關(guān)于既有橋梁基礎(chǔ)驗算中幾個問題的探討

楊 宇，程愛君

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

關(guān)于既有橋梁基礎(chǔ)驗算中幾個問題的探討

楊 宇1，程愛君2

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

基礎(chǔ)在投入使用后，設(shè)計時使用的規(guī)范難免會發(fā)生變更或調(diào)整。此時，若對既有橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行驗算，應(yīng)怎樣選用相關(guān)規(guī)范的規(guī)定值得探討。本文結(jié)合新舊《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的特點，就既有橋梁基礎(chǔ)驗算時應(yīng)注意的幾個問題進(jìn)行了探討。

基礎(chǔ) 驗算 承載力 沉降

橋梁基礎(chǔ)設(shè)計時一般是按照設(shè)計時的有效規(guī)范進(jìn)行的。但基礎(chǔ)在投入使用后，設(shè)計時使用的規(guī)范往往會發(fā)生變更或調(diào)整，如與1985年頒布的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［1］相比，2007年頒布的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)條文就存在較大的變更或調(diào)整［2］。對于相關(guān)規(guī)范的變更，基礎(chǔ)驗算的要求是否要作相應(yīng)調(diào)整，如何調(diào)整，目前尚無明確的規(guī)定。本文就既有橋梁基礎(chǔ)驗算中幾個常見的問題進(jìn)行了探討。

1 樁基礎(chǔ)自重的考慮

2005年頒布的《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定在檢算樁的軸向受壓承載力時應(yīng)將樁的全部自重作為外荷載考慮［3］。而1985年和2007年頒布的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定對于鉆孔灌注樁，將局部沖刷線以下樁身自重的1/2作為外荷載考慮［2］。此外，還有一種意見，認(rèn)為樁身自重可以完全不考慮［4］。對于木樁或小直徑的短的空心鋼筋混凝土樁而言，按這三種不同意見的計算結(jié)果相差不大，但對于大直徑的長的實心鋼筋混凝土樁，則計算結(jié)果往往出入懸殊。

其實從理論上講，樁身自重問題可以按下述方法進(jìn)行分析［3-4］。

當(dāng)樁置入土中后(不論是打入樁還是鉆孔灌注樁)，樁側(cè)土和樁底土將共同承受樁身自重 P′1與樁身所占同體積土重P″1之差的附加外荷載 P1(P1=P′1－P″1，當(dāng) P′1≤P″1時，應(yīng)取 P1=0)。

當(dāng)樁進(jìn)行靜載試驗，樁頂作用外荷載 N時，樁側(cè)土和樁底土則共同承受外荷載P1+N。如果靜載試驗中加于樁頂?shù)耐夂奢dN逐漸增大到某一Nmax值，樁的荷載—沉降曲線出現(xiàn)明顯拐點(或陡降點)時，則P1+Nmax的前一級荷載P1+N′max可以認(rèn)為是樁側(cè)土和樁底土共同承受的極限荷載P′u，也就是樁的極限承載力。

按工程習(xí)慣以 Pu代表 N′max，則樁的極限承載力P′u=P1+Pu，其中Pu為靜載試驗中通常所說的“樁的極限承載力”。但實際上，Pu并不是樁的實際極限承載力，而只是當(dāng)樁達(dá)到極限承載力 P′u時，靜載試驗加于樁頂?shù)南鄳?yīng)外荷載。

事實上樁的P—S曲線是圖1中以虛線坐標(biāo)軸所作的曲線圖，而該圖中對應(yīng)于實線坐標(biāo)軸的曲線只是樁的P—S曲線中的一部分，這一部分是由靜載試驗得來的。雖然圖中P1作用下樁的沉降S1通常沒有測出來，O′～O段虛線繪制不出來，但對于分析并無影響，仍可根據(jù)靜載試驗實測的Pu來進(jìn)行樁的軸向受壓承載力的計算。

圖1 P—S曲線

假設(shè)設(shè)計中作用于樁頂?shù)妮S向受壓外荷載為N，樁的受壓承載力的安全系數(shù)為K，則只要求N值滿足式(1)要求就可以認(rèn)為樁的設(shè)計是安全的。

