樁基設(shè)計(jì)研究

1、端承樁嵌巖深度確定的原則端承樁嵌巖深度與樁基所承受的荷載有關(guān)。橋梁樁基荷載主要分為豎向荷載 和水平荷載。豎向荷載，主要是橋梁上、下部結(jié)構(gòu)自重及活載作用，采用規(guī)范公進(jìn)行驗(yàn)算。在樁端所處持力層的m1 n進(jìn)行驗(yàn)算。在樁端所處持力層的“ R l = qApfrk uC2ihi f面 sUv liQiki 42 i 1巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度較高的情況下，豎向荷載對(duì)樁基的嵌巖深度一般不會(huì)起決 定性的作用，嵌巖深度主要受水平荷載的影響。1、端承樁持力層的選擇根據(jù)端承樁的定義，其承載力主要由樁端阻力來(lái)提供。 因此，要求樁端伸入 一個(gè)足夠強(qiáng)度的持力層。部分設(shè)汁人員認(rèn)為，端承樁就須嵌入新鮮、完整的基巖 或者是微風(fēng)化

2、巖層上，完全忽視了巖石的強(qiáng)度。巖石按強(qiáng)度分為硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖、 極軟巖三種。巖石類(lèi)型不同，其強(qiáng)度就不同，其不同風(fēng)化程度的產(chǎn)物強(qiáng)度也有所 不同。對(duì)于一些硬質(zhì)巖，即使是中風(fēng)化層，其強(qiáng)度也可達(dá)2OMPa60MPa是可以滿(mǎn)足端承樁基底強(qiáng)度的要求的。因此對(duì)中風(fēng)化層厚度在5m以上，甚至十幾米， 還要求穿過(guò)中風(fēng)化層而嵌入微風(fēng)化巖層上， 是不合理的，勢(shì)必會(huì)增加施工難度和 工程造價(jià)，造成不必要的浪費(fèi)。因此，在端承樁設(shè)計(jì)中，對(duì)樁端持力層的巖石強(qiáng) 度需區(qū)別對(duì)待，不僅要考慮巖石的風(fēng)化程度，更要考慮巖石的完整情況(裂隙是否發(fā)育)，巖石的強(qiáng)度等細(xì)節(jié)，只要可以滿(mǎn)足樁基所需的豎向力要求，即使是中 風(fēng)化層、甚至是強(qiáng)風(fēng)化層都可以作

3、為端承樁的持力層。2、柔性樁的嵌巖深度當(dāng)巖層以上土體較厚，樁基的彎矩值最大區(qū)段一般落在覆蓋土層中， 由覆蓋 土層承擔(dān)了大部分彎矩和剪力，對(duì)基底端承樁的握裹作用就降低了很多， 其受力 形態(tài)為柔性樁，見(jiàn)圖2(a)。根據(jù)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D63-2007)第5.3.9條規(guī)定，樁基內(nèi)力計(jì)算主要采用“ m法計(jì)算，根據(jù)剛性樁與彈性樁的判別式，當(dāng)樁的入土深度h滿(mǎn)足下式條件時(shí)，將樁按剛性基礎(chǔ)計(jì)算，反之按彈性基礎(chǔ)計(jì)算2.5式中：a 式中：a 土中基礎(chǔ)的變形系數(shù)，a=5bl 樁基計(jì)算寬度，對(duì)于單樁：bl =0.9(D+1) , D為樁徑；EI 基礎(chǔ)的計(jì)算剛度，對(duì)于基樁按彈性地基梁計(jì)算，EI=0.

4、67EcIc,其中D4, 一，一一， 一Ic = , Ec為樁基混凝土的彈性模量，按橋規(guī)取值。c 64m-地基土的比例系數(shù)，與地基土的性質(zhì)有關(guān)，也與樁在地面或沖刷線(xiàn)處的水平位移有關(guān);圖2彈性樁與剛性樁的彎矩圖2 5因此，當(dāng)覆蓋層厚度h公時(shí)，在滿(mǎn)足豎向承載力的前提下，理論上樁端a支承在基巖表面即可；考慮到基巖表面可能存在斜面，應(yīng)預(yù)留一定的安全度，在 實(shí)際設(shè)計(jì)中嵌巖深度一般取1.0D3.0D(D為樁基直徑)3、剛性樁的嵌巖深度當(dāng)覆蓋層很薄，基巖埋深很淺或者是水中樁受沖刷影響， 此時(shí)所有水平荷載 全部靠嵌巖深度提供，受力模式為剛性樁，見(jiàn)圖 2(b) o公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的第5.3.5條，明確

