公路桥梁桩基设计要点分析

2014-03-29徐伟

城市道桥与防洪 2014年10期

徐伟

（烟台东部海洋经济新区行政服务中心，山东烟台 264000）

0 引言

目前，桥梁基础的形式非常多，包括沉井基础、桩基础和扩大基础等，通常情况下，桥梁结构需要承受的荷载较大，因此，承载能力强、质量稳定的桩基础应用越来越广泛，尤其是整体承载能力差的地质，多以桩基础作为桥梁工程基础形式的首要选择，本文将重点介绍岩溶地区的公路桥梁桩基的设计问题、设计原则和设计要点。

1 工程概况

本文选择天津市某公路桥梁工程作为研究对象，公路全长为29.5 km，按照一级公路和城市快速路标准进行建设，桥梁全长为1 045.6 m，桥面宽度为30 m，分双幅设计。桥梁的上部结构为预制简支T梁，最大跨径为50 m，桥梁的下部结构为灌注桩基础、U型组合台以及排架双柱式墩，桥台桩与桥墩桩的直径分别为1.2 m和1.5 m，直径不超过1.5 m的桩体共68根。

2 桥梁桩基设计问题

2.1 桩基承载性能研究

对于岩溶地区来说，桩基承载性能研究包括影响因素、受力状态等方面。近年来，桩基承载性能研究方法主要有物理模拟法、数值模拟法以及理论模拟法等，其中，物理模拟法分为三个环节，即室内相似模拟试验、离心模拟试验和现场原位试验，综合分析土体和桩基之间的荷载传递性能，可以得出，荷载由桩顶开始，沿桩身向下传递，岩土层的摩擦力首先发挥作用，当桩侧摩阻力达到一定限度后，荷载继续增加，则岩石或者桩端土发挥作用，承担增加的荷载。研究表明，岩溶地区桩基受力状态具有如下特点：第一，桩基受力状态与多方面因素有关，比如成桩施工工艺、持力层性质、桩体长径比以及覆盖岩土整体性能等；第二，桩身的长径比超过20时，桩端受力较小，桩侧摩阻力较大[1]；第三，桩身的长径比小于20时，桩基不会产生明显的变形，桩基受力基本由桩端岩层承受；第四，围岩特性、相对桩基偏位、填充物质量、裂缝大小、边界条件、顶板厚度以及岩溶洞穴尺寸等因素，也会影响桩基的承载力[2]。因此，设计岩溶地区的桥梁桩基时，应该充分了解桩基受力状态，结合桩基受力状态的影响因素，确保桥梁桩基设计的合理性和安全性，以提高桥梁桩基设计的整体质量。

2.2 桩基承载力计算

实际工程中，主要参照《公路桥涵地基与基础设计规范》的要求，根据嵌岩桩、端承桩或者摩擦桩的计算公式，进行桥梁桩基承载力计算，岩溶地区的桥梁桩基工程中，多以嵌岩桩作为计算模板，然而，上述规范介绍的承载力计算公式，具有一定的局限性。以摩擦桩为例，桩基承载力包括两个部分，即桩端支撑力和桩侧摩阻力，桩基承载力的发挥与地层极限摩阻力、桩基相对岩土的位移以及土层特性有直接关系；以嵌岩桩为例，桩基承载力包括三个部分，即桩端岩层阻力、嵌入岩层的摩阻力和覆土层侧摩阻力，桩基承载力受桩端清孔程度、破碎程度、持力层岩石性质、嵌入深度、桩身的长径比以及覆土层结构特性等因素的影响[3]。但是，在岩溶地区，桩基的受力状态和荷载分布不明确，若没有针对实际情况进行分析，只是简单的套用计算公式，就不能正确的反映桩基的受力状态，导致桩基局部破坏，进而影响桩基的整体质量，此外，还需要根据岩溶地区桩基工程的实际要求，适当调整计算参数，确保桩基的施工质量。

2.3 桩基的嵌入深度

桥梁规范要求，当桩基的嵌入深度不超过0.5 m时，需要适当调整桩基承载力，但是，没有强制性的深度要求，这就使得桩基设计缺少相应的标准，容易造成桩基质量问题，这是因为嵌岩桩的定义尚未明确，专业人员对嵌入深度的理解存在差异。部分专业人员采用试验结果作为理论依据，认为嵌入深度为3～7D的范围内，桩基的承载力可以得到充分的发挥，但是，由于试验本身的局限性，使得该结论也不完善。此外，部分专业人员也提出桩基的嵌入深度不宜过大的理论，虽然桩基嵌入深度增加有助于桩基承载力的提高，然而，桩基承载力的提高程度并不明显，用较大的施工成本换取较小的桩基承载力增加量，应用效果不高[4]。笔者认为，桩基的嵌入深度应该根据实际工程进行确定，综合考虑桩身长径比、岩层性质以及覆土层结构特性等参数，得出具体的桩基嵌入深度。