因為 P1=P′1－ P″1，P′u=Pu+P′1－ P″1，且通常取 K=2，于是式(1)可以改寫為

也就是說，如果對于一般土根據(jù)靜載試驗所得的Pu檢算樁的軸向受壓承載力，只要按式(4)將作用于樁頂上的軸向壓力荷載N，加上樁身自重與樁身所占同體積土重之差的1/2，小于或等于Pu/2，即可認(rèn)為滿足了安全要求。當(dāng) P′1≤P″1時，應(yīng)取 P1=0 及 P′1－ P″1=0。

P′u/K通常認(rèn)為是摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值［Ra］，并且可以按規(guī)范計算，如在《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)［3］和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)［4］中，均認(rèn)為對于摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值［Ra］可按下列公式計算

其中，［Ra］為摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值，u為樁身周長，Ap為樁端截面積，n為土層數(shù)，li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度，qik為li對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，qr為樁端處土的承載力容許值。

由上述分析可見，從理論上而言，摩擦樁樁頂承受的軸向壓力加上樁身自重與樁身入土部分所占同體積土重之差，應(yīng)不大于摩擦樁單樁軸向受壓承載力容許值才是安全的。因此，在既有橋梁樁基礎(chǔ)驗算時，樁基礎(chǔ)自重應(yīng)按照樁身自重與樁身入土部分所占同體積土重之差作為外荷載進(jìn)行計算。

2 基礎(chǔ)沉降允許值

對于非外超靜定結(jié)構(gòu)橋梁墩臺，《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)規(guī)定相鄰墩臺均勻總沉降差值(不包括施工中的沉降)為1.0，其中 L為相鄰墩臺最小跨徑長度，以m計?？鐝?25 m時仍以25 m 計算［1］。

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)中則規(guī)定對于非外超靜定結(jié)構(gòu)橋梁墩臺，相鄰墩臺間不均勻沉降值(不包括施工中的沉降)不應(yīng)使橋面形成大于0.2%的附加縱坡［2］。

上述兩種規(guī)定對墩臺不均勻沉降的限值有較大差異?？傮w而言，《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)中對墩臺不均勻沉降限值的規(guī)定比《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)寬松。

對按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)設(shè)計的橋梁，如果驗算時，不均勻沉降限值放寬的話，易對上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力造成較大影響。同時考慮到目前的《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》［5］中對于墩臺沉降的規(guī)定與《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)的規(guī)定基本一致，因此建議在《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)實施前設(shè)計的橋梁，其墩臺的沉降限值可按原設(shè)計采用的規(guī)范中的規(guī)定選用;按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)設(shè)計的橋梁，其墩臺的沉降限值按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)中的規(guī)定采用。

3 基礎(chǔ)沉降的計算

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)［1］中規(guī)定采用分層總和法進(jìn)行沉降計算，而《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)［2］則采用國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)中的簡化分層總和法進(jìn)行計算。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)［6］中的簡化分層總和法在沉降計算中已經(jīng)應(yīng)用多年，效果較好。并且該方法已經(jīng)形成計算表格，計算方便，因此建議按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)規(guī)定的方法進(jìn)行基礎(chǔ)沉降驗算。

在進(jìn)行基礎(chǔ)沉降驗算時，計算荷載的選取應(yīng)按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)的規(guī)定進(jìn)行。

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)［1］中規(guī)定沉降計算僅考慮結(jié)構(gòu)重力及土重，即僅計恒載。而《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)［2］中規(guī)定沉降計算的荷載效應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下的荷載長期效應(yīng)，即考慮永久荷載和可變荷載。這樣的規(guī)定，顯然更符合實際和偏于安全。

4 基礎(chǔ)承載力的提高

對于根據(jù)樁側(cè)巖土體摩阻力及樁端巖土體容許承載力驗算承載力的方法，目前相關(guān)規(guī)范規(guī)定在特定條件下可以提高樁基的豎向承載力。

對于橋梁墩臺地基，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運函［2004］120號)中規(guī)定如無傾斜等病害且沉降基本終止時，橋梁墩臺地基的容許承載力可以適當(dāng)提高，且提出了明確的提高系數(shù)［7］。

