。只有樁基剛度的性能合格，才能滿(mǎn)足橋梁承載性的要求，可以承載上部荷載，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)不均勻沉降的問(wèn)題。

2.2 降低橋梁工程建設(shè)成本

在橋梁工程建設(shè)環(huán)節(jié)，很多橋梁地質(zhì)條件比較復(fù)雜，如橋梁工程的地下水位偏高，在建設(shè)時(shí)會(huì)增加建設(shè)成本。但是采用樁基作為橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠有效地提升工程的建設(shè)質(zhì)量，同時(shí)還能達(dá)到資源合理配置的要求，減少項(xiàng)目建設(shè)成本的投入。

2.3 有效抵御自然災(zāi)害的破壞

樁基是橋梁的具體承載結(jié)構(gòu)部分，屬于比較特殊的部位，對(duì)于性能和質(zhì)量的要求很高。同時(shí)，基礎(chǔ)也受到自然災(zāi)害的破壞和影響，應(yīng)采取措施規(guī)避自然災(zāi)害影響，提高橋梁運(yùn)行的安全性。

3 橋梁工程樁基的設(shè)計(jì)

3.1 樁基選型及間距

現(xiàn)代工程技術(shù)不斷發(fā)展，樁基礎(chǔ)形式日益增多，不同等級(jí)、地理?xiàng)l件的橋梁項(xiàng)目，所選擇的樁基礎(chǔ)形式也有很大的差異。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，樁基是主要的承載結(jié)構(gòu)，承受橋梁的自重、車(chē)輛荷載的持續(xù)作用，所以必須加強(qiáng)橋梁樁基礎(chǔ)的質(zhì)量監(jiān)督和控制。目前來(lái)說(shuō)，樁基礎(chǔ)主要包含端承樁與摩擦樁兩種。端承樁設(shè)置在深層次的土壤中，多數(shù)都是插入硬質(zhì)基巖，通過(guò)基巖的強(qiáng)度提升基礎(chǔ)的承載力，滿(mǎn)足樁基礎(chǔ)運(yùn)行效果的要求。在端承樁樁體施工后，并不會(huì)產(chǎn)生較大的位移或者摩擦，總體穩(wěn)定性良好。

摩擦樁目前廣泛應(yīng)用在土層厚度較大、樁體長(zhǎng)度難以滿(mǎn)足的硬質(zhì)土類(lèi)地區(qū)，通過(guò)分析研究摩擦樁的承載性能可以發(fā)現(xiàn)，其荷載主要是通過(guò)樁身與樁周的土層摩擦來(lái)承載，樁端土體與基巖反力對(duì)比來(lái)說(shuō)，相對(duì)較低。

在施工環(huán)節(jié)，如果樁基底部插入持力層，且長(zhǎng)徑比設(shè)定為15%～20%，樁側(cè)阻力優(yōu)先端阻力發(fā)揮作用；長(zhǎng)徑比在40%以上且表面無(wú)弱土體，因?yàn)闃抖瞬迦胫酗L(fēng)化巖層，所以端承樁的承載性能相對(duì)較低。除此之外，在橋梁的樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，還必須綜合分析樁基礎(chǔ)的設(shè)定間距，如果過(guò)大或者過(guò)小，都會(huì)導(dǎo)致工程的質(zhì)量難以滿(mǎn)足要求。

3.2 樁基承載力計(jì)算

通過(guò)樁基承載力方面的計(jì)算分析，支承在基巖上或者基巖內(nèi)的樁體結(jié)構(gòu)，其單樁軸向受壓容許承載力[P]的計(jì)算方式：

式（1）中：R為天然濕度的巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度；h為樁嵌入基巖深度，不包括風(fēng)化層；U 為樁嵌入基巖部分的橫截面周長(zhǎng)，按設(shè)計(jì)直徑計(jì)算；A 為樁底截面面積；c、c為根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素確定的系數(shù)。