5、了此類(lèi)樁基嵌巖深度h的計(jì)算公式:h .MH 0.0655- frkD式中：基巖頂面處樁身的彎矩（KNm；f rk-天然巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度（KPa；D基樁設(shè)計(jì)直徑（m）；B -根據(jù)巖層側(cè)面構(gòu)造，節(jié)理是否發(fā)育而定的系數(shù)；根據(jù)以往工程的經(jīng)驗(yàn)，此類(lèi)樁基嵌巖深度一般取3.0D5.0D,建議小樁徑取大值，大樁徑取小值。同時(shí)需注意，此類(lèi)樁基嵌巖深度受巖石強(qiáng)度和完整程度 影響較大，在某些特殊情況須單獨(dú)計(jì)算。4、嵌巖深度原則在高速項(xiàng)目中的應(yīng)用2 5.根據(jù)上文所述，當(dāng)樁的入土深度 hE25時(shí)，將樁按剛性基礎(chǔ)計(jì)算，反之按ot彈性基礎(chǔ)計(jì)算。表4中是高速項(xiàng)目常規(guī)的裝配式橋梁樁基對(duì)應(yīng)不同 m值的2.5/ a2.5/

6、口值計(jì)算表表4色徑D（m）1.01.21.41.51.61.82.0m小-(巧/ 0c值(Kpa) 30007.08438.04198.94059.37109.790410.599511.373750006.39627.26098.07228.46098.83969.570110.2691100005.56826.32107.02727.36567.69538.33138.9397150005.13455.82866.47996.79197.09597.68238.2434通過(guò)對(duì)表4所列2.5/ 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可看出，具值大多分布在對(duì)應(yīng)樁徑的57倍左右。根據(jù)高速項(xiàng)目的地勘資料，其地基土的“ M

7、值大多在5000 10000之間。為了方便實(shí)際工程中應(yīng)用，并保證一定的安全度，在通過(guò)計(jì)算滿(mǎn)足 承載力要求的前提下，對(duì)于跨徑不大于50m的中、小跨徑橋梁，建議在高速項(xiàng)目 實(shí)際應(yīng)用中按如下原則設(shè)計(jì)：樁徑不大于1.5m的樁，其2.5/儀的值按6D（D為樁徑）控制。當(dāng)覆蓋層厚度 h04D時(shí)，按剛性樁設(shè)計(jì)，嵌巖深度取4.0D5.0D （小樁徑取大值，大樁徑取小 值）；當(dāng)覆蓋層厚度4Dh 6D時(shí)，按剛性樁設(shè)計(jì)，嵌巖深度取 3.0D4.0D （小 樁徑取大值，大樁徑取小值）；當(dāng)覆蓋層厚度6Dh8D時(shí)，按柔性樁設(shè)計(jì)，嵌巖深度取1.0D 2.0D。樁徑大于1.5m的樁，其2.5/ 6的值按5.5D（D為樁徑）控

8、制。當(dāng)覆蓋層厚度 h03.5D時(shí)，按剛性樁設(shè)計(jì)，嵌巖深度取4.0D5.0D （小樁徑取大值，大樁徑取 小值）；當(dāng)覆蓋層厚度3.5h05.5D時(shí)，按剛性樁設(shè)計(jì)，嵌巖深度取 3.0D4.0D （小樁徑取大值，大樁徑取小值）；當(dāng)覆蓋層厚度5.5D7.5D時(shí)，按柔性樁設(shè)計(jì)，嵌巖深 度取1.0D2.0D。以上剛性樁的嵌巖深度控制原則，是根據(jù)持力層巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度 frk = 22.5Mpa的情況統(tǒng)計(jì)分析而來(lái)的。當(dāng)持力層巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度不等于 22.5Mpa時(shí)，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整嵌巖深度。具體調(diào)整方式為：將按上述原則算出的嵌巖 深度值，乘以一個(gè)調(diào)整系數(shù)g, g的值可根據(jù)持力層巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度的

9、不同，由表5中的值內(nèi)插得出。剛性樁嵌巖深度調(diào)整系數(shù)g值表5巖石類(lèi)別堅(jiān)硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖frk(MPa)f rk 6060frk3030f rk1515f rk5frk 0,233Rf/ 6 g式中：R 混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；九-鋼筋的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD62-2004)第9.1.12 條規(guī)定，”軸心受壓構(gòu)件、偏心受壓構(gòu)件全部縱向鋼筋的配筋百分率不應(yīng)小于0.5,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50及以上時(shí)不應(yīng)小于0.6;同時(shí)，一側(cè)鋼筋的配筋百分率不 應(yīng)小于0.2.當(dāng)大偏心受拉構(gòu)件的受壓區(qū)配置按計(jì)算需要受壓鋼筋時(shí)，其配筋百 分率不應(yīng)小于0.2”。各國(guó)對(duì)仙min

