大直徑挖孔樁在城市橋梁基礎中的應用
2009-09-28
一、前言 大直徑人工挖孔擴底樁已在建筑工程基礎中得到較為廣泛的應用。實踐證明，此類樁基從技術經(jīng)濟分析中看確有一定的優(yōu)勢，如工程造價合理，施工速度較快，施工機械簡單等。但是，在城市橋梁基礎工程中該類樁基卻采用較少，主要是因為橋梁基礎所處的特殊地質。水文條件。如：橋梁基礎在具有承壓水的砂層地質條件下，是否可以采用該類樁基？本文結合工程實例，對在具有承壓水井夾砂層的水文、地質條件下，如何進行大直徑人工挖孔樁的設計與施工等有關問題進行一些分析探討。
二、大直徑擴底樁的承載機理 一般情況下，大直徑擴底樁的承載力由樁周上的摩阻力與端承力兩部分組成。即：
大直徑擴底樁基礎，一般深度超過5m屬深基礎范疇。其承載機理與破壞機理不同一般淺基礎或長頸基礎，也不同于一般樁基礎的受力狀況。通過模型試驗及原位測試可以看出：①淺基礎達到破壞時近處土體下沉，遠處主體隆起，表現(xiàn)為土體剪切破壞（圖1）；②高杯口基礎基底與擴底基礎有些相近之處，有較大的端承面積（圖2）。以基底上的壓密度為主，由于埋置較深，施工時需要大量開挖，基礎施工完成后再回填土。從而破壞了長頸樁與土體間的摩擦力，填土后基礎兩側有較大的超荷載，上體后期固結可能導致樁體與填土之間的負摩阻力。其總承載力低于擴底基礎；③樁基礎的破壞模式則屬于深層剪切或刺入破壞。由于一般樁長較長，在深層上發(fā)生的破壞反映在樁頂是較大的下沉，樁周土體一般出現(xiàn)隆起（圖3）；④大直徑擴底的承載機理則表現(xiàn)為豎向變形為主，伴隨有側向擠壓，無向上隆起，當荷載較小時樁底土被壓密，當荷載加大時，擴大頭底端外側有傘形拉裂縫，存在一拉力應力區(qū)。有時在端角處形成局部深層剪切破壞（圖4）。
三、大直徑擴底樁的設計與施工 通過對該類樁基的承載機理的初步分析可以看出：它既不同于一般的樁基也不同于擴大基礎。因而，在工程實踐中，怎樣結合實際的工程水文、地質條件來進行設計計算并完成樁基施工是一項既需理論指導又應結合實際充分發(fā)揮有關工程技術人員創(chuàng)造性的工作，下面將結合工程實踐進行一些探討：1．設計內容（1）明確支承土或巖石的深度與性質，弄清施工的實際可能性，以及在施工過程中可能遇到的各種困難。了解地下水對施工的影響及地基上的承載力等。（2）選擇樁基尺寸、施工方法和設計中擬采用的容許承載力。（3）考慮并驗算樁基的沉降。（4）根據(jù)實際情況對設計或施工方案進行必要的調整。2．設計特點 大直徑擴底樁基礎的設計計算要求與樁基基本相同，此類基礎會因土層不同擴底范圍不同而使受力狀態(tài)比較復雜。因此，在設計計算時應充分考慮這些特點。3．承載力計算 從國內外大量的資料和文獻看，最準確的樁基豎向承載力是通過靜載試驗確定的。但，靜載試驗時間長、費用高，一般情況下不可能采用。因此，目前一般情況下均采用規(guī)范公式進行計算，并根據(jù)工程地質條件結合設計實踐經(jīng)驗，對有些計算參數(shù)進行適當調整?，F(xiàn)就規(guī)范對大孔徑擴底樁豎向承載力的幾種計算方法進行介紹。（l）《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTJ1024-85）
從上述有關計算公式并結合大直徑擴底樁的承載機理分析可以看出：第一，大直徑擴底樁的豎向承載力計算與普通樁徑的樁基計算存在一定的區(qū)別。第二，大直徑擴底樁的端承載力是其承載力的主要部分。樁周圍的摩擦力也是存在的，并且也能分擔一部分荷載。一般情況下，當樁側摩擦力全部發(fā)揮了作用，則樁端承載力只發(fā)揮了50％的作用。第三，對于大直徑樁側阻、端阻尺寸效應系數(shù)φsi，φp，在計算大孔徑擴底樁豎向承載力時，應當根據(jù)不同的地質條件、荷載條件綜合考慮區(qū)別對待。第四，擴底樁底面積的不同，往往會導致沉降變形差異。因此，有時還應當以樁的沉降變形來控制。
