陳建云

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001）

無論何種形式的橋梁設(shè)計(jì)方案，樁基都是重要組成部分，當(dāng)前，多樣化的橋梁基礎(chǔ)類型中樁基憑借良好的承載能力、穩(wěn)定性等得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，樁基在施工過程中成本、技術(shù)難度等相對(duì)較低，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以滿足大范圍地質(zhì)條件施工要求。然而，為了保證工程質(zhì)量，樁基在設(shè)計(jì)過程中需要考慮其受力機(jī)理，圍繞橋梁工程設(shè)計(jì)方案，科學(xué)編制樁基設(shè)計(jì)思路，包括科學(xué)選擇樁基類型、設(shè)計(jì)樁基間距、計(jì)算樁基的承載力等，如此才能確保橋梁結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定。因此，樁基設(shè)計(jì)在橋梁中占據(jù)不可忽視的重要地位，開展相關(guān)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁工程闡述

為了更全面地闡述橋梁設(shè)計(jì)中的樁基設(shè)計(jì)重要性和要點(diǎn)，本文以XX 市區(qū)的XL 大橋工程為研究對(duì)象展開分析。該橋梁工程是該區(qū)域高架路的一部分，全長1 756.7m，寬度按照標(biāo)準(zhǔn)高架路要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，超過75m。橋梁工程全線由3 部分組成，分別是1 座高架橋、2 座匝道橋和1 座地面橋。工程位于我國東南部的亞熱帶季風(fēng)海洋氣候區(qū)域，空氣較為濕潤，且全年雨水較多，整體土質(zhì)相對(duì)較軟?；跉夂蛞蛩亍⒌刭|(zhì)條件等影響，橋梁工程設(shè)計(jì)如下：上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁和預(yù)制箱型板為主要結(jié)構(gòu)，橋梁的寬度和長度存在跨徑組合情況。從橋梁施工整體區(qū)域地貌、地層、地質(zhì)等條件分析，樁基設(shè)計(jì)是重點(diǎn)工序。工程綜合成本、質(zhì)量、安全性、穩(wěn)定性等方面思考，確定采取鉆孔樁和柱式墩兩種方式作為支撐，其中鉆孔樁樁徑最高為1.5m，最低為1.2m，樁長接近55m；柱式墩以鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)，約設(shè)置60根樁，樁長接近52m，樁徑在1.2～1.8m 范圍內(nèi)。采用的樁基設(shè)計(jì)方式與施工地點(diǎn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，施工區(qū)域內(nèi)涉及填土、黃灰-灰色黏土、粉土等土質(zhì)類型，還存在孤石等情況，復(fù)雜的地質(zhì)條件再加上地下水等影響均會(huì)對(duì)施工產(chǎn)生干擾，此時(shí)施工中還需要關(guān)注防水情況，否則會(huì)影響后續(xù)使用壽命和使用質(zhì)量。

2 地質(zhì)勘探和樁基豎向力產(chǎn)生機(jī)理

2.1 地質(zhì)勘探

通過系統(tǒng)地開展橋梁工程地質(zhì)勘探工作為橋梁工程樁基設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。在地質(zhì)勘探過程中，先對(duì)地質(zhì)、土層劃分、巖溶情況等進(jìn)行了解，明確各區(qū)域樁基設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和分布規(guī)律。然后，借助現(xiàn)代化技術(shù)對(duì)巖石分布、地下水位、地下水分布等進(jìn)行勘探，為后續(xù)提供參考依據(jù)。最后，針對(duì)橋梁工程設(shè)計(jì)方案對(duì)樁基的設(shè)置分布進(jìn)行勘探，采用鉆孔+物探方式全面了解樁基施工位置的地質(zhì)條件和地下水位。經(jīng)過勘探可知，工程區(qū)域土層包括黃灰-灰色黏土、粉土、青灰-灰黃粉質(zhì)黏土、黃灰-青灰黏粉土等，地下水位常年為1.3m，最高地下水位接近3.4m，還存在孤石。

