公路橋梁嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計探討

1、<p>　　公路橋梁嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計探討</p><p>　　摘要: 分析了橋梁嵌巖樁的作用機理,討論了現(xiàn)行規(guī)范中公路橋梁嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計――承載力計算公式,結(jié)合公路橋梁樁基設(shè)計的實際情況,對嵌巖樁基提出了作者的一些觀點，供參考借鑒。 </p><p>　　關(guān)鍵詞:嵌巖樁作用機理承載力 </p><p>　　Abstract: This paper analy

2、zes the bridge rock socketed pile mechanism, discusses the highway and bridge rock-socketed pile foundation design -- calculation formulas for bearing capacity in the current specification, combined with the actual situa

3、tion of rock socketed pile foundation, puts forward some views, for your reference. </p><p>　　Key words: rock socketed pile; mechanism; bearing force </p><p>　　中圖分類號: U412.36文獻標(biāo)識碼:A文章編號：2095-210

4、4（2012） </p><p><b>　　1、前言 </b></p><p>　　隨著對嵌巖樁承載性狀的深入研究，人們逐漸認(rèn)識到，嵌巖樁的側(cè)阻力不可忽視，有時甚至成為平衡外荷載的主要反力，即嵌巖樁也可能成為摩擦樁或端承摩擦樁。大量的實測資料表明，嵌巖樁即使是在無覆蓋層條件下或長徑比L/d<5的短樁，也并非一律是端承樁。忽視上覆土層側(cè)摩阻力和嵌巖段巖層側(cè)摩阻力

5、，把樁端嵌入微風(fēng)化程度以上的基巖，套用規(guī)范盲目加深嵌巖深度或擴大樁端尺寸，無助于調(diào)動基巖的承載能力，卻造成浪費并增加施工的難度。 </p><p><b>　　2、嵌巖樁的定義 </b></p><p>　　對于嵌巖樁的定義，國外學(xué)者多認(rèn)為：只要樁端嵌入巖體中，不論巖體的風(fēng)化程度如何、堅硬性如何，都稱為嵌巖樁。在國內(nèi)，《建筑樁基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定樁端嵌入中等風(fēng)化程度以上的

6、巖層的樁稱之為嵌巖樁。《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》雖沒有對嵌巖樁昨明確規(guī)定，但其隱含的定義式：樁端嵌入微風(fēng)化巖或新鮮的巖層的樁就可稱其為嵌巖樁。 </p><p>　　綜上認(rèn)為：樁端支撐于中等風(fēng)化程度以上的巖層的樁就可稱其為嵌巖樁，不包括嵌入全風(fēng)化、強風(fēng)化巖情況。嵌巖樁身底端有一定長度嵌入基巖體中，其目的是使樁身與基巖結(jié)為一體,以提高樁的穩(wěn)固性與承載能力。嵌巖樁一般要求穿過土層和風(fēng)化層嵌入到微風(fēng)化或完整基巖中。

7、 </p><p>　　嵌巖樁的施工可采取人工挖孔和機械成孔兩種方式，由于成樁工藝的不同，其承載性狀存在一定的差異。考慮巖石為顆粒間連接牢固、呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體，按其風(fēng)化程度一般分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化5個等級，樁底嵌入不同特性的巖體中的嵌巖樁其特性也不同，其差異是由巖體特性的差異所引起的。 </p><p>　　3、嵌巖樁承載力計算方法要素 </p>

8、;<p>　　基于嵌巖樁已有的研究成果，設(shè)計應(yīng)當(dāng)針對樁端巖石情況，適當(dāng)考慮上覆土層的摩阻力，通過大量的工程實踐，結(jié)合公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，提出嵌巖樁承載力計算方法 </p><p>　　[Ra]―單樁軸向受壓承載力容許值（kN）。樁身自重與置換土重（當(dāng)自重計入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮； </p><p>　　c1―清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的

9、端阻發(fā)揮系數(shù)，按表5.3.4采用； </p><p>　　c2―根據(jù)清孔情況，巖石破碎程度等因素而定的巖層的側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)，按表5.3.4采用； </p><p>　　Ap―樁端截面面積（m2），對于擴底樁，取擴底截面面積 </p><p>　　frk―巖石飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），黏土質(zhì)巖取天然濕度單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)frk小于2MPa時按摩擦樁計算；

10、 </p><p>　　u―各土層或各巖層部分的樁身周長（m）； </p><p>　　hi―樁嵌入各巖層部分的厚度（m），不包括強風(fēng)化層和全風(fēng)化層； </p><p>　　m ―巖層的層數(shù)，不包括強風(fēng)化層和全風(fēng)化層； </p><p>　　ζs―覆蓋層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)樁端確定：當(dāng)2MPa≤frk30MPa時，ζs=0.2； <

11、/p><p>　　qik―樁側(cè)第i層土的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），宜采用單樁摩阻力試驗值，當(dāng)無試驗條件時，對于鉆（挖）孔樁按公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計范表5.3.3-1選用，對于沉樁按地基規(guī)范表5.3.3-4選用； </p><p>　　n―土層的層數(shù)，強風(fēng)化和全風(fēng)化巖層按土層考慮。 </p><p>　　3.1、上覆土層側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)研究 </p><p

