不同地质条件下桥梁桩基设计选型及施工配合探讨
时间：2023-06-12 11:10:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
苏怡霞
（招商局重庆交通科研设计院有限公司厦门分公司，福建 厦门 361000）
随着我国城市建设不断发展，桥梁数量不断增加，极大地便利了人们的生活。在桥梁的建设中，基础设计工作备受重视。桩基作为桥梁结构基础极其常见的形式，对桥梁的安全起着至关重要的作用。本文结合近几年笔者参与设计与配合施工的几座桥梁实例，对桩基设计选型及施工配合进行探讨。
1.1 %1桩基设计
项目一为一座城市人行天桥，桥梁主梁跨径（2.5+33.8）m，桥宽5.0m，主梁上部构造采用钢桁架结构，梯坡道上部构造采用钢箱梁，全桥桩基共8根，主梁、梯坡道桩基均采用Ф1.2m桩，最大桩长17m。由于人行天桥桩基所需承载力不大，项目中最大桩顶力为1478.6kN，根据地质勘察结果，桥位处钻孔所入各地层地质条件较好，但钻孔30m仍未入岩，若按嵌岩桩设计，桩基承载力富余大，较浪费，因此，本桥桩基按摩擦桩设计。
按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）相关条文要求，选用主梁下受力最大的桩进行受力验算，求出承台底最不利组合内力，按“m法”计算桩基控制截面内力，选用基本组合下桩基内力，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）第5.3.8条进行截面尺寸验算；
选用长短期组合下桩基内力，再按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.4.3条进行截面裂缝的验算，以主墩ZP2下其中一根桩基为代表，经验算，桩基控制截面结果如表1、表2所示。
从由表1、表2可知，本桩基截面尺寸和配筋满足设计要求。
表1 圆截面偏心受压强度检算
表2 圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件裂缝宽度检算
在桩基截面尺寸和配筋满足设计后，需对承载力进行验算，摩擦桩按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）第6.3.3条进行承载力验算：
ZP2墩桩基承载力验算结果如表3所示。
表3 ZP2墩摩擦桩承载力验算结果
按以上计算结果，本桩基承载力满足设计要求。
同理，本桥其他桩按照本桩验算方法进行结构验算，经验算，所有桩截面尺寸、配筋及承载力均满足设计要求。
1.2 .%1桩基施工配合
该项目现场施工放样时，发现原设计桥位有两根桩分别紧靠在人行道上或占用现有部分店面，为保证行人安全及避免店面征拆，按实际情况，将全桥向东、向南各平移2m。由于原设计主梁承台底位于地面以下1.8m，放坡施工将对周围店面造成影响。因此，业主应群众反馈，要求将原主梁承台抬高1.0m设计，按照承台抬高1m，桩长不变，核验现桩长满足设计要求后，出具设计变更图。摩擦桩终孔，一般要求土层变化不大，达到设计桩长，并且要求持力层渣样经地勘复核与原设计一致，按钻孔记录表，新桥位处桩基地层与原设计基本符合，经过40d工期，该天桥所有摩擦桩全部完成终孔。
2.1 桩基设计
项目二为一城市互通立交工程，该互通立交工程共有主线桥、匝道桥、人行桥共15座，桥梁总面积为46414.31m2。为使全项目桩基设计标准统一，该互通立交工程桩基全按嵌岩桩设计，Ф1.0m、Ф1.2m、Ф1.5m桩基共429根。根据地勘结果，该项目中风化花岗地层埋深较浅，因此按全断面入岩3d（d为桩径）控制，车行桥桩基最长为40m，最短为15m，人行桥桩长最小为10m，最大为25m。
桩基截面尺寸和配筋设计按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）相关条文进行验算，嵌岩桩设计承载力验算如下：
嵌岩深度按全断面入岩3d控制，以主线桥第二联4×35m中桩长较短（18m）的Z6号普通墩桩基为代表，其承载力验算结果如表4所示.