在《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.5—2005)中規(guī)定既有墩臺的地基土因多年運營被壓密，其基本承載力可予以提高，但提高值不應(yīng)超過 25%［3］。

在《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)［2］及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024—85)［1］中均規(guī)定對于經(jīng)多年壓實未遭破壞的舊橋基，地基土承載力均可提高，但提高系數(shù)不同。

《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運函［2004］120號)中規(guī)定對于經(jīng)過長期運營，沉降基本終止的樁基豎向承載力可按原設(shè)計值提高20%［7］。

從上述規(guī)范中的規(guī)定可見，對于沉降穩(wěn)定且無其他病害的橋梁基礎(chǔ)，其承載力是可以提高的。

進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)承載力驗算時，對于樁側(cè)摩阻力，從保證安全的角度出發(fā)，樁基礎(chǔ)側(cè)摩阻力建議不予提高，地基土容許承載力可以適當(dāng)提高，但提高值不應(yīng)超過原設(shè)計取值的25%。經(jīng)提高后的樁基礎(chǔ)整體豎向承載力不應(yīng)超過原設(shè)計值的20%。

5 樁基礎(chǔ)沉降的驗算

對于實際使用的樁基礎(chǔ)，工作形狀的優(yōu)劣首先體現(xiàn)在受荷后的沉降是否符合使用要求，而樁基礎(chǔ)的沉降不僅在于樁身受荷壓縮，也在于巖土層受荷后的壓縮變形。亦即，如果受荷后樁基礎(chǔ)沉降過大，即使計算承載力很大，樁基礎(chǔ)也是不合格的。因此在實際計算中，基礎(chǔ)的承載能力往往是由沉降控制的。

對于群樁，建議按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)驗算沉降量。對于單樁，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)的規(guī)定進(jìn)行。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)中規(guī)定，對于單樁基礎(chǔ)，可以按照以下方式計算最終沉降量s［8］

式中 m——以沉降計算點為圓心，0.6倍樁長為半徑的水平面影響范圍內(nèi)的基樁數(shù);

σzi——水平面影響范圍內(nèi)各樁基對應(yīng)力算點樁端平面以下第i層土1/2厚度處產(chǎn)生的附加豎向應(yīng)力之和;

Δzi——第 i層土層厚度;

Esi——第i層土層的壓縮模量;

Qj——第j樁頂?shù)母郊雍奢d;

lj——第 j樁樁長;

Aps——樁身截面面積;

αj——第j樁總端阻力與樁頂荷載之比，近似取

極限總端阻力與單樁極限承載力之比;

Ip，ij、Is，ij——分別為第 j樁的樁端阻力和樁側(cè)阻力對計算軸線第i計算土層1/2厚度處的應(yīng)力影響系數(shù)，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)取值;

Ec——樁身混凝土的彈性模量。

對發(fā)生了沉降且沉降穩(wěn)定但未超過橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范限值的樁基礎(chǔ)進(jìn)行驗算時，首先應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查掌握樁基礎(chǔ)的沉降情況，并確定樁基礎(chǔ)的下臥層及樁周土的各類與計算有關(guān)的參數(shù)，根據(jù)樁基礎(chǔ)實際承受的最大外荷載(或設(shè)計荷載)代入相關(guān)公式計算單樁沉降，然后將計算值與實測值進(jìn)行比較分析。

6 結(jié)語

本文針對基礎(chǔ)投入使用后相關(guān)規(guī)范變更或調(diào)整時，橋梁基礎(chǔ)驗算中應(yīng)注意的幾個問題進(jìn)行了探討?？傮w而言，基礎(chǔ)驗算應(yīng)結(jié)合設(shè)計時的特點，結(jié)合不同規(guī)范的合理規(guī)定進(jìn)行。

［1］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTJ024—85 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，1985.

［2］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTGD63—2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［4］胡人禮.橋梁樁基礎(chǔ)分析和設(shè)計［M］.北京：中國鐵道出版社，1987.

［5］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTGH11—2004 公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［7］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［8］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

U441;U443.1

A

1003-1995(2011)03-0010-03

2010-10-14;

2010-12-08

北京市科技計劃項目(D08050303450801);西部交通建設(shè)科技項目(200731822330)

楊宇(1976— )，男，湖南醴陵人，副研究員，博士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)