薄壁橋臺嵌巖樁基礎(chǔ)斜樁與直樁設(shè)計方案的比較

張利強(qiáng)

(中交第一公路工程局有限公司海外公司，北京100038)

0 引言

莫桑比克Nampula－Cuamba道路升級改造項目初步設(shè)計由日本一家公司設(shè)計，中交一局海外公司承擔(dān)該項目第二標(biāo)段的施工，其中Monapo橋基礎(chǔ)采用斜樁基礎(chǔ)，在施工前進(jìn)行地質(zhì)鉆探后發(fā)現(xiàn)，該橋的地層情況與設(shè)計方采用的地層資料不一致，初步設(shè)計時采用的地層資料在距地表7～10 m已經(jīng)進(jìn)入新鮮巖層，但鉆探資料顯示，新鮮巖層要在距地表25～29 m才出現(xiàn)。筆者就薄壁橋臺嵌巖樁在不同樁長及不同臺高情況下就斜樁與直樁兩種樁型進(jìn)行計算分析比較，分析總結(jié)斜樁和直樁的適用條件和兩種樁基形式在相同使用條件下的優(yōu)劣，從而在設(shè)計中根據(jù)不同的設(shè)計條件選擇合理的樁形。

1 Monapo橋梁概述

Monapo橋為2×16 m組合梁橋，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制鋼筋混凝土Ⅰ形梁和現(xiàn)澆橋面板構(gòu)成，橋臺為八字形薄壁臺，橋墩為實體薄壁墩，初步設(shè)計中墩臺基礎(chǔ)為直徑762 mm斜樁基礎(chǔ)，樁長平均11 m，橋臺樁基底加設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿以增加樁基抗拔力。

地質(zhì)資料:0～1.6 m為素填土，灰褐色，主要為中砂雜粉質(zhì)粘土，土質(zhì)干燥松散;1.6～3.6 m為粉質(zhì)粘土，灰色，含腐殖質(zhì)，局部近淤泥質(zhì);3.6～6 m為細(xì)砂，灰色，局部近粉砂;6～8.1 m為粉質(zhì)粘土，灰黃、棕黃夾灰色，夾中砂沙粒，底部偶見小石英塊;8.1～25.9 m為全風(fēng)化片麻巖，灰褐夾黑色，已全風(fēng)化成中粗砂，夾有粉質(zhì)粘土;25.9～26.9 m為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，灰黃色，片麻理結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部已全風(fēng)化成中粗砂，手可捏碎;26.9～29.5 m為微風(fēng)化片麻巖，灰黃局部青灰色，片麻理結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造;29.5～31.8 m為微風(fēng)化花崗巖，灰黃色，局部肉紅色，局部近花崗片麻巖。

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，重新設(shè)計承臺及樁基，樁基及承臺布置如圖1所示。

2 橋臺結(jié)構(gòu)分析計算

橋臺結(jié)構(gòu)采用Prokon 2.5結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行分析計算;采用南非規(guī)范《Code of Practice for Design of Road Bridges and Culverts》(1998)和 SABS 0100－2000。

上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載采用集中荷載加載，土壓力及車輛荷載引起的土壓力采用面荷載加載;采用土體容重18 kN/m3及0.4土壓力側(cè)向系數(shù)計算土壓力;車輛荷載采用NA、NB、NC三種車輛荷載;荷載組合按照《Code of Practice for Design of Road Bridges and Culverts》5.2 進(jìn)行組合。樁基配筋采用按樁底固結(jié)、樁頂部分固結(jié)無側(cè)向支撐計算。

