公路橋梁嵌巖樁基礎設計探討

1、<p>　　公路橋梁嵌巖樁基礎設計探討</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設計――承載力計算公式,結合公路橋梁樁基設計的實際情況,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，人們逐漸認識到，嵌巖樁的側阻力不可忽視，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。忽視上覆土層側摩阻力和嵌巖段巖層側摩阻力

5、，把樁端嵌入微風化程度以上的基巖，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，國外學者多認為：只要樁端嵌入巖體中，不論巖體的風化程度如何、堅硬性如何，都稱為嵌巖樁。在國內，《建筑樁基設計規(guī)范》規(guī)定樁端嵌入中等風化程度以上的

6、巖層的樁稱之為嵌巖樁。《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》雖沒有對嵌巖樁昨明確規(guī)定，但其隱含的定義式：樁端嵌入微風化巖或新鮮的巖層的樁就可稱其為嵌巖樁。 </p><p>　　綜上認為：樁端支撐于中等風化程度以上的巖層的樁就可稱其為嵌巖樁，不包括嵌入全風化、強風化巖情況。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化層嵌入到微風化或完整基巖中。

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，按其風化程度一般分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化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，設計應當針對樁端巖石情況，適當考慮上覆土層的摩阻力，通過大量的工程實踐，結合公路橋涵地基與基礎設計規(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準值（kPa），黏土質巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值，當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），不包括強風化層和全風化層； </p><p>　　m ―巖層的層數(shù)，不包括強風化層和全風化層； </p><p>　　ζs―覆蓋層土的側阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)樁端確定：當2MPa≤frk30MPa時，ζs=0.2； <

11、/p><p>　　qik―樁側第i層土的側阻力標準值（kPa），宜采用單樁摩阻力試驗值，當無試驗條件時，對于鉆（挖）孔樁按公路橋涵地基與基礎設計范表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)，強風化和全風化巖層按土層考慮。 </p><p>　　3.1、上覆土層側阻力發(fā)揮系數(shù)研究 </p><p

12、>　　上覆土層側阻力發(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阻力由土層極限側阻力標準值和發(fā)揮系數(shù)決定。土層極限側阻力通常有勘察報告提供，而土層側阻發(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)相關統(tǒng)計資料求得具有95%保證率的土層側阻系數(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;　　鉆孔軟質嵌巖樁，根據(jù)相關資料可求得具有95%保證率的土層側阻系數(shù) </p><p>　　ζs--1.645S=0.89（式3-1） </p><p>　　鉆孔硬質嵌巖樁，，根據(jù)相關資料可求得具有95%保證率的土層側阻系數(shù) </p><p>　　ζs--1.645S=0.68（式3-2） </p><p>　　由上述計算結果，可以保守

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

16、路橋涵地基與基礎設計規(guī)范，采取相同的系數(shù)c1和c2 </p><p>　　（2）對于鉆孔樁，系數(shù)C1、C2值應降低20％采用；樁端沉渣厚度t應滿足以下要求：d ≤1.5m時，t ≤50mm；d >1.5m時，t ≤100mm； </p><p>　?。?）對于中風化層作為持力層的情況，C1、C2應分別乘以0.75的折減系數(shù)。 </p><p>　　4、公路橋梁

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

18、的，而且隨著長徑比l/d的增大，側阻力也相應增大；只有短粗的人工挖孔嵌巖樁，端阻力先于土層側阻力發(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，無論是嵌入風化巖還是完整基巖中，樁側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，樁端嵌入強風化或中風化巖層中即可。在某些地區(qū)，泥質軟巖嵌巖灌注樁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，導致樁頂沉降，這個彈性壓縮量引發(fā)了樁周土體的剪應力，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，至使樁底也會產生沉降，這一沉降和上述樁本身的壓縮導致樁身與土體、嵌巖段樁身與巖體產生相對位移，從而產生側阻力。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，因而導致摩擦力和側阻力的增大。 </p&g

20、t;<p>　　同時，傳遞到樁端的應力也隨嵌巖深徑比hr/d的增大而減小。當hr/d>5時傳遞到樁端的應力接近于零；但對泥質軟巖嵌巖樁，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和厚度、樁長徑比、嵌入基巖性質、嵌巖深徑比和樁底沉渣厚度等因素。 </p><p&

21、gt;　　4.2準確確定嵌巖深度及樁端持力層厚度 </p><p>　　在以往的設計中，經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，只有當樁基長徑比較小，土層側阻力占比例不大時，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，而不論其上面風化巖層的強度如何。有的強風化硬質巖(如花崗巖)，其極限強度往往大于極軟巖新鮮巖的強度。說明一般硬質巖的微弱風化層、甚至強風化層的強度都相當高，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，在風化層很厚的情況下，樁基嵌巖很深。在設計上，必然導致計算承載力遠小于實際極限承載能力；在施工上，則會導致工程量的增大

23、，工期的延長。 </p><p>　　工程試驗證明，當巖面較平整，樁的嵌巖深度h>2d時，樁側嵌固力約占總荷載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值增大而設定相關的折減系數(shù)。因此，在樁基設計實踐中，當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、程樁基設計中，經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阻力，嵌巖灌注樁周邊嵌入完整和較完整的未風化、微風化、中風化硬質巖體的最小深度，按構造要求0.5m；(2)要求樁底

25、以下3倍樁徑范圍內無軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布；(3)在樁端應力擴散范圍內無巖體臨空面。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確位置及大小，導致工期延長、工程費用增加?；谟嬎闼璧倪吔鐥l件十分復雜，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。為使樁基設計經濟合理，應根據(jù)經驗值和試算數(shù)值相結合的方法來確定嵌巖深度及樁端持力層厚度。 </p><p><b>　　5、結語 </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。在公路橋梁建設中,樁基嵌巖樁已成為采用較為廣泛的基礎形式，因而研究公

27、路橋梁嵌巖樁基礎設計，了解公路橋梁嵌巖樁承載力計算公式及作用機理,對我們日后研究具有重要的意義。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規(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設計

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