橋梁設計中的樁基設計探析

文/左魯、張銳

1 前言

在諸多橋梁基礎類型中，樁基是現階段最常用的一種。樁基不僅承載能力強、穩定性高，而且適用性也良好，可以節省材料、降低成本，在橋梁工程建設中廣泛應用。樁基受力機理：以作用在樁端的與地層之間的阻力與樁周土存在的摩擦力為軸向荷載提供支承，以樁側土層存在的側向阻力為水平荷載提供支承。在設計橋梁下部結構的過程中，選擇哪一種樁基類型會直接影響結構體系安全性、施工難易程度和成本造價。因此，相關人員必須高度重視，根據橋梁實際情況，選擇適宜的樁基類型。

2 樁型確定

現行相關技術規范提出了兩種典型樁基類型，即摩擦樁與端承樁，同時也對這兩種樁基類型的適用性進行了明確的規定。其中，摩擦樁指的是將樁周摩擦力作為承載力，其樁底支撐力大多無法提供符合要求的承載力；而端承樁主要將樁端支撐力作為承載力，其樁周摩阻力往往很小。根據以上定義可知，在樁基設計過程中，應優先考慮端承樁。而從工程的實際情況來看，對于摩擦樁，其樁長通常大于端承樁，這會使造價相對較高，在這種情況下，選擇端承樁是工程設計的一個重要原則。然而，如果工程地質條件導致端承樁埋深相對較大，其樁長與采用摩擦樁時的樁長相當，這樣會使端承樁失去意義和價值，而此時采用摩擦樁可能達到更好的效果。因此，如果在樁長方面這兩種類型的樁相當，則采用摩擦樁可能更加安全[1]。

根據現場實踐結果可知，樁基的樁側阻力與端阻力，其發揮程度和上覆土層基本性質、層厚、樁身長度和樁徑之比、嵌入的巖層性質及深度和樁徑之比、樁底沉渣厚度有關。通常情況下，上覆土層具有的側阻力可以正常發揮，但伴隨樁長和樁徑之比的不斷增大，側阻力明顯增加。只有樁長較短且樁徑較粗的嵌巖樁，其端阻力比土層的側阻力率先發揮。在樁承載力上，端阻力起到決定性作用，為端承樁。對于樁長和樁徑之比超過15 的嵌巖樁，不論嵌入的巖層屬于風化巖還是完整基巖，樁側阻力都比端阻力率先發揮，為摩擦樁。當樁長和樁徑之比超過40，且上覆土層為堅硬土層，則樁端承載將沒有太大的作用，其受力狀態屬于摩擦樁，將樁端設置在強風化巖層或中風化巖層均可。在部分地區，對于嵌入泥質軟巖中的灌注樁，當其樁長和樁徑之比超過45 時，嵌巖部分的阻力在總荷載中占據不足20%；當樁長和樁徑之比超過60 時，嵌巖段的端阻力在總荷載中只占5%。其主要原因為：首先，嵌巖樁的樁身存在彈性壓縮特點，會使樁頂產生一定程度的沉降，導致樁周土體產生剪應力，這也是樁身受到的土體摩阻力；其次，樁孔底部存在沉渣，這些沉渣相當于一個壓縮性很強的軟墊，會導致樁底產生一定程度的沉降。不論樁頂沉降還是樁底沉降，都會使樁身和土體或嵌巖段和巖體之間產生一定相對位移，進而出現側阻力。以上彈性壓縮與樁底沉降都和樁長、樁徑之比有關，當樁長和樁徑之比增加時，無論是彈性壓縮還是樁底沉降都會變大，進而使摩擦力與側阻力均明顯增大[2]。

另外，傳遞至樁端處的應力也會伴隨嵌巖深度和樁徑之比的增大而不斷減小，如果嵌巖深度和樁徑之比超過5，則傳遞至樁端處的應力將接近0；而對于以泥質軟巖為巖層嵌入的樁，如果其嵌巖深度和樁徑之比處在5～7 的范圍內，則樁端阻力保持在總荷載5%～16%范圍內。

由此可以看出，在對端承樁與摩擦樁進行區分的過程中，不可只從是否嵌巖這一個角度考慮，而是要綜合考慮以下各項因素：上覆土層基本性質與層厚；樁長和樁徑之比；所嵌入基巖的基本性質；嵌巖深度和樁徑之比；樁孔底部的沉渣厚度。若設計中采用的是端承樁，則要按照大樁徑和少樁數的原則進行設計；而若設計中采用的是摩擦樁，則要按照小樁徑和多樁數的原則進行。

3 嵌巖深度與持力層厚度的確定

在橋梁的樁基設計工作中，可能遇到兩層軟弱層間穿越高強度巖層的情況，而且還有很多地區巖溶發育。若夾層的厚度無法使承載力達到要求，則鉆孔樁要從這一夾層中穿過，達到持力層的目的，但這樣無論是對施工機械設備還是施工進度均有很高的要求，是一次極大的考驗[3]。