分析公式（1），嵌巖樁單樁軸向受壓容許承載力[P]的大小，受到巖石強(qiáng)度、嵌入深度、橫截面面積的影響，同時(shí)也受到巖石破碎度的影響。所以運(yùn)用這一公式計(jì)算時(shí)，應(yīng)將樁體清孔干凈，巖石抗壓強(qiáng)度合格且不存在碎石，樁長(zhǎng)徑比與上覆土層側(cè)阻力的比例較小，從而確定為端承樁的結(jié)構(gòu)形式。

分析公式（1），其中的h 為嵌巖深度，分析時(shí)不需要考慮風(fēng)化層的條件，樁體嵌入新鮮的基巖，不管風(fēng)化層的強(qiáng)度如何。但是這種條件下，并未綜合分析硬質(zhì)巖與軟質(zhì)新鮮基巖的強(qiáng)度差異。在穿越強(qiáng)風(fēng)化巖體的情況下，其強(qiáng)度高于新鮮巖體強(qiáng)度，就不需要插入新鮮巖體。但是樁體強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，承載性能也不能達(dá)到要求，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

分析公式（1），并未規(guī)定h 的參數(shù)設(shè)定范圍，也沒(méi)有任何參數(shù)會(huì)因?yàn)閔 變化而變化，但是承載力會(huì)因?yàn)閔 參數(shù)值的改變而發(fā)生變化。如果h＞2d，承載性能會(huì)隨著h 加大而增大，此時(shí)的樁側(cè)固力值超出總荷載的50%；如果h＞3d，承載力增加不明顯。在這樣的情況下，增加樁徑的方式可以增大承載性能。

3.3 樁基負(fù)摩阻力

3.3.1 樁基負(fù)摩阻力的形成

在樁長(zhǎng)計(jì)算中，如果摩擦力是以正摩擦力的形式存在，在樁體沉降值超過(guò)周邊土體沉降的條件下，土體向樁體周邊產(chǎn)生摩阻力的影響。由于樁側(cè)摩擦力方向會(huì)直接受到樁體、周?chē)馏w相對(duì)位移量的干擾和影響，特別是針對(duì)軟土地基的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，填土重量、車(chē)輛荷載等方面都會(huì)產(chǎn)生變化，只要沉降量超出規(guī)定要求，周邊土體會(huì)對(duì)樁基向下摩阻力轉(zhuǎn)化為樁基的負(fù)摩阻力。因此，在樁基的方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)分析負(fù)摩阻力的影響，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的運(yùn)行性能和效果。

3.3.2 樁基負(fù)摩阻力的分布和計(jì)算

在橋梁項(xiàng)目施工建設(shè)的環(huán)節(jié)，樁基負(fù)摩阻力存在于多個(gè)位置上，但是并不是全部的負(fù)摩阻力都存在于軟弱基層結(jié)構(gòu)內(nèi)。在樁基結(jié)構(gòu)周邊的土體壓縮沉降反應(yīng)影響下，樁身正摩阻力會(huì)從上到下呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，負(fù)摩阻力首先出現(xiàn)在樁頂位置上，由于土體存在持續(xù)性的沉降、變形等問(wèn)題，就會(huì)造成樁周的負(fù)摩阻力快速下降。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，正、負(fù)摩阻力抵消的位置就是中性點(diǎn)，這一點(diǎn)上的側(cè)摩阻力是零。在中性點(diǎn)以上的部位，因?yàn)橥翆映两盗砍^(guò)樁基結(jié)構(gòu)，所以在中性點(diǎn)上部就是負(fù)摩阻區(qū)，而下部則是正摩阻區(qū)。中性點(diǎn)部位上的受力條件是受多種因素影響的，如樁基底部的基層硬度、樁周力學(xué)特性、樁體直徑、地下水分布等。從工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，中性點(diǎn)部位上的取值按表1。

