基于公路橋梁中大直徑樁基礎設計分析

文∕王勁松

1 前言

大直徑橋梁基礎設計工程屬于系統性工程，在設計環節應用到的理論知識較多，另外設計時還需對大直徑樁基的受力原理以及橋梁結構原理分析，從而保證樁基的負重摩擦力以及承載力達到工程建設的需求。在大直徑樁基礎設計的過程中，需要綜合各種因素進行分析，全面提升橋梁耐久性和安全性，從而推動公路橋梁項目的不斷發展。因此，對橋梁工程建設中大直徑樁基礎的設計要點分析、綜合性探尋出有效的設計方案就尤為重要。

2 工程概況

某山區橋梁工程全長1.7km，本工程屬于雙向車道，且結構較為特殊，上部采用的是現澆混凝土連續箱結構橋梁，下部則采用大直徑樁基礎結構。

3 地質情況分析

該橋梁結構層一共設計為7 層，且每一層的施工設計都存在差異性。首先第1 層為路基層，該層路基以填土為主，厚度≥1m；第2 層屬于加固層，加固層選擇硬質黏土鋪設，厚度≥1.4m；第3 層屬于填充層，填充選擇碎石施工，需注意的是填充階段要將碎石與亞粘土攪拌后填充，以提升整體穩定性，同時其厚度控制為3.6m 范圍內；第4 層為強化層，強化層選擇風化石與巖石填充，且厚度控制為3.5m 左右；第5 層是風化層，通過有效利用風化作用使泥巖快速發育、開裂形成夾粉泥巖后進行鋪設，厚度設計為3.5m；第6 層為弱風化層，雖然其具備風化特性，但本質上與上層風化還是存在區別，故而只需要把粉砂質的巖石進行風化后再將其作為巖心進行鋪設即可，厚度控制為2.6m；第7 層屬于微風化層，與上層風化特征一致，微風化層也需要發育后出現裂隙滿足設計需求[1]。

4 公路橋梁大直樁基設計

4.1 準確計算大直樁基承載力設計

在大直徑樁基承載力設計的過程中，其承載力高低直接影響到橋梁結構的安全性和耐久性。按照大直徑樁基承載力的計算公式以及《公路橋涵地基與基礎設計規范》2019 版的要求，在設計中需要對支撐于基巖的結構進行計算，以保證單樁軸向受壓能力達到需求，具體公式如下：

［P］=（c1A+c2Uh）Ra

其中，Ra 代表的是巖石單軸的抗壓極限強度；h代表的是基巖狀體嵌入深度值（但不涉及分化層的厚度）；U 代表的是基礎巖樁體嵌入的截面周長（計算上按照設計直徑的要求計算）；A 代表的是樁基礎底面的截面面積；c1、c2 主要指的是根據清孔情況與巖石的破碎率等因素確定的有關系數。

根據該公式可知，嵌巖樁本身的單樁軸向受壓容許指嵌巖樁其包含多個因素，即：清孔情況、巖石破碎值、樁低位置嵌入巖石的深度以及強度因素。按照JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》要求可知，端承樁屬于嵌巖樁類型，在設計中能夠滿足上述公式的要求。但是需要注意的是，在設計層面上嵌巖樁要控制好其凈高度。因為樁底巖石堅硬度很大，能夠減少樁的位移可能，所以套用以上公式能夠提升大直徑樁基的承載力[2]。

4.2 樁長設計

大直徑樁基礎設計環節樁長的設計要按照項目實際要求對地質情況進行分析。當前很多施工環境地質層多為軟質巖石，此類地質浸水后承載力會下降，進而降低樁基側摩擦力與樁端阻力，故而需要在設計中將第7 層設定為端樁持力層。同時，在設計時還要考慮到巖層表面給樁體造成的影響、對樁側巖造成的側向水平抗力以及大直徑基礎成樁要求和設計方案可信性等多方面因素，科學選擇大直徑樁體的類型，同時設定樁長，以提升樁基礎工程質量。需要注意的是，在樁長的設計過程中，我們還需要根據公路橋梁的具體結構以及形式合理控制大直徑樁長的距離，從而保證大直徑樁長的設計范圍能夠達到工程的安全性要求。