四、工程實例 本工程為合肥市二環(huán)路（城市快速干道）跨越板橋河一座四跨（12m＋2*18m＋12m）連續(xù)梁橋下部樁基工程，根據(jù)工程地質勘探報告提供土層分布如下表1：
①層耕作土：層厚0．6～1.2m，較松散。②層粉土：層厚1．5～7.5m不等，可軟塑～軟塑，含粉質、粉細砂等成分，該層土系新近沉積，狀態(tài)差。③-1層粘土：層厚0～2.2m，硬塑。③-2層粉粘土：層厚0～2.8m，可硬塑。③-3層粉上：層厚0～4.1m，中密～密實，含細中砂。④層粘土：層厚0～2.9m，硬塑～堅硬。⑤層含礫石砂：層厚5．9～7．4m，該層土底部夾厚約0．3m的卵礫石層。⑥層泥巖強風化：層厚2．7～4.1m，暗紅色，堅硬狀態(tài)。⑦層泥巖中風化：該層未鉆穿，暗紅色，堅硬，鉆進困難，含砂巖夾層，局部含狀態(tài)較軟的青灰色薄層（0.2～0．4m厚）粉砂巖風化。 針對上部結構連續(xù)梁橋型方案，考慮到該結構對于不均勻沉降較為敏感。對于各墩、臺之間的沉降差異要求很嚴，根據(jù)地質條件經(jīng)過多方案比較，并充分考慮到施工的可行性和施工工期的要求，決定采用大直徑人工挖孔樁基礎。樁身直徑擬定為D＝1800mm，擴底直徑D1＝2600mm，樁身長度L＝15500mm左右，擴高h=1500mm。（圖5）
從計算結果可以得出：采用三種公式計算，其結果存有一定差別，最大差別為30％左右（表2）。其主要原因是公式（1），（3）充分考慮了端阻尺寸效應。
綜合考慮各種因素，最后采用的單樁承載力容許值[p]=14000kN。 因為該場地②層、③-3層、⑤層粉砂上含水量高、狀態(tài)差，且河床底部含淤泥。如何穿越上述上層，并做到防止流砂、涌水等情況的發(fā)生，成為該樁基礎是否可行的關鍵所在。通過與施工單位的密切配合，采用混凝土護壁，鋼護筒等各項綜合措施，終于克服了困難。按期、按質地完成施工。 該工程在投入使用前對樁基進行了全面檢測，證明樁基質量良好，經(jīng)過近一年的使用，沉降等各方面結果令人滿意。
五、結束語 在深基礎設計中，大直徑擴底樁基礎具有一般樁基礎無法比擬的優(yōu)點，此類樁基進入設計要求的持力層時，可對支承土作直觀檢查。但是，由于橋梁基礎的特殊性，該類樁基在橋梁基礎工程的應用才剛剛開始一些嘗試?！ ∮捎谑┕べ|量是樁基礎成功與否的關鍵，故對大直徑擴底樁的設計與施工提出一些建議：①仔細分析地質條件，根據(jù)土質情況比較此類基礎與其他基礎的可行性及工程造價、施工工期。②設計計算時應從當?shù)氐膶嶋H出發(fā)，適當選擇有關參數(shù)，避免盲目照搬公式。③應當做好樁基的測試和沉降觀測。④在施工時應當根據(jù)實際的地質條件，做好各項組織工作，確保施工質量和施工安全。
參考文獻［1］《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTJ024-85）．北京：人民交通出版社，1985［2］《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJT-89）．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989［3］《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-94）．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995［4］樁基工程手冊．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995［5］［美]F．H．溫特科思，方曉陽主編，錢鴻縉，葉書麟校．基礎工程手冊．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985［6］何頤華，王鐵宏．大直徑擴底樁承載力及沉降變形的計算．建筑結構學報，1993年第2期