表1 中性點(diǎn)深度取值

樁基持力層中性點(diǎn)深度/m黏土0.5～0.6中密以上砂土0.7～0.8卵砂石土0.9基巖1.0

3.4 嵌巖深度

樁基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，負(fù)荷是重要的參數(shù)和指標(biāo)，其主要影響嵌固深度，要從水平荷載、豎向荷載考慮分析。橋梁的豎向荷載主要包含自重、活載等，如在橋梁項(xiàng)目的施工中，基巖單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)15MPa，豎向負(fù)荷設(shè)計(jì)則沒(méi)有限制條件。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)確保嵌固深度符合要求并落實(shí)水平荷載的分析與研究。

3.4.1 樁基較長(zhǎng)，覆蓋層較厚

在橋梁樁基礎(chǔ)施工中基巖結(jié)構(gòu)厚度比較大，特征較為明顯。在這種情況下，樁基彎矩的主要優(yōu)勢(shì)就是可以直接插入覆蓋土層結(jié)構(gòu)，而其他的絕大部分彎矩研究剪力都是覆蓋土承載的。由此可見(jiàn)，在樁基建設(shè)完成后，樁基對(duì)于基底嵌固樁不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的握裹作用力?；诖耍跇蛄簶痘脑O(shè)計(jì)中，如果長(zhǎng)度較長(zhǎng)，覆蓋層的厚度比較大，應(yīng)綜合分析覆蓋層的厚度、土層性質(zhì)、樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等因素，綜合考慮多個(gè)要素，最終確定嵌巖樁深度為0.5～1.5m。

3.4.2 樁基較短，無(wú)覆蓋層

如果樁基施工中，其覆蓋層的厚度較小、淺基巖的埋設(shè)深度比較大，這就可以確定按照剛性樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以在樁基水平荷載計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)嵌巖深度確定。在嵌巖深度確定時(shí)，需按照公式（2）計(jì)算：

式（2）中：

h

為嵌巖樁的嵌巖深度（m）；

M

為基巖頂面彎矩（kN·m）；

β

為系數(shù)，為0.5～1；

R

為基巖單軸抗壓強(qiáng)度（kPa）；

D

為鉆孔樁設(shè)計(jì)樁徑（m）。

4 橋梁樁基設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題

4.1 實(shí)地勘察地質(zhì)狀況

橋梁工程項(xiàng)目中，樁基是重要的組成結(jié)構(gòu)，承載上部橋梁結(jié)構(gòu)。不同橋梁項(xiàng)目有很大的差異，施工條件、地質(zhì)因素、結(jié)構(gòu)組成等都不同。在樁基設(shè)計(jì)開(kāi)始前，必須進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面勘查，了解實(shí)際情況后才能確定最佳設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況展開(kāi)全面勘察，獲取足夠的現(xiàn)場(chǎng)資料，確保方案設(shè)計(jì)符合要求。

4.2 橋梁樁基的基本性能合格

橋梁樁基設(shè)計(jì)達(dá)到合理性要求后，才能提升橋梁樁基承載性能，符合橋梁運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)?；诖耍跇蛄簶痘O(shè)計(jì)中，了解各方面要素，分析影響因素，并結(jié)合具體情況選擇最佳的樁型、結(jié)構(gòu)形式、樁徑、樁長(zhǎng)、樁距等參數(shù)，達(dá)到合理性的要求。在樁基設(shè)計(jì)中，承載力、基礎(chǔ)應(yīng)力、樁帽形式等都是影響樁基性能的關(guān)鍵，所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合分析各個(gè)方面的要素，確定最佳的樁基設(shè)計(jì)方案，提高結(jié)構(gòu)的承載性能，載荷傳輸能力也會(huì)得到提升。除了上述參數(shù)外，橋梁樁基的抗彎性能也是重要的技術(shù)指標(biāo)，是設(shè)計(jì)人員不能忽視的因素。