10、的規(guī)定并不一致，一般在 0.4%1.0%之間。我 國(guó)規(guī)范取0.5%,屬比較低的。根據(jù)以上分析，樁身上段配筋率在滿(mǎn)足按強(qiáng)度配筋的要求的同時(shí)， 不應(yīng)小于 0.5%?？紤]到我國(guó)規(guī)范規(guī)定的最小配筋率值和各國(guó)規(guī)范相比取的是低值， 且在設(shè) 計(jì)中應(yīng)考慮到施工誤差等因素，盡量不用規(guī)范中的限值，以預(yù)留一定的安全度。2、摩擦樁樁身中、下段的配筋率摩擦樁一般屬?gòu)椥詷叮鶕?jù)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D63-2007) 的規(guī)定，其樁身彎矩采用 m法計(jì)算?！癿法的基本假定是認(rèn)為樁側(cè)土為文克爾離散線(xiàn)性彈簧，不考慮樁土之間 的粘著力和摩阻力，樁作為彈性構(gòu)件考慮。當(dāng)樁受到水平外力作用后，樁土協(xié)調(diào) 變形，任一深度處所產(chǎn)

11、生的樁側(cè)土水平抗力與該點(diǎn)水平位移成正比，且地基系數(shù)與深度成正比增長(zhǎng)。下面采用高速高速公路工程中典型的橋梁樁基的數(shù)據(jù)，按照公路橋涵地基 與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D63-2007)附錄P中的相關(guān)要求，采用“樁柱墩臺(tái)空間 計(jì)算軟件”計(jì)算樁身彎矩，并輸出樁身彎矩反彎點(diǎn)距地面的距離L,結(jié)果如表6所示。表5中對(duì)應(yīng)的a為土中基礎(chǔ)的變形系數(shù)，0f-樗1, 7 兀 D42計(jì)算時(shí)?。篍I=0.67 X3.0 X 10 X (KN m)64b1 =0.9(D+1)。樁徑D(m)1.01.51.61.82.0m 值(Kpa)CtLCtLaLOfLaL30000.3511.450.2714.030.2614.690.2

12、416.470.2217.9150000.3910.300.3012.890.2813.460.2614.900.2416.04100000.458.720.3411.590.3212.190.3013.030.2813.89150000.497.800.3710.450.3511.020.3312.030.3012.74樁身彎矩反彎點(diǎn)距地面的距離L值計(jì)算表表6對(duì)表6進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可看出L與對(duì)應(yīng)的存在以下關(guān)系：L= 4/cc此結(jié)論與公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTG D63-2007)附錄P中的說(shuō) 明一致。因此，對(duì)于樁身中段，在 4/ (口為土中基礎(chǔ)的變形系數(shù))以下理論上樁身的彎矩和剪力已經(jīng)

13、等于零，可以不必進(jìn)行配筋。但是，實(shí)際上4/口的理論彎矩零點(diǎn)并非十分肯定，由于土的比例系數(shù)m值在不同水平力作用下將會(huì)發(fā)生變異， 而樁基存在初偏心的因素(軸力的不對(duì)中)、截面重心的幾何不對(duì)中因素、物理 不對(duì)中以及施工中的誤差不對(duì)中等因素。 因此，在樁身中段的截面一般還有一定數(shù)量的彎矩和剪力存在，在配筋設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)造上仍必須布置一定數(shù)量的鋼筋。在實(shí) 際設(shè)計(jì)中一般采用上段配筋數(shù)量的 50%這樣配置的鋼筋數(shù)量，在含筋量上可能 不能滿(mǎn)足最小含筋率的要求，因而屬于少筋混凝土結(jié)構(gòu)的范疇。樁身的下段由于彎矩值已經(jīng)很小很小，采用混凝土軸心受壓構(gòu)件作為計(jì)算假 定應(yīng)屬合理。因此當(dāng)摩擦樁較長(zhǎng)時(shí)，樁底部一般為素混凝土。3、端

