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公路橋梁樁基設(shè)計(jì)

 在高速公路橋梁下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式當(dāng)中，樁基礎(chǔ)是**常用的形式之一。樁基礎(chǔ)以其穩(wěn)定性好、承載力高、節(jié)省材料、適用性強(qiáng)，是橋梁設(shè)計(jì)的主要選擇形式，它的受理機(jī)理是：**作用于樁端的地層阻力和樁周土層的摩阻力來(lái)支承軸向荷載，依靠樁側(cè)土層的側(cè)向阻力支承水平荷載。在橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選擇何種形式的樁基礎(chǔ)，對(duì)橋體結(jié)構(gòu)安全、安全便于施工、節(jié)約投資從而降低造價(jià)有著巨大的作用。本文主要介紹在實(shí)際工程設(shè)計(jì)及中如何因地制宜的選擇合理的樁基礎(chǔ)類型？如何根據(jù)橋位處地質(zhì)條件區(qū)分采用端承樁、摩擦樁、端承摩擦樁？怎樣準(zhǔn)確確定設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、樁徑及樁端持力層厚度？還有怎樣合理的進(jìn)行鋼筋混凝土樁基的配筋？上述問(wèn)題均為樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中的核心問(wèn)題，解決了上述問(wèn)題就意味著樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是成功的。 

1 端承樁和摩擦樁的區(qū)別 

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD63-2007）中提供了兩種典型的樁基形式，摩擦樁和端承樁，并對(duì)兩種樁基的適用情況范圍做了規(guī)定。摩擦樁即主要利用樁周的摩阻力提供承載力，一般認(rèn)為樁底的支撐力不足以提供足夠承載力；端承樁一般主要是利用樁端的支撐力提供承載力，樁周的摩阻力很小。從定義上看，樁基設(shè)計(jì)時(shí)端承樁應(yīng)該是首選，只有當(dāng)樁端的地質(zhì)條件不能滿足要求時(shí)，采選用摩擦樁。從實(shí)際工程上看，摩擦樁的樁長(zhǎng)一般都比端承樁要長(zhǎng)，造價(jià)較端承樁高，優(yōu)先選用端承樁是設(shè)計(jì)的原則之一。但是當(dāng)端承樁所要求的地質(zhì)條件埋深較深時(shí)，設(shè)計(jì)的端承樁長(zhǎng)度按摩擦樁設(shè)計(jì)都能滿足要求時(shí)，端承樁就失去了價(jià)值，這樣的設(shè)計(jì)采用摩擦樁更好。當(dāng)樁基按端承樁設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)和按摩擦樁設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)長(zhǎng)度接近時(shí)，一般宜按摩擦樁設(shè)計(jì)較安全。 

大量現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明：樁側(cè)阻力、端阻力的發(fā)揮性狀與上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長(zhǎng)徑比、嵌入基巖性質(zhì)和嵌巖深徑比、樁底沉渣厚度等因素有關(guān)。 

一般情況下，上覆土層的側(cè)阻力是可以發(fā)揮的，而且隨著長(zhǎng)徑比L/d的增大，側(cè)阻力也相應(yīng)增大；只有短粗的人工挖孔嵌巖樁，端阻力先于土層側(cè)阻力發(fā)揮，端阻力對(duì)樁的承載力起主要作用，屬端承樁。對(duì)L/d>15-20的泥漿護(hù)壁鉆（沖）孔嵌巖樁，無(wú)論是嵌入風(fēng)化巖還是完整基巖中，樁側(cè)阻力均先于端阻力發(fā)揮，表現(xiàn)出明顯的摩擦型。對(duì)于L/d≥40，且覆蓋土層不屬于軟弱土，嵌巖樁端的承載作用較小，此時(shí)樁基受力狀態(tài)為摩擦樁，樁端嵌入強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化巖層中即可。在某些地區(qū)，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁L/d>45時(shí)，嵌巖段總阻力占總荷載比例小于20%；L/d>60時(shí)，嵌巖段端阻力占總荷載比例小于5%。究其原因，一方面由于嵌巖樁樁身的彈性壓縮，導(dǎo)致樁頂沉降，這個(gè)彈性壓縮量引發(fā)了樁周土體的剪應(yīng)力，也即是土對(duì)樁的摩阻力。另一方面，鉆孔樁的孔底殘留的沉渣，形成一個(gè)可壓縮的軟墊，至使樁底也會(huì)產(chǎn)生沉降，這一沉降和上述樁本身的壓縮導(dǎo)致樁身與土體、嵌巖段樁身與巖體產(chǎn)生相對(duì)位移，從而產(chǎn)生側(cè)阻力。而這種樁身彈性壓縮和樁底沉降是隨著長(zhǎng)徑比L/d的增大而增大的，因而導(dǎo)致摩擦力和側(cè)阻力的增大。 

同時(shí)，傳遞到樁端的應(yīng)力也隨嵌巖深徑比hr/d的增大而減小。當(dāng)hr/d>5時(shí)傳遞到樁端的應(yīng)力接近于零；但對(duì)泥質(zhì)軟巖嵌巖樁，hr/d=5-7時(shí)，樁端阻力仍可占總荷載的5%～16%。 