2.2 樁基豎向力產(chǎn)生機(jī)理

樁基由于上部荷載與土體荷載的共同作用出現(xiàn)相對(duì)位移情況，同時(shí)由于樁基自重與上部荷載的影響，隨著時(shí)間的積累，樁基會(huì)逐步下沉，此時(shí)對(duì)土體產(chǎn)生剪切力，當(dāng)剪切力達(dá)到最大時(shí)，剪應(yīng)變持續(xù)增加，但剪應(yīng)力不再變化，就會(huì)導(dǎo)致樁基承受荷載變大，進(jìn)而影響其質(zhì)量和功能發(fā)揮。另外，樁與土體之間的相對(duì)位移可按照3 部分進(jìn)行分析：第一，樁身壓縮變形。通常變形集中在樁底和樁周上，樁身變形較小，以樁長25m、直徑1.2m 的空心板樁為例，樁身形變量僅為2mm，可以忽略不計(jì)。第二，樁底沉降變形。該沉降產(chǎn)生與鉆孔樁施工技術(shù)有關(guān)，鉆孔時(shí)清孔不徹底導(dǎo)致內(nèi)部留有殘?jiān)?，隨著時(shí)間的積累，以及受到樁基自重和上部結(jié)構(gòu)荷載的影響，可出現(xiàn)約為0.1～0.2m 的沉降變形。第三，樁周沉降變形。樁周在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)受到自身重量和上部結(jié)構(gòu)荷載的干擾，進(jìn)而出現(xiàn)沉降變形問題，且變形量與樁底相似，相對(duì)樁身壓縮形變更為明顯。

3 橋梁工程樁基設(shè)計(jì)

3.1 樁基類型選擇、間距設(shè)計(jì)

橋梁樁基按照上荷載的傳播路徑可分為端承樁和摩擦樁兩部分，其中端承樁適用于硬質(zhì)基巖施工場(chǎng)景，可深入土層并布設(shè)在基巖上，依托基巖良好的支撐能力保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，相對(duì)摩擦樁而言，端承樁樁體更少出現(xiàn)相對(duì)位移等現(xiàn)象。摩擦樁適用于土層較厚、樁基長度難以抵達(dá)硬質(zhì)土層等場(chǎng)景，其主要依靠樁身、樁周土層的摩擦力保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，該樁型樁端土層和基巖反力相對(duì)較小。結(jié)合對(duì)兩種樁基類型的分析，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)基于地質(zhì)條件等科學(xué)選擇樁基類型。

同時(shí)，端承樁和摩擦樁樁端阻力、側(cè)阻力與樁長徑比值存在關(guān)聯(lián)，但樁長徑比值在15～20 范圍內(nèi)，且樁底位于持力層時(shí)，樁側(cè)阻力先發(fā)揮作用；當(dāng)樁長徑比值高于40、沒有軟弱土層覆蓋且樁端嵌入中強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，端承樁樁端承載力相對(duì)較小，在選擇樁基類型時(shí)也需要注意這一問題。

另外，橋梁樁基設(shè)計(jì)中的間距是思考要點(diǎn)。設(shè)計(jì)中需要結(jié)合鄰樁施工影響確定最小間距范圍，避免出現(xiàn)群樁效應(yīng)。如果設(shè)置的樁間距過大，會(huì)影響樁基荷載承載力，進(jìn)而影響橋梁的穩(wěn)定性；如果樁間距過小，不僅會(huì)增大施工成本，也會(huì)導(dǎo)致施工難度增大。因此，科學(xué)設(shè)置樁間距是重要任務(wù)。橋梁橋臺(tái)需要采用“群樁+大承臺(tái)”設(shè)計(jì)形式，從而確保各樁身、樁基之間互補(bǔ)，提升安全性和穩(wěn)定性，該區(qū)域樁間距應(yīng)基于樁徑進(jìn)行思考，一般應(yīng)控制在樁徑的6～8 倍范圍內(nèi)，其中最小間距必須高于橋頭直徑的3.5 倍。