14、承樁樁身中、下段的配筋率相對(duì)于摩擦樁來(lái)說(shuō)，端承樁一般較短。因此，按照前文根據(jù)樁身內(nèi)力將樁長(zhǎng) 分段的方法，端承樁一般只有“上段”和“中段”，沒(méi)有“下段”；個(gè)別情況下端 承樁或許有“下段”，但都很短。因此，端承樁的“中段”和“下段”（如果有的 話(huà)）的配筋率一般采用上段配筋數(shù)量的 50%這樣配置的鋼筋數(shù)量，在含筋量上 可能不能滿(mǎn)足最小含筋率的要求，因而屬于少筋混凝土結(jié)構(gòu)的范疇。4、樁身分段配筋的原則根據(jù)前文所述，樁身的分段，其實(shí)就代表樁基鋼筋配筋率的分段， 也就是決 定全筋段、半筋段及素混凝土段（相對(duì)摩擦樁來(lái)說(shuō)）各多長(zhǎng)的問(wèn)題。（1）全筋段長(zhǎng)度的確定根據(jù)法的計(jì)算結(jié)果，4/ （口為土中基礎(chǔ)的變形系數(shù)）是

15、樁身彎矩的 零點(diǎn)，理論上彎矩零點(diǎn)以下的樁身彎矩與剪力可認(rèn)為等于零，可不再配置鋼筋。 因此建議全筋段長(zhǎng)度L1采用：L1 = 4/久 公式3式中：G 土中基礎(chǔ)的變形系數(shù)，1a=5 jmg；bl 樁基計(jì)算寬度，對(duì)于單樁：bl =0.9（D+1） , D為樁徑；EI 基礎(chǔ)的計(jì)算剛度，對(duì)于基樁按彈性地基梁計(jì)算，EI=0.67EcIc,其中Ic冗DIc冗D464,Ec為樁基混凝土的彈性模量，按橋規(guī)取值。m-地基土的比例系數(shù)，與地基土的性質(zhì)有關(guān)，也與樁在地面或沖刷線(xiàn)處的水平位移有關(guān);按公式3確定的全筋段長(zhǎng)度應(yīng)屬比較安全的，就算實(shí)際的彎矩零點(diǎn)距地面線(xiàn) 或沖刷線(xiàn)的距離比4/o（大，也沒(méi)有必要將L1值加大。因?yàn)橹?/p>

16、4/ a處僅截?cái)嘀鹘?的50%,還有50%的主筋是通過(guò)4/a處截面而繼續(xù)向下延伸的。（2）半筋段長(zhǎng)度的確定單樁水平承載力較常用的計(jì)算方法有“ m法、c”法以及“k”法等。前兩 種方法是公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范采用或明確推薦采用的方法。這些方法的不同之處主要在與地基系數(shù)隨深度變化的不同形式，因而計(jì)算出的樁的內(nèi)力值以及分布形式也就各異。用這些計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較，“k”法與m法的最大彎矩計(jì)算值比實(shí)測(cè)值大，其位置比實(shí)測(cè)的低，“C”法的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近。 從試樁實(shí)測(cè)彎矩分布圖形來(lái)看，實(shí)測(cè)的最大彎矩值較小，而曲線(xiàn)收斂較慢，影響 深度最大。“K”法計(jì)算彎矩值最大，但收斂最快，所以第一彎矩零點(diǎn)位置最高

17、（離 地面或最大沖刷線(xiàn)最近），法次之，“C”法的收斂點(diǎn)約在5/a處，較m 法深，比實(shí)測(cè)值小。因此，各計(jì)算方法的彎矩零點(diǎn)位置都比實(shí)測(cè)值高，這說(shuō)明理 論上的彎矩零點(diǎn)并不是實(shí)際的彎矩零點(diǎn)，例如“ M法中的彎矩零點(diǎn)在4/0（處, 理論上認(rèn)為在該點(diǎn)以下可以不配置鋼筋。但實(shí)事上，樁身在 4/口深度以下仍存 在有彎矩。這就需要在4/ a深度以下一定距離內(nèi)布置一些鋼筋。 就“K法來(lái)說(shuō)， 它的彎矩影響深度較大，可達(dá) 5.989/ 以上。另外，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī) 定“樁徑大于600mmi勺鉆孔（灌注樁）構(gòu)造鋼筋的長(zhǎng)度不宜小于樁長(zhǎng)的2/3”。由于目前公路橋梁在樁的試驗(yàn)中，著重于樁的垂直承載力而很少甚至沒(méi)有對(duì)樁的