4.3 選擇正確的樁形及布局

目前我國(guó)的樁基礎(chǔ)形式比較多樣化，預(yù)制柱、鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、沉管灌注樁等都得到比較普遍的應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合各方面的要素，選擇合適的樁基設(shè)計(jì)形式，確保布局設(shè)計(jì)達(dá)到科學(xué)性、合理性的要求。綜合分析現(xiàn)場(chǎng)需要，了解現(xiàn)場(chǎng)條件，進(jìn)行上、下荷載試驗(yàn)分析，才能確定合理的樁基形式，使樁基布局合理，達(dá)到橋梁運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 采取合理的樁基配筋布置

以樁基內(nèi)力計(jì)算樁基配筋，應(yīng)達(dá)到合理性要求。在樁基內(nèi)力計(jì)算確定中，應(yīng)用m 法求解，樁身彎矩具備如下特點(diǎn)：其一，彎矩分布變化呈現(xiàn)出曲線形式，從頂向下逐步開(kāi)始衰減，并且衰減的速度非?？欤黄涠?，地面下3m 內(nèi)是樁身最大彎矩的出現(xiàn)位置；其三，樁身彎矩的第一個(gè)彎矩值以下的樁身主要的作用是傳輸豎向力，這一彎矩因?yàn)閺澗刂到茷榱?，所以不需要考慮；其四，樁基深度h=4/ah 時(shí)，為第一個(gè)樁身彎矩的位置。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通常選擇如下兩種配筋布置形式：其一，配筋設(shè)計(jì)的位置就是最大彎矩的位置。首先，應(yīng)確定特定的錨固長(zhǎng)位置，按照兩個(gè)過(guò)程分析，第一個(gè)在地面樁頂?shù)阶畲髲澗刂g距離的一半，第二個(gè)配筋減半后下到零下彎矩的位置。在固定好一個(gè)位置后，開(kāi)始確定具體的素混凝土施工部位。這一方式能有效地降低工程項(xiàng)目的成本，保證樁基結(jié)構(gòu)承載性能達(dá)到要求，如果存在事故問(wèn)題，也可以簡(jiǎn)單處理，樁體性能提升明顯。其二，將一半樁基主筋深入樁底為止。該方式施工作業(yè)難度小，鋼筋籠下入方便，固定效果明顯。

4.5 準(zhǔn)確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度

在橋梁樁基施工中，強(qiáng)度以及厚度都比較大的基巖周邊，分布著軟弱巖層，存在“兩軟夾一硬”的情況。在有些情況下，中間被夾的巖層強(qiáng)度性能無(wú)法滿(mǎn)足要求，對(duì)承載性能要求較高，導(dǎo)致鉆孔樁在進(jìn)入持力層之前，應(yīng)先穿越中間的夾層。在確定樁底巖層厚度時(shí)，應(yīng)從下述幾點(diǎn)出發(fā)：其一，嵌巖灌注樁的周邊部位嵌入的深度是完整的，同時(shí)強(qiáng)度性能也比較高，這種情況下嵌入深度為0.5m 即可滿(mǎn)足要求。其二，橋梁樁基位置確定的環(huán)節(jié)，不存在弱夾層、斷裂帶、洞隙等，一般按照3 倍樁徑設(shè)計(jì)深度。其三，巖體臨空面不會(huì)在樁端應(yīng)力的擴(kuò)散范圍內(nèi)，夾層設(shè)計(jì)為持力層的形式，通常來(lái)說(shuō)，必須同時(shí)滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)比較特殊的情況下，如橋梁處于巖溶區(qū)域，地質(zhì)條件比較特殊，并不能準(zhǔn)確地勘察地質(zhì)條件，持力層厚度、深度應(yīng)根據(jù)需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

5 結(jié)語(yǔ)

在橋梁樁基設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)驗(yàn)證內(nèi)容較多，一旦某個(gè)細(xì)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò)就會(huì)導(dǎo)致最終的結(jié)果與實(shí)際情況不符。所以，設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展該項(xiàng)工作時(shí)要明確設(shè)計(jì)要求，掌握設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照既定的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)，保證樁基設(shè)計(jì)方案具備合理性、科學(xué)性以及適用性，如此才能為橋梁工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。