3.2 樁基承載力

橋梁樁基在橋面支撐中發(fā)揮著重要作用。因此，為了保證安全，在設(shè)計(jì)最初需要計(jì)算樁基承載力、最大支撐能力等，取得橋梁所能承受的最大荷載，驗(yàn)證其是否滿足實(shí)際需求，為后續(xù)施工建設(shè)奠定基礎(chǔ)。計(jì)算樁基承載力的公式如下：

式中，[P]為所能承載的最大荷載值； (c1、c2U代表樁基穩(wěn)定系數(shù)；A 為樁基底截面積；U 為樁基插入巖層內(nèi)底面周長；h 為樁基去除風(fēng)化層之后插入巖層的深度；)Ra為樁基底巖石基線抗壓強(qiáng)度。計(jì)算過程中，以公式（1）為基礎(chǔ)，且需要明確各參數(shù)，如果忽略其中部分?jǐn)?shù)值，會(huì)影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，容易產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷。

除此之外，在計(jì)算過程中，上述各參數(shù)也會(huì)受到自然因素、水文條件等影響，在計(jì)算中除了關(guān)注公式本身涵蓋的參數(shù)外，還要注重實(shí)際情況，如此才能保證設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求，達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 樁基負(fù)摩阻力

3.3.1 產(chǎn)生原因

樁長計(jì)算中涉及的摩阻力是周圍土體沉降低于樁體沉降時(shí)土體對(duì)樁體施加的向上摩阻力，也被稱為正摩阻力。樁側(cè)摩阻力的方向與樁體、周圍土體相對(duì)位移方向有關(guān)。對(duì)于橋梁工程，樁基在軟土范圍內(nèi)必然會(huì)因自重、荷載等出現(xiàn)沉降變形現(xiàn)象，且土體也會(huì)隨之發(fā)生變形沉降。一旦土體沉降量高于樁基沉降量，就會(huì)對(duì)樁基形成向下的摩阻力，也就是負(fù)摩阻力。

如果忽略軟土負(fù)摩阻力的影響，按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，確定的樁基承載力符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但實(shí)際應(yīng)用過程中，無法忽略軟土負(fù)摩阻力的干擾，因此，計(jì)算中必須考慮這一內(nèi)容帶來的影響。通常容易出現(xiàn)樁基負(fù)摩阻力的情況主要集中在地表橋梁、橋臺(tái)路基填土量大，荷載量大；地下水抽取嚴(yán)重、土體自重導(dǎo)致的沉降嚴(yán)重等方面，在樁基設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。

3.3.2 分布和計(jì)算

樁基負(fù)摩阻力并不完全來自軟弱基層，在樁周壓縮沉降下，樁身正摩阻力減小也會(huì)導(dǎo)致樁頂出現(xiàn)負(fù)摩阻力，土體沉降變形日益嚴(yán)重，負(fù)摩阻力的作用范圍也會(huì)隨之下移，當(dāng)正摩阻力與負(fù)摩阻力相互抵消時(shí)，這一位置被稱為中性點(diǎn)，此時(shí)樁側(cè)摩阻力為0。中性點(diǎn)以上，由于土體沉降大于樁基沉降，所以，受負(fù)摩阻力影響，中性點(diǎn)以下正好相反為正摩阻力影響范圍。基于此，在計(jì)算過程中準(zhǔn)確判斷中性點(diǎn)的位置是關(guān)鍵。

中性點(diǎn)位置會(huì)受到多種因素干擾，如樁底持力層硬度、樁周土體力學(xué)屬性等，一般情況下，樁底持力層硬度越大，中性點(diǎn)越深；樁周土體硬度越大，中性點(diǎn)越深。在確定橋梁樁基中性點(diǎn)深度時(shí)，可參考表1 取值。

表1 中性點(diǎn)深度取值范圍

圍繞上述分析，為了確保計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，在上述式子基礎(chǔ)上，將負(fù)摩阻力融入其中，形成如下公式。