在確定樁底基巖實際厚度的過程中，需要充分考慮以下三個條件：對樁身周圍覆土存在的側阻力不予考慮，嵌巖樁的周邊應嵌入完整或相對完整的硬質巖體當中，其嵌入的最小深度應達到0.5m 以上；樁底下部三倍樁徑區域內不能存在洞隙、軟弱夾層和斷裂帶；在樁端應力持續擴散的范圍中，不能存在巖體臨時面。對普通的夾層而言，滿足前兩個基本條件就可以作為持力層使用。而對于巖溶發育地區，應考慮到巖體形狀多種多樣，且溶洞的分布大多無規律可循，采用現有勘探技術無法了解溶洞具體位置和規模時，會使工期大幅延長，并增加相應的費用。由于設計計算過程中的邊界條件往往比較復雜，對巖溶地基而言，其影響因素要比普通巖石地基更多、更復雜，之前一般要求樁端的底部有樁徑五倍以上厚度的持力層，而對于樁徑和單樁承載力均不相同的樁，若提出同樣的要求，則不同樁的可靠度將完全不同。為保證樁基設計合理性與經濟性，需要以過去工作經驗為依據，結合試算數據確定適宜的嵌巖深度與持力層厚度[4]。

如果基樁從多層巖溶層中穿過支立在堅固穩定的巖層，則可以不考慮巖溶可能對樁側的影響，并將磨阻作為一種安全儲備。由于巖溶層和樁側間存在磨阻作用，所以從本質上講其與土和樁側間存在的磨阻完全不同。若多層巖溶層能和樁側通過粘結形成一個整體，則樁身上的軸向荷載分配需要在樁基設計過程中充分考慮在某個粘結部位很可能由于受力集中影響而產生磨阻破壞，進而使樁基破壞。對此，設計中除了要充分考慮巖溶層可能對樁側磨阻造成的影響，在樁基施工中還應采取有效措施對巖溶層和樁壁進行分隔，確保基樁受到的所有軸向荷載都能作用在樁底部堅固且穩定的巖層表面，最后按照柱樁進行設計即可[5]。

4 樁基配筋

基樁上不同截面的鋼筋配置需要以樁基內力為依據通過計算來確定。其中，對于樁基內力，大多采用M 法計算；另外，在條件允許的情況，還可采取其他具有可靠參考與依據的方法來確定。當采用M 法進行計算的過程中，在樁身彎矩方面，存在以下四個特點：彎矩的分布規律相當于一條從頂部向下不斷衰減的曲線，而且衰減的速度往往很快；樁身上的最大彎矩通常產生于某個不完整的波形當中，具體位置通常為地面下部3m 左右；樁身的彎矩在首個彎矩零點下部很小，基本上可以忽略，下部樁身主要起到的是對豎向力進行傳遞的作用；首個彎矩零點的具體位置為樁入土后深度達到總深度的1/4 處[6]。

在實際的樁基設計過程中，一般有以下兩種配筋方法：第一種方法是以最大彎矩部位為依據實施鋼筋布置[7]。從樁頂處開始延伸至最大彎矩的一半處下一頂錨固長度位置，減小一半配筋再繼續延伸到彎矩為零下一頂錨固長度位置，再下則是素混凝土部分；當存在軟基時，樁身上的主筋應從軟土層中穿過。第二種方法是將樁基的主筋一半局部延伸至樁底部。從樁體結構受力、盡可能減少工程費用、避免事故發生、降低事故處理難度等角度講，第一種方法更加合理。其原因是：因樁基整體中有很長一段范圍內不會布置鋼筋，與第二種方法相比能減少一部分鋼筋材料，節省相應的成本；另外，如果底部發生斷樁，則取出樁孔中的鋼筋籠之后，能在原孔基礎上繼續進行鉆進，這樣可以有效減少或避免扁擔樁現象的發生概率。然而，雖然采用第二種方法進行鋼筋布置能降低施工難度，但在為樁基進行混凝土灌注施工時，工作人員必須對鋼筋籠定位引起足夠的重視，將鋼筋直接布置到樁的底部，以此為鋼筋籠下放過程中的固定提供很大方便[8]。

5 結語

綜上所述，樁體和土體協同工作方面的問題一直都是巖土界長期關注的課題。因計算機技術的大量應用，使計算方法日趨復雜，且土體參數具有很強的離散性與多樣性，所以計算結果未必準確。因此，要想做好樁基設計，相關人員應先對其進行正確的認識和了解，然后再依據樁基與巖體之間的關系綜合考慮，充分結合相關試驗結果和經驗，設計科學合理的樁基，以達到堅固持久和經濟適用。