12、>　　上覆土層側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)ζs可采用下式計算： </p><p><b>　　ζs= （式1） </b></p><p>　　由以上公式可知嵌巖樁上覆土層側(cè)阻力由土層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和發(fā)揮系數(shù)決定。土層極限側(cè)阻力通常有勘察報告提供，而土層側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)受樁長、樁徑、成樁工影響。 </p><p><b>　　1．挖孔嵌巖樁 &l

13、t;/b></p><p>　　依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料求得具有95%保證率的土層側(cè)阻系數(shù) </p><p>　　ζs--1.645S=0.97（式2） </p><p>　　總的來說，隨長徑比的增大，土層的側(cè)阻力的發(fā)揮程度越大。 </p><p><b>　　3.2鉆孔嵌巖樁 </b></p><p&

14、gt;　　鉆孔軟質(zhì)嵌巖樁，根據(jù)相關(guān)資料可求得具有95%保證率的土層側(cè)阻系數(shù) </p><p>　　ζs--1.645S=0.89（式3-1） </p><p>　　鉆孔硬質(zhì)嵌巖樁，，根據(jù)相關(guān)資料可求得具有95%保證率的土層側(cè)阻系數(shù) </p><p>　　ζs--1.645S=0.68（式3-2） </p><p>　　由上述計算結(jié)果，可以保守

15、估計覆蓋土層的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)； </p><p>　　當(dāng)frk<15MPa時，ζs=0.8； </p><p>　　當(dāng)frk＝15～30MPa時， ζs=0.5； </p><p>　　當(dāng)frk >30MPa時，ζs=0.2 </p><p>　　3.3嵌巖段側(cè)阻和端阻系數(shù)分析 </p><p>　　根據(jù)公

16、路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，采取相同的系數(shù)c1和c2 </p><p>　?。?）對于鉆孔樁，系數(shù)C1、C2值應(yīng)降低20％采用；樁端沉渣厚度t應(yīng)滿足以下要求：d ≤1.5m時，t ≤50mm；d >1.5m時，t ≤100mm； </p><p>　?。?）對于中風(fēng)化層作為持力層的情況，C1、C2應(yīng)分別乘以0.75的折減系數(shù)。 </p><p>　　4、公路橋梁

17、嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)注意的問題 </p><p>　　4.1正確區(qū)分端承樁和摩擦樁等樁基類型 </p><p>　　通常認(rèn)為，凡嵌巖樁必為端承樁，凡端承樁均不考慮土層側(cè)阻力。實際上，大量現(xiàn)場結(jié)果表明：樁側(cè)阻力、端阻力的發(fā)揮性狀與上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質(zhì)和嵌巖深徑比、樁底沉渣厚度等因素有關(guān)。 </p><p>　　一般情況下，上覆土層的側(cè)阻力是可以發(fā)揮

18、的，而且隨著長徑比l/d的增大，側(cè)阻力也相應(yīng)增大；只有短粗的人工挖孔嵌巖樁，端阻力先于土層側(cè)阻力發(fā)揮，端阻力對樁的承載力起主要作用，屬端承樁。對l/d>15－20的泥漿護壁鉆(沖)孔嵌巖樁，無論是嵌入風(fēng)化巖還是完整基巖中，樁側(cè)阻力均先于端阻力發(fā)揮，表現(xiàn)出明顯的摩擦型。對于l/d≥40，且覆蓋土層不屬于軟弱土，嵌巖樁端的承載作用較小，此時樁基受力狀態(tài)為摩擦樁，樁端嵌入強風(fēng)化或中風(fēng)化巖層中即可。在某些地區(qū)，泥質(zhì)軟巖嵌巖灌注樁l/d&g

19、t;45時，嵌巖段總阻力占總荷載比例小于20%。究其原因，一方面由于嵌巖樁樁身的彈性壓縮，導(dǎo)致樁頂沉降，這個彈性壓縮量引發(fā)了樁周土體的剪應(yīng)力，也即是土對樁的摩阻力。另一方面，鉆孔樁的孔底殘留的沉渣，形成一個可壓縮的軟墊，至使樁底也會產(chǎn)生沉降，這一沉降和上述樁本身的壓縮導(dǎo)致樁身與土體、嵌巖段樁身與巖體產(chǎn)生相對位移，從而產(chǎn)生側(cè)阻力。而這種樁身彈性壓縮和樁底沉降是隨著長徑比l/d的增大而增大的，因而導(dǎo)致摩擦力和側(cè)阻力的增大。 </p&g

20、t;<p>　　同時，傳遞到樁端的應(yīng)力也隨嵌巖深徑比hr/d的增大而減小。當(dāng)hr/d>5時傳遞到樁端的應(yīng)力接近于零；但對泥質(zhì)軟巖嵌巖樁，hr/d=5~7時，樁端阻力仍可占總荷載的5%～16%。 </p><p>　　由此可見，端承樁和摩擦樁的區(qū)分，不能單純從是否嵌巖來區(qū)分，要考慮上覆土層的性質(zhì)和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質(zhì)、嵌巖深徑比和樁底沉渣厚度等因素。 </p><p&

