大直徑挖孔樁在城市橋梁基礎(chǔ)中的應(yīng)用
2009-09-28
一、前言 大直徑人工挖孔擴(kuò)底樁已在建筑工程基礎(chǔ)中得到較為廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，此類樁基從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析中看確有一定的優(yōu)勢(shì)，如工程造價(jià)合理，施工速度較快，施工機(jī)械簡(jiǎn)單等。但是，在城市橋梁基礎(chǔ)工程中該類樁基卻采用較少，主要是因?yàn)闃蛄夯A(chǔ)所處的特殊地質(zhì)。水文條件。如：橋梁基礎(chǔ)在具有承壓水的砂層地質(zhì)條件下，是否可以采用該類樁基？本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)在具有承壓水井夾砂層的水文、地質(zhì)條件下，如何進(jìn)行大直徑人工挖孔樁的設(shè)計(jì)與施工等有關(guān)問題進(jìn)行一些分析探討。
二、大直徑擴(kuò)底樁的承載機(jī)理 一般情況下，大直徑擴(kuò)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(kuò)底樁基礎(chǔ)，一般深度超過5m屬深基礎(chǔ)范疇。其承載機(jī)理與破壞機(jī)理不同一般淺基礎(chǔ)或長(zhǎng)頸基礎(chǔ)，也不同于一般樁基礎(chǔ)的受力狀況。通過模型試驗(yàn)及原位測(cè)試可以看出：①淺基礎(chǔ)達(dá)到破壞時(shí)近處土體下沉，遠(yuǎn)處主體隆起，表現(xiàn)為土體剪切破壞（圖1）；②高杯口基礎(chǔ)基底與擴(kuò)底基礎(chǔ)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(shí)需要大量開挖，基礎(chǔ)施工完成后再回填土。從而破壞了長(zhǎng)頸樁與土體間的摩擦力，填土后基礎(chǔ)兩側(cè)有較大的超荷載，上體后期固結(jié)可能導(dǎo)致樁體與填土之間的負(fù)摩阻力。其總承載力低于擴(kuò)底基礎(chǔ)；③樁基礎(chǔ)的破壞模式則屬于深層剪切或刺入破壞。由于一般樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，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(kuò)底的承載機(jī)理則表現(xiàn)為豎向變形為主，伴隨有側(cè)向擠壓，無向上隆起，當(dāng)荷載較小時(shí)樁底土被壓密，當(dāng)荷載加大時(shí)，擴(kuò)大頭底端外側(cè)有傘形拉裂縫，存在一拉力應(yīng)力區(qū)。有時(shí)在端角處形成局部深層剪切破壞（圖4）。
三、大直徑擴(kuò)底樁的設(shè)計(jì)與施工 通過對(duì)該類樁基的承載機(jī)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(kuò)大基礎(chǔ)。因而，在工程實(shí)踐中，怎樣結(jié)合實(shí)際的工程水文、地質(zhì)條件來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并完成樁基施工是一項(xiàng)既需理論指導(dǎo)又應(yīng)結(jié)合實(shí)際充分發(fā)揮有關(guān)工程技術(shù)人員創(chuàng)造性的工作，下面將結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行一些探討：1．設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）明確支承土或巖石的深度與性質(zhì)，弄清施工的實(shí)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(duì)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(shè)計(jì)中擬采用的容許承載力。（3）考慮并驗(yàn)算樁基的沉降。（4）根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)或施工方案進(jìn)行必要的調(diào)整。2．設(shè)計(jì)特點(diǎn) 大直徑擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算要求與樁基基本相同，此類基礎(chǔ)會(huì)因土層不同擴(kuò)底范圍不同而使受力狀態(tài)比較復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮這些特點(diǎn)。3．承載力計(jì)算 從國內(nèi)外大量的資料和文獻(xiàn)看，最準(zhǔn)確的樁基豎向承載力是通過靜載試驗(yàn)確定的。但，靜載試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)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(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)工程地質(zhì)條件結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)有些計(jì)算參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?，F(xiàn)就規(guī)范對(duì)大孔徑擴(kuò)底樁豎向承載力的幾種計(jì)算方法進(jìn)行介紹。（l）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ1024-85）
從上述有關(guān)計(jì)算公式并結(jié)合大直徑擴(kuò)底樁的承載機(jī)理分析可以看出：第一，大直徑擴(kuò)底樁的豎向承載力計(jì)算與普通樁徑的樁基計(jì)算存在一定的區(qū)別。第二，大直徑擴(kuò)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(dān)一部分荷載。一般情況下，當(dāng)樁側(cè)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(duì)于大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)φsi，φp，在計(jì)算大孔徑擴(kuò)底樁豎向承載力時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件、荷載條件綜合考慮區(qū)別對(duì)待。第四，擴(kuò)底樁底面積的不同，往往會(huì)導(dǎo)致沉降變形差異。因此，有時(shí)還應(yīng)當(dāng)以樁的沉降變形來控制。
四、工程實(shí)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(zhì)勘探報(bào)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(zhì)、粉細(xì)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(shí)，含細(xì)中砂。④層粘土：層厚0～2.9m，硬塑～堅(jiān)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(qiáng)風(fēng)化：層厚2．7～4.1m，暗紅色，堅(jiān)硬狀態(tài)。⑦層泥巖中風(fēng)化：該層未鉆穿，暗紅色，堅(jiān)硬，鉆進(jìn)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(fēng)化。 針對(duì)上部結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋型方案，考慮到該結(jié)構(gòu)對(duì)于不均勻沉降較為敏感。對(duì)于各墩、臺(tái)之間的沉降差異要求很嚴(yán)，根據(jù)地質(zhì)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(chǔ)。樁身直徑擬定為D＝1800mm，擴(kuò)底直徑D1＝2600mm，樁身長(zhǎng)度L＝15500mm左右，擴(kuò)高h(yuǎn)=1500mm。（圖5）
從計(jì)算結(jié)果可以得出：采用三種公式計(jì)算，其結(jié)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(yīng)。
綜合考慮各種因素，最后采用的單樁承載力容許值[p]=14000kN。 因?yàn)樵搱?chǎng)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(chǔ)是否可行的關(guān)鍵所在。通過與施工單位的密切配合，采用混凝土護(hù)壁，鋼護(hù)筒等各項(xiàng)綜合措施，終于克服了困難。按期、按質(zhì)地完成施工。 該工程在投入使用前對(duì)樁基進(jìn)行了全面檢測(cè)，證明樁基質(zhì)量良好，經(jīng)過近一年的使用，沉降等各方面結(jié)果令人滿意。
五、結(jié)束語 在深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，大直徑擴(kuò)底樁基礎(chǔ)具有一般樁基礎(chǔ)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，此類樁基進(jìn)入設(shè)計(jì)要求的持力層時(shí)，可對(duì)支承土作直觀檢查。但是，由于橋梁基礎(chǔ)的特殊性，該類樁基在橋梁基礎(chǔ)工程的應(yīng)用才剛剛開始一些嘗試?！ ∮捎谑┕べ|(zhì)量是樁基礎(chǔ)成功與否的關(guān)鍵，故對(duì)大直徑擴(kuò)底樁的設(shè)計(jì)與施工提出一些建議：①仔細(xì)分析地質(zhì)條件，根據(jù)土質(zhì)情況比較此類基礎(chǔ)與其他基礎(chǔ)的可行性及工程造價(jià)、施工工期。②設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)從當(dāng)?shù)氐膶?shí)際出發(fā)，適當(dāng)選擇有關(guān)參數(shù)，避免盲目照搬公式。③應(yīng)當(dāng)做好樁基的測(cè)試和沉降觀測(cè)。④在施工時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件，做好各項(xiàng)組織工作，確保施工質(zhì)量和施工安全。
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