3 桥梁桩基设计要点

在天津市某公路桥梁工程的基础上，结合相关理论研究成果，总结出岩溶地区桥梁桩基的设计原则和设计要点。

3.1 勘察作业

勘察作业时，由于勘察重点的不同，应该将勘察工作分为不同的阶段。首先，初勘阶段，重点勘察工程所在地的地质条件，比如是否存在岩溶现象、岩溶发育状况等，根据初勘作业得到的资料，确定桥梁工程的基础形式，初勘阶段主要采用物探方式，辅助以一定量的钻孔作业，以便对物探结果进行核查；其次，详勘阶段，参照初勘结果，采用不同的物探方式，详细勘察工程所在地的各项地质参数，明确岩层性质和岩溶状态，比如顶板厚度、岩石特性、岩层走势、填充材料、洞隙率、溶洞尺寸以及溶洞布置等。对于溶洞发育地质来说，钻孔作业时，一定要采用一桩一孔的形式，尤其是溶洞特别发育地质，若桩身直径超过1.5 m，则采用一个中心孔、四个周边孔的形式，以便准确评价溶洞状态，此外，按照施工工艺和规章制度，勘察作业应进行原位测试，相关的工作人员到施工现场查看并校核设计资料，掌握现场岩溶的总体状况，绘制横、纵断面图，确保勘察资料能够满足施工需求[5]。

3.2 桩基形式

在全面分析勘察资料、了解岩溶状况的基础上，确定初步设计的桩基形式，一般情况下，尽量选用大而短的群桩基础，避免桩基和溶洞之间的触碰，这是由于长时间的地质变化过程中，土体已经产生相对平衡的应力状态，若桩基和溶洞出现触碰，会形成一定的扰动，导致原有土体出现新的问题，进而提高施工难度，延长施工周期，增加施工成本。根据桩基的受力状态和地质条件，按照摩擦桩对桩基长度进行预估，预估过程中，若遇见溶洞，则不需要计算桩侧摩阻力，再以预估桩基长度为基准，得出桩底标高，结合持力层的特性，综合分析桩基的整体受力形状。如果溶洞的深度比较大，桩底距离溶洞比较远，相比于桩基承载力来说，桩侧摩阻力的比重较大，这种情况下，可以按照摩擦桩的公式计算桩长，持力层选择承载能力较高的岩土层[6]。如果溶洞的深度比较小，桩底进入溶洞中，桩基的嵌入深度不满足要求，或者，溶洞数量多、分布密集，基岩的深度较大，桩底不能嵌入基岩，这种情况下，也可以采用摩擦桩进行设计，需要注意的是，一定要对溶洞进行相应的处理，比如抛填片石处理或者压浆处理，提高溶洞的密实度和整体强度，计算桩基长度时，应该忽略桩侧摩阻力，此外，由于溶洞受力状态不明朗，需要适当处理土层参数指标，保证施工的安全性。

3.3 嵌入深度

当基岩的饱和单轴抗压强度不低于8 MPa，桩底标高已经达到基岩，且基岩安全范围内不存在溶洞时，可以按照嵌岩桩设计桩基，同时，参考基岩的倾斜度，保证不低于3D的嵌入深度。桩底穿过多层溶洞后仍没有穿过全部溶洞，且一定要将桩底置于厚度较大的溶洞顶板，或者桩底位于溶洞顶板时，应参考溶洞顶板的状态，确定合理的计算方式，比如，溶洞顶板存在缺陷，则按照摩擦桩进行设计；溶洞顶板没有缺陷，则按照嵌岩桩进行设计，不需要考虑桩侧摩阻力，将桩侧摩阻力作为预留安全储备能力，由于裂隙水具有一定的后期溶蚀效果，会增加岩层的不稳定性，同时，由于裂隙的存在，也会降低桩底清孔的效果，影响岩层的整体承载能力，因此，岩层强度应取实际强度的70%。对于尺寸较小的溶洞来说，必须采用压浆加固处理措施；对于尺寸较大的溶洞来说，压浆加固措施很难实现，施工过程中，可以采用内护筒穿越，不需要考虑桩侧摩阻力，此外，还必须保证不小于3D的嵌入深度，根据相关理论研究成果，分析溶洞顶板的稳定性，结合溶洞顶板的倾斜程度，以不出现桩底半边受力为原则，确定溶洞顶板厚度的最小值，一般不得小于5 m，综合分析后，得出桩底标高和桩身长度[7]。

3.4 其他要点

合理控制桩基长度，尤其是同一承台下，如果桩基长度差异较大，或者不同类型的桩基混合使用，则必然会导致桩基受力不均匀、刚度差异较大的问题，若出现上述情况，某一桩体受力过大时，可能出现突发性的破坏问题，桩体的整体受力状态发生变化，引起相邻桩基的破坏，最终导致严重的安全事故。因此，确定桩基长度和桩底标高时，一定要遵守相应的设计原则，同时，参考相邻钻孔情况，逐桩进行分析确定。

从施工图来看，必须标明施工前的超前钻、加钻、补钻，将其和设计资料进行对比，控制和优化桩基沉渣厚度，借助可靠性和安全性较高的方法，勘察桩底标高以下8 m的地质条件，主要以岩层状况为主，安排专业人员，查看和校核桩底的岩石强度，一旦发现异常情况，立即上报相关单位，调整设计方案。大面积施工前，一定要进行试桩检测，校核计算参数的合理性，验证承载能力是否满足设计要求等，以便选择合理的施工工艺和施工方法，制定系统的施工方案。此外，施工过程中，根据桩基长度确定施工顺序，桩基长度较长的桩优先施工，起到支护作用，保证桩基长度较短的桩的施工安全。若施工过程发生变化，则需要根据实际情况对设计参数进行调整，实现动态设计，以保证桥梁桩基工程的整体质量。