21、gt;　　4.2準(zhǔn)確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度 </p><p>　　在以往的設(shè)計中，經(jīng)常把嵌巖樁的單樁軸向受壓容許承載力，僅取決于樁底處巖石的強度和嵌入基巖的深度，以及清孔情況、巖石破碎程度等因素。實際上，只有在嵌巖樁在清孔絕對干凈，樁底處于理想支撐，樁底巖石完整且強度很高時，樁的豎向位移很微小，樁基才表現(xiàn)為典型的端承樁。實際工程中，只有當(dāng)樁基長徑比較小，土層側(cè)阻力占比例不大時，樁基主要表現(xiàn)為端承樁的特征。

22、</p><p>　　樁基嵌入基巖的深度通常的理解是樁必須嵌入新鮮基巖，而不論其上面風(fēng)化巖層的強度如何。有的強風(fēng)化硬質(zhì)巖(如花崗巖)，其極限強度往往大于極軟巖新鮮巖的強度。說明一般硬質(zhì)巖的微弱風(fēng)化層、甚至強風(fēng)化層的強度都相當(dāng)高，不考慮這些層次的嵌巖深度，一律要求嵌入新鮮基巖是不妥的。按照這個原則，在風(fēng)化層很厚的情況下，樁基嵌巖很深。在設(shè)計上，必然導(dǎo)致計算承載力遠(yuǎn)小于實際極限承載能力；在施工上，則會導(dǎo)致工程量的增大

23、，工期的延長。 </p><p>　　工程試驗證明，當(dāng)巖面較平整，樁的嵌巖深度h>2d時，樁側(cè)嵌固力約占總荷載50%以上。隨著嵌固深度增加，承載力也隨之增大。但嵌固深度h>3d時，承載力增長不大。目前規(guī)范中沒有對h規(guī)定限值，也沒有隨h值增大而設(shè)定相關(guān)的折減系數(shù)。因此，在樁基設(shè)計實踐中，當(dāng)樁基承載力需要通過較大的嵌巖深度來提高時，不妨考慮加大樁徑。 </p><p>　　在橋梁工

24、程樁基設(shè)計中，經(jīng)常會遇到兩軟弱巖層之間穿越強度很高的一定厚度的巖層(夾層)，或者有些地區(qū)溶洞比較發(fā)育。如果這種夾層厚度不夠承載厚度要求，鉆孔樁就需要穿越夾層，以達到持力層，這對施工機械和施工進度都是極大的考驗。 </p><p>　　對樁底基巖厚度的確定，主要有三個條件：(1)不考慮樁身周圍覆蓋土層側(cè)阻力，嵌巖灌注樁周邊嵌入完整和較完整的未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化硬質(zhì)巖體的最小深度，按構(gòu)造要求0.5m；(2)要求樁底

25、以下3倍樁徑范圍內(nèi)無軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布；(3)在樁端應(yīng)力擴散范圍內(nèi)無巖體臨空面。對于一般夾層，只要滿足前兩個條件即可作為持力層。對巖溶地區(qū)樁基，由于巖體形狀奇特多變，巖溶洞隙的分布毫無規(guī)律，現(xiàn)有勘探手段難以事先查明它的準(zhǔn)確位置及大小，導(dǎo)致工期延長、工程費用增加。基于計算所需的邊界條件十分復(fù)雜，而巖溶地基比一般巖石地基影響因素更多，以前通常要求樁端下有4m、5m或5倍樁徑持力層厚度，對于不同樁徑、不同的單樁承載力，如果同樣要求基樁

26、端面以下有5m完整基巖，兩者的可靠度是不盡相同的。為使樁基設(shè)計經(jīng)濟合理，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗值和試算數(shù)值相結(jié)合的方法來確定嵌巖深度及樁端持力層厚度。 </p><p><b>　　5、結(jié)語 </b></p><p>　　嵌巖樁具有承載力高,抗震性能好,樁基沉降小,群樁效應(yīng)弱等優(yōu)點,在橋梁工程等方面得到大量使用。在公路橋梁建設(shè)中,樁基嵌巖樁已成為采用較為廣泛的基礎(chǔ)形式，因而研究公

27、路橋梁嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計，了解公路橋梁嵌巖樁承載力計算公式及作用機理,對我們?nèi)蘸笱芯烤哂兄匾囊饬x。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] GB 50007-2002,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,2010 </p><p>　　[2]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計

28、規(guī)范[S].北京:人民交通出社,2007 </p><p>　　[3] 黃求順.嵌巖樁承載力的試驗研究[A].全國建筑樁基技術(shù)規(guī)范專題報 </p><p><b>　　告,2008.? </b></p><p>　　[4] 齊建;大直徑橋梁基樁豎向承載力分析及試驗研究[D];湖南大學(xué);2009 </p><p>　　[5