上述式中，σξn為樁周土負(fù)摩擦力系數(shù)、σ為樁周豎向有效應(yīng)力值、qn為樁基負(fù)摩阻力、F 為樁基各地層負(fù)摩阻力和、n 為負(fù)摩阻力生產(chǎn)的土層數(shù)、D 為樁徑、z 為生成土層厚度。其中，σξn的取值范圍見表2。

表2 樁周土負(fù)摩擦力系數(shù)取值范圍

3.4 嵌巖深度

這一深度與樁基荷載存在聯(lián)系，橋梁樁基荷載包括兩方面內(nèi)容，其中水平荷載和豎向荷載均發(fā)揮重要作用。豎向荷載由橋梁結(jié)構(gòu)自重和活荷載作用產(chǎn)生，但是，一旦基巖單軸抗壓強(qiáng)度低于15MPa，則可以忽略豎向樁基荷載。本文研究的工程案例已經(jīng)超出這一范圍，所以，在分析過程中可以忽略豎向荷載，只考慮水平荷載的影響即可。

由于基巖土體厚度較大，樁基在設(shè)計(jì)過程中為了保證自身功能效果，會(huì)保證彎矩值最大段在土層覆蓋范圍內(nèi)，進(jìn)而確保大部分的彎矩和剪力被土層承擔(dān)，降低基地嵌巖對(duì)樁身的握裹作用。而在考慮嵌巖深度過程中，土層屬性、軟土厚度、橋梁結(jié)構(gòu)等也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，因此，需要綜合多方面因素進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，如果覆蓋土層較深厚，需要確保嵌巖樁在0.5～1.5m 范圍內(nèi)。

另外，在橋梁實(shí)際設(shè)計(jì)中還存在樁基較短、無覆蓋層的問題。此時(shí)基巖掩埋深度較淺，嵌巖樁為剛性樁，水平荷載全部來源于嵌巖樁深度。在計(jì)算嵌巖深度時(shí)應(yīng)按照剛性樁樁基的計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，且確保參數(shù)符合國家相關(guān)規(guī)范文件要求。

3.5 樁端持力層厚度

嵌巖樁和支承柱要想保證自身承載效果，都需要強(qiáng)度較大的持力層提供助力。結(jié)合工程相關(guān)設(shè)計(jì)思路來看，有巖層存在且由于自然氣候等因素干擾，巖石類型、風(fēng)化情況等存在差異，此時(shí)需要結(jié)合不同強(qiáng)度的巖石類型、風(fēng)化產(chǎn)物等進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。通常強(qiáng)度在20～200MPa 范圍內(nèi)的硬質(zhì)巖符合嵌巖樁樁基強(qiáng)度條件?；诖?，本文在設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)合巖石類型進(jìn)行分析，由于本文工程地質(zhì)條件中涉及硬質(zhì)巖弱風(fēng)化層和硬質(zhì)巖弱風(fēng)化層，一旦設(shè)計(jì)不合理，嵌入設(shè)計(jì)存在不足，不僅會(huì)影響穩(wěn)定性，增大施工難度，還會(huì)延長工期。綜上，在嵌巖樁設(shè)計(jì)中，從巖層的裂隙發(fā)育情況、巖石強(qiáng)度等入手判斷其樁基豎向應(yīng)力要求，在符合豎向應(yīng)力要求前提下，選擇硬質(zhì)巖弱風(fēng)化層設(shè)計(jì)嵌巖樁持力層有積極作用。

4 結(jié)語

綜上所述，橋梁設(shè)計(jì)樁基是不可忽視的主要組成之一，對(duì)橋梁的安全性和穩(wěn)定性有直接影響。因此，樁基設(shè)計(jì)是橋梁設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，也是當(dāng)前巖土工程施工建設(shè)的熱點(diǎn)研究話題。在橋梁樁基設(shè)計(jì)中，樁體、土體之間的作用機(jī)理不可被忽視。