剛性嵌巖短樁計算理論分析

胡家偉

摘 要：在橋梁樁基礎設計的過程中，嵌巖樁嵌入巖層深度滿足規范要求，但樁基參數在處于彈性樁與剛性樁分界點2.5左右時，那么這類樁基內力計算時的理論依據是彈性樁還是剛性樁理論就成為處理此類問題的關鍵。

關鍵詞：剛性樁;彈性樁;嵌巖樁;樁基內力

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A

1 土的彈性抗力及其分布規律

本文探究的是樁基礎在水平力作用下計算樁身的內力和位移，其理論計算國內外很多學者都提出了很多方法，目前普遍采用的是彈性地基梁法，即把樁作為彈性地基上的梁，按照文克爾假定來進行求解。

樁在水平力的作用下必然會擠壓樁側土體，樁側土體會對樁產生橫向的抵抗力，即指深度為Z處的橫向土抗力。

2 彈性樁和剛性樁

《公路橋涵地基與基礎規范》（JTG 3363-2019）中附錄L規定，當時，屬于彈性樁，需要按照彈性樁的計算理論來分析。當時，屬于剛性樁，需按照剛性樁的計算理論來分析。為變形系數，h為樁基地面線或局部沖刷線以下的入土深度。

式中：——樁的變形系數（1/m）;

——樁的抗彎剛度，對以受彎為主的鋼筋混凝土樁，根據現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362）規定采用;

——樁的混凝土抗壓彈性模型;

——樁的毛面積慣性矩;

m——非巖石地基水平向抗力系數的比例系數。

彈性樁和剛性樁本身在規范給出的內力計算方法中，彈性樁考慮樁身的變形，樁底彎矩基本為0，剛性樁的變形類似于樁整體變形，樁底彎矩不為0。由于這兩種樁基的相對剛度不同，則導致其二者受力變形后的內力計算公式不同。

3 工程案例

本項目上部結構采用30 m簡支轉連續小箱梁，下部結構采用單排柱式橋墩，橋墩直徑1.4 m，樁基直徑1.6 m，樁頂設置1.2×1.4 m的橫系梁，樁頂系梁的預埋深度為0.5 m，本橋墩所處的地質情況為：地面以下0 m～5 m為淤泥質粘土，深度>5 m為中風化花崗巖。

本項目橋墩的設計原則為：對于嵌巖樁，樁長確定時應考慮樁底嵌入中風化軟巖層（frk≤40 MPa）不小于3倍樁基直徑，中風化次堅巖層（40 MPa

根據本橋墩樁基的地質資料來分析計算樁基在水平力作用下樁身的最大彎矩和樁頂位移情況，就需要對樁基的受力體系進行適當的簡化分析，明確樁基的受力類型。根據規范《公路橋涵地基與基礎設計規范》中提供的計算要求，本橋墩樁基的計算寬度為：

本樁基表層土為淤泥質粘土，其地基水平抗力系數的比例系數m=5 000 kN/m4;所以樁基的變形系數計算公式如下：

判斷此樁基為剛性樁還是彈性樁的依據就在于的取值，由于本橋樁基長度10 m，有5 m位于淤泥質粘土中，有5 m嵌入基巖中，根據彈性樁的計算理論（如上圖3-1所示），h=5 m，則=1.365<2.5，此時，彈性樁的計算公式已不滿足規范要求。則套用剛性樁的計算公式進行分析（如上圖3-2所示）。

所以，根據對變形系數的計算，對于類似于此類的短樁，建議采用剛性樁進行計算。

根據規范《公路橋涵地基與基礎設計規范》中的要求，為了保證基礎在土中有可靠的嵌固，基礎側面水平壓力應滿足下列條件：

式中：——相應于z=h/3和z=h深度處的水平壓力;

——土的內摩擦角、重度、黏聚力;對透水性土，取浮重度，在驗算深度范圍內有數層土時，取各層土的加權平均值;

——系數，對外超靜定推力拱橋的墩臺=0.7，其他結構體系的墩臺=1.0;

——考慮結構重力在總荷載中所占百分比的系數，=1-;

Mg——結構自重對基礎底面重心產生的彎矩;

M——全部荷載對基礎底面重心產生的總彎矩。

4 結論

（1）對于嵌入巖石類的樁基，若表層軟弱土層較薄，可以做成擴大基礎，若表層軟弱土層較厚，則需要考慮做成樁基礎，那么在滿足樁基礎嵌巖深度的情況下，進一步需要確定樁基的計算理論依據，的大小位置關系來確定。

（2）樁基嵌巖樁嵌入巖石的部分，可以認為樁基與巖石為一整體，在彈性樁和剛性樁計算圖示中h的值中可以看出，不考慮樁基嵌入巖石部分。

（3）通過計算得出樁基位于基巖以上為剛性樁時，需要保證基礎在土中有可靠的牢固，則需要滿足基礎側面水平壓力Pz滿足相應的要求。

（4）對于如上所示的短樁，可以采用彈性樁或剛性樁理論分別計算，分別計算其最不利內力值，取其大值進行計算。

參考文獻：

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[2]JTG D60-2015 公路橋涵設計通用規范[S].北京，人民交通出版社股份有限公司，2015.

[3]JTG 3363-2019 公路橋涵地基與基礎設計規范[S].交通運輸部.

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