圖1 6 m高橋臺基礎(chǔ)平面圖

計算分析中，6 m高橋臺樁基采用1 m樁徑，10 m高橋臺樁基采用1.2 m樁徑，橋臺采用C30混凝土，樁基采用C25混凝土，G450鋼筋。

分析模型如圖2所示。

結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如表1、表2所示。

3 計算結(jié)果分析

(1)通過以上結(jié)構(gòu)計算分析可知，在臺高和樁長相同的情況下，斜樁的軸向力和彎矩均小于直樁，部分斜樁和直樁的彎矩值相差4倍以上; (2)對于高度較低橋臺(臺高≤6 m)，斜樁方案和直樁方案樁底均沒有出現(xiàn)拉力;

(3)對于高度較高的橋臺(臺高6～10 m)，直樁方案樁基底均出現(xiàn)拉力，而且，相同臺高情況下，樁基越長，樁底拉力越大，設(shè)計中須進(jìn)行抗拔驗算，必要時樁底加設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿以增加樁基抗拔力;

(4)對于高度較低的橋臺(臺高≤6 m)，當(dāng)樁長較短(≤15 m)時，斜樁和直樁配筋量基本相同，當(dāng)樁長較長(＞15 m)時，直樁的配筋量是斜樁配筋量的1倍左右;

圖2 不同橋臺高度斜樁與直樁分析模型

(5)對于高度較高的橋臺(臺高6～10 m)，斜樁和直樁的配筋量除10 m樁長相同外，其余樁長直樁配筋量是斜樁配筋量的2～5倍。

表1 6 m橋臺樁基計算表

表2 10 m橋臺樁基計算表

4 結(jié)語

通過以上計算分析可知，當(dāng)橋臺高度較低(臺高≤6 m)時，直樁與斜樁方案均可行，樁長為15～25 m的斜樁方案在鋼筋使用量上優(yōu)于直樁方案，其余樁長情況斜樁與直樁方案鋼筋用量相差不大;當(dāng)橋臺高度較高(6～10 m)時，直樁方案樁基底出現(xiàn)拉力，除在樁底加設(shè)抗拔設(shè)施外，鋼筋使用量比斜樁方案大2～3倍，因此對于高橋臺，除考慮施工設(shè)備和施工工藝外，斜樁方案優(yōu)于直樁方案，樁徑1 m，平均樁長17 m。

本項目的Monapo橋橋臺高度為5～6 m，樁基設(shè)計長度為15～25 m，從結(jié)構(gòu)安全性和材料使用量上，斜樁方案優(yōu)于直樁方案。但我們項目施工設(shè)備和施工人員均來自國內(nèi)，由于國內(nèi)公路鐵路橋梁很少使用斜樁，因此基本沒有用于斜樁施工的專用設(shè)備，只有少數(shù)廠家通過臨時改造直樁施工設(shè)備來用于斜樁施工;施工人員對斜樁施工也缺乏實踐經(jīng)驗，鑒于以上原因，Monapo橋采用直樁方案，樁徑1 m、平均樁長17 m。

通過上述樁基計算分析發(fā)現(xiàn)，在高橋臺樁基設(shè)計中，斜樁基明顯優(yōu)于直樁基，但在國內(nèi)橋梁設(shè)計中卻很少使用，這主要是因為國內(nèi)缺少斜樁基施工的專用設(shè)備;但斜樁基在日本、南非和歐洲國家已經(jīng)普遍使用，同時也促進(jìn)了斜樁專用施工設(shè)備在這些國家的發(fā)展。我國有很多橋梁項目，希望國內(nèi)設(shè)計人員設(shè)計中適當(dāng)優(yōu)先考慮采用斜樁基，以促進(jìn)國內(nèi)斜樁基設(shè)備的研發(fā)和使用，提高我國橋梁設(shè)計施工綜合實力。

［1］Code of Practice for Design of Road Bridges and Culverts(1998)［S］.

［2］SABS 0100 －2000［S］.

［3］江祖銘，王崇禮.公路橋涵設(shè)計手冊——墩臺與基礎(chǔ)［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］邵旭東.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］Tyler G.Hicks.Handbook of Civil Engineering Calculations［M］.北京:高等教育出版社，1999.