由此可見(jiàn)，端承樁和摩擦樁的區(qū)分，不能單純從是否嵌巖來(lái)區(qū)分，要考慮上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長(zhǎng)徑比、嵌入基巖性質(zhì)、嵌巖深徑比和樁底沉渣厚度等因素。 

當(dāng)采用端承樁設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用大直徑少根數(shù)的設(shè)計(jì)方式；當(dāng)采用摩擦樁設(shè)計(jì)時(shí)，已采用小直徑多根數(shù)的設(shè)計(jì)方式。 

2 確定嵌巖深度及樁端持力層厚度 

橋梁工程樁基設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到兩軟弱巖層之間穿越強(qiáng)度很高的一定厚度的巖層（夾層），或者有些地區(qū)溶洞比較發(fā)育。如果這種夾層厚度不夠承載厚度要求，鉆孔樁就需要穿越夾層，以達(dá)到持力層，這對(duì)施工機(jī)械和施工進(jìn)度都是極大的考驗(yàn)。 

對(duì)樁底基巖厚度的確定，主要有三個(gè)條件：（1）不考慮樁身周圍覆蓋土層側(cè)阻力，嵌巖灌注樁周邊嵌入完整和較完整的未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化硬質(zhì)巖體的**小深度，按構(gòu)造要求0.5m；（2）要求樁底以下3倍樁徑范圍內(nèi)無(wú)軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布；（3）在樁端應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)無(wú)巖體臨空面。對(duì)于一般夾層，只要滿足前兩個(gè)條件即可作為持力層。對(duì)巖溶地區(qū)樁基，由于巖體形狀奇特多變，巖溶洞隙的分布毫無(wú)規(guī)律，現(xiàn)有勘探手段難以事先查明它的準(zhǔn)確位置及大小，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)、工程費(fèi)用增加?；谟?jì)算所需的邊界條件十分復(fù)雜，而巖溶地基比一般巖石地基影響因素更多，以前通常要求樁端下有4m、5m或5倍樁徑持力層厚度，對(duì)于不同樁徑、不同的單樁承載力，如果同樣要求基樁端面以下有5m完整基巖，兩者的可靠度是不盡相同的。為使樁基設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和試算數(shù)值相結(jié)合的方法來(lái)確定嵌巖深度及樁端持力層厚度。 

3 樁基配筋 

基樁各截面的配筋，理論上應(yīng)根據(jù)樁基內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算布置。樁基內(nèi)力可采用“m”法或其他有可靠依據(jù)的方法計(jì)算。按“m”法計(jì)算樁基時(shí)，樁身彎矩有四個(gè)特點(diǎn)。（1）彎矩分布規(guī)律近于一條自頂向下衰減的波形曲線，且衰減很快；（2）樁身**大彎矩發(fā)生在**個(gè)非完整波形內(nèi)，一般在地面以下約3m位置；（3）樁身彎矩在**個(gè)彎矩零點(diǎn)以下很小，可以忽略不計(jì)，其下樁身主要起傳遞豎向力作用；（4）**個(gè)彎矩零點(diǎn)位置在樁入土深度h=4/αh處。 

在設(shè)計(jì)中通常有兩種鋼筋布置方式。一種是根據(jù)**大彎矩處進(jìn)行配筋。從樁頂一直伸到**大彎矩一半處下一定錨固長(zhǎng)度位置，減少一半配筋再一直伸至彎矩為零下一定錨固長(zhǎng)位置，再下為素混凝土段，對(duì)于軟基，樁主筋**好穿過(guò)軟土層。另一種是將基樁主筋一半部分一直伸到樁底。從樁體受力和節(jié)省工程費(fèi)用以及發(fā)生事故處理的難度來(lái)看，前一種更合理。這是因?yàn)椋河捎跇痘^長(zhǎng)一段不設(shè)鋼筋，比后者節(jié)省了部分鋼筋；底部斷樁時(shí)，鋼筋籠拔出后，可原孔再鉆，減少扁擔(dān)樁發(fā)生機(jī)率。但是，第二種配筋方式可以減小施工難度，樁基灌注混凝土?xí)r，鋼筋籠的定位是十分重要的，鋼筋布置到樁底，易于固定鋼筋籠。 

4 結(jié)束語(yǔ) 

樁-土體系共同工作的問(wèn)題，是土木工程界長(zhǎng)期探索的課題。由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，計(jì)算方法日益復(fù)雜，但是土的參數(shù)之多樣性和離散性，其結(jié)果未必是“精確”的，這就迫使我們?nèi)绻O(shè)計(jì)好樁基礎(chǔ)，就必須首先完全的認(rèn)識(shí)與了解它，然后根據(jù)它與巖石、土壤、沉渣及自身的關(guān)系特性綜合考慮，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)，合理的設(shè)計(jì)使用樁基礎(chǔ)，力求經(jīng)濟(jì)適用，堅(jiān)固持久。