4.3 樁頂設計

在大直徑樁基礎設計階段，樁頂設計也尤為重要。相較于公路橋梁項目而言，在受到橋梁選址以及橋梁結構的影響下，樁頂的受力情況是非常復雜的。若處于地震高發區，或是大直徑樁基礎的受力水平作用很大時，則在設計上需要分析承臺與大直徑的共同效果，同時考慮土體與兩者之間出現的彈性抗力作用，并保證頂樁設計的效果達到具體要求[3]。

4.4 單樁豎向極限承載力設計

大直徑樁基礎設計環節，樁基極限承載力作為重要的參數數據，其設計是非常重要的一項內容。由于該環節需要考慮單樁豎向極限承載力的基本數據，因此在設計階段需要按照不同設計標準要求選擇設計方式。一般而言，大直徑樁基是根據甲級設計標準進行的，可采用單樁靜載試驗的方式計算其極限承載力；若大直徑樁基設計根據乙級的要求進行，那么當地質條件達到要求后，可根據相同橋梁工程的地質條件進行設計，同時參考原位試驗的結果設計極限承載力。在設計極限端阻力承載力與側阻力以及單樁豎向承載力標準值時，需要根據以下要求進行：對直徑大的端樁承樁來說，在確定極限端樁阻力時可采用深層平板荷載試驗的方式予以確定；針對嵌巖樁的側阻力可以選擇巖基平板荷載試驗的方式進行，其他情況按照一般設計規范要求進行即可。在樁極限阻力確定的過程中，需要按照預先埋設元件的方式進行確定，通過預先埋設方式取得測試結果后，再選擇靜載試驗的方式對需求值進行確定，然后繪制出參數構成的曲線，并將其作為單樁豎向極限承載力的最終確定值。此外，為了全面提高大直徑樁基礎的整體性能，在單樁豎向極限承載力設計的過程中，要考慮其存在荷載的極限系數，并對大直徑樁基礎的承擔能力進行分析，從而在確定相關系數之后提高單樁豎向極限承載力數值，并使其滿足安全性以及耐久性要求。

4.5 位移和大直樁基水平承載力設計要點

為了提升大直徑樁基礎的穩定性與安全性，在大直徑樁基設計的過程中要做好位移的計算，這對提升大直徑水平承載力具有重要的作用。

4.5.1 群大直樁基礎。設計階段考慮到水平力大以及力矩大的大直徑樁基礎時，首先需要對承臺以及群樁和土體之間產生的群樁應力進行分析，其次再對樁基的水平承載力特征值進行計算，在取值過程中，還需要考慮地基與承臺之間的摩擦系數，確保取值精確規范。

4.5.2 單大直樁基礎。其承擔能力要達到特征值需求，確定特征值的要求如下：

4.5.2.1 大直徑樁基類型若屬于甲級或是乙級，且屬于水平荷載類型的基礎，特征值則按照單樁水平靜載試驗的方式對其進行驗證[4]。

4.5.2.2 相較于裝身配筋率＜0.65 混凝土類型灌注樁，在設計階段中確定特征值時要按照靜載試驗的結構進行選擇，一般對應單樁荷載75%的受力特征。

4.5.2.3 設計階段一旦遇到配筋率＜0.65%灌注樁時，在特征值確定上可選擇單樁水平靜載試驗中臨界荷載的75%作為主要參數。

4.6 承臺的計算

4.6.1 在大直徑樁基承臺計算階段，需要按照《公路橋涵地基與基礎設計規范》要求對樁邊連線以及柱邊、變階位置形成的受剪承載力和傾斜面進行驗算。若承臺懸挑邊有多個剪切面，則此時需要逐步驗算各個傾斜面的承受力。

4.6.2 在條形承載彎矩計算中，應根據彈性地基梁的要求進行計算，當實踐中遇到大直徑端樁持力層后且巖體軸線難以重合時，需要將樁架設為不動鉸支座，然后按照連續梁的計算方式進行操作。

4.6.3 大直徑樁基承臺類型需要考慮其正截面的承載能力，故而在受彎承載力以及配筋計算中要按照規范要求進行[5]。

5 結語

綜上所述，在公路橋梁大直徑樁基礎設計過程中，需要按照項目實際情況對大直徑的樁基承載力以及負摩阻力、樁基配筋等方面進行詳細分析和計算，保證大直徑樁基設計參數滿足科學要求，并以此提升大直徑樁基礎的安全性和穩定性。