18、 水平承載力進(jìn)行測(cè)試。故在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，為了安全起見(jiàn)，建議半筋段長(zhǎng)度L2采用：L2 6/ a -L1= 2/ 公式 4式中：a 土中基礎(chǔ)的變形系數(shù)，aj普；L1 全筋段長(zhǎng)度，L1=4/ ；（3）摩擦樁素混凝土段長(zhǎng)度的確定根據(jù)前文所述，端承樁的配筋建議采用：全長(zhǎng)都設(shè)“全筋”（針對(duì)較短的需嵌入基巖的端承樁）或分兩段按“全筋”加“半筋”（針對(duì)較長(zhǎng)的支承在基巖表 面的端承樁）兩種方式配置。但對(duì)于摩擦樁來(lái)說(shuō)，因樁基總長(zhǎng)較長(zhǎng)，其“下段” 一般為素混凝土段。有關(guān)的調(diào)查資料顯示，目前國(guó)內(nèi)樁基設(shè)計(jì)中，素混凝土段長(zhǎng)度的設(shè)置比較隨意。那么素混凝土段到底設(shè)置多長(zhǎng)為好呢？在現(xiàn)行規(guī)范中找不到明確的規(guī)定。下面對(duì)素混凝土段合

19、理長(zhǎng)度進(jìn)行探討?？紤]到鉆孔時(shí)可能出現(xiàn)傾斜，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范要求成孔傾斜度小于1%。如取最不利成孔的傾斜度為 1%,成樁后在樁底允許承載力巳的作用下， 以控制素混凝土段不出現(xiàn)拉應(yīng)力為條件，并略去素混凝土段樁周土介質(zhì)作用的有 利因素后可以得到：P 0.01PL3、cS1=-N0 S1AcWc式中：L3素混凝土段長(zhǎng)度；P樁底容許承載力;*D2*D3丁（D為樁基設(shè)計(jì)直徑）, W- 1r6 i-樁身由于P作用在素混凝土與配筋混凝土交界截面上所引起的拉 應(yīng)力?，F(xiàn)令6 1-0,即可得到：L3 12.5D由于素混凝土作為偏心受壓構(gòu)件受力時(shí)，其樁側(cè)的土抗力肯定要起有利的作 用；另外在實(shí)際樁基工程中尚未見(jiàn)有因

20、樁尖素混凝土段被折斷而造成工程事故的 實(shí)例，即使在唐山等處的大地震中，也未見(jiàn)有此類(lèi)報(bào)導(dǎo)。因而建議素混凝土段長(zhǎng) 度計(jì)算的安全系數(shù)取1.5,素混凝土段長(zhǎng)度L3可采用下式計(jì)算：L3 12.5D =8D 公式 61.5式中：D基樁設(shè)計(jì)直徑（項(xiàng)；按公式6計(jì)算出的素混凝土段長(zhǎng)度，應(yīng)屬比較安全的。但在素混凝土段也應(yīng) 該設(shè)置35根通長(zhǎng)的豎向主筋，以方便施工過(guò)程中確認(rèn)樁長(zhǎng)，以及固定樁基檢 測(cè)管的需要。5、配筋原則在高速項(xiàng)目中的應(yīng)用規(guī)范中地基土的比例系數(shù) m的值是以樁在地面處最大水平位移不大于6mm的條件下取得的，具值從淤泥層到密實(shí)卵石夾粗砂層的變化為：從30005000KN/m到 80000120000 KN/

21、吊?？紤]到實(shí)際工程的某些情況，如一聯(lián)橋的長(zhǎng)度較大時(shí)橋臺(tái)基樁，或承受彎矩 和水平力較大的基樁，其樁在地面或沖刷線(xiàn)處的最大水平位移可能超過(guò) 6mm這 時(shí)m值就要降低。因此，為安全起見(jiàn)，建議在計(jì)算樁基配筋長(zhǎng)度時(shí)，可近似按最小的 m=3000KN/m來(lái)計(jì)算口值，使口值最小。這樣算得的 4/a、2/a值就相對(duì)較大， 即樁身的全筋段長(zhǎng)L1、半筋段長(zhǎng)L2就較大?；鶚栋催@樣的考慮配置鋼筋，即使存在樁的偏心等不利因素，對(duì)于基樁的受 力安全應(yīng)該是有保證的。根據(jù)高速高速公路的典型橋梁樁基及地質(zhì)情況，按不同m值和不同樁徑（D） 分別計(jì)算a值如表7所示。a值計(jì)算表表7拉彳5 D(m)m值 0c值(Kpa) 1.01.21.41.51.61.82.030000.35