按表4计算结果，本桩基承载力满足设计要求。
表4 Z6号墩嵌岩桩承载力验算结果
2.2 桩基施工配合
该项目施工图修编阶段与详勘时相比，各桥跨径、桥梁平面位置有调整，加之整个互通立交工程位于地层褶皱起伏区，原有部分详勘桩基钻孔位置与修编阶段桩基钻孔位置有一定偏离，虽然修编阶段进行了部分补充勘察，但个别临近桩位的孔在实际施工时依然有较大偏差，出现了部分孔桩长与图纸中桩长差异较大的情况。在项目施工配合中，施工单位在施工桩基时按实际情况留存钻孔各层渣样，入岩时取样拍照，地勘单位判定入岩标高后继续钻孔，待全断面入岩3d后，量取桩长，设计方复核钻孔记录表。按钻孔记录表对比复核原设计桩长及入岩深度，项目的桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值41MPa，且非涉水桥，现场无短桩入岩情况，因此，在确认桩基全断面入岩3d后，对该桩予以终孔确认。另外，对部分长桩，已达到设计桩长及设计桩底高程却仍未入岩的桩基，根据钻孔记录表按摩擦桩复核，若承载力满足要求，亦予以终孔确认。此外，要求施工中需确保同一承台下桩基类型统一，不得在同一承台下既有摩擦桩又有嵌岩桩。经过36个月工期，该互通立交工程所有桩基全部终孔。
3.1 桩基设计
项目三为一座二级公路上的大桥，桥长248m，桥宽12m，上部采用30m跨预应力混凝土T梁，下部采用Ф1.6m桩基；
桥台采用Ф1.2m桩基。全桥共22根桩，最长桩长为47m。项目桥址区下部大理岩岩溶较发育，对桩基稳定性影响较大，因此，施工图设计阶段要求逐桩钻探。根据钻孔勘察结果，本桥桩基按嵌岩桩设计，初定嵌岩深度按桩基全断面入岩3d控制。
本桥钻孔探明桥下地层中有呈上下成串分布的溶洞，最大溶洞约11.8m高，因此，在桩长验算中，钻孔中遇到溶洞层采用不考虑岩溶层对桩的摩阻作用。另外，为避免桩基嵌入中风化岩后再遇溶洞，还需按地勘分类考虑持力层厚度。
（1）溶洞顶板岩层完整且跨径<3d，控制条件为顶板的抗剪切力：Q=（q+p）/（τl），式中q为顶板自重加上覆盖土层荷载，τ为岩层的1/12容许抗压强度，l为溶洞平面周长。
（2）溶洞顶板岩层较为完整且跨径≥3d时，最小厚度由弯矩控制，设计最小持力层板厚为H=（6M/（q[σ]）0.5，[σ]为岩层1/10容许抗压强度。弯矩M按梁板受力状况计算：（a）当溶洞洞周完整而桩基底顶板跨中有裂缝时，按悬臂梁M=pl+ql2/2；
（b）当溶洞顶板完整，按固端梁M=0.7pl/4+ql2/12；
（c）当桩基底完整但洞周有裂缝时，则按简支梁M=pl/4+ql2/8。
当桩底位于第二层溶洞以下时，不考虑覆盖土层荷载产生的弯矩影响，多层溶洞桩端持力层厚度是按溶洞顶板的裂隙情况、腐蚀以及完整性分析计算得出。经计算及综合考虑安全系数后，确定桩基施工中持力层最小厚度为6~8m。
3.2 桩基施工配合
该项目施工时，发现桩径远大于钻孔直径，岩溶地区中逐桩钻孔勘探亦不能完全反映岩溶发育规律。施工中，断面揭露原设计0号台、2号墩实际孔与原详勘孔地质差异大，原设计桩底持力层溶洞顶板最小厚度不足，为使桩基安全，调整桩基穿透本土层并将下一层顶板作为持力层，因此，0号台桩长由16m变更为40m，2号墩北侧桩桩长由20m变更为35m。其余墩台实际孔与原详勘孔地层基本一致，因此，仅按岩面倾斜角度对桩长进行略微调整。
为了保证岩溶区桩基施工顺利成孔成桩并满足承载力要求，对桩基遇到较大溶洞（H>3m），建议采用钢护筒跟进法，全桩长钢护筒护壁施工；
桩基遇到较小溶洞（H≤3m）时，采用抛石、注浆填充溶洞后，再进行桩基钻孔施工。
本桥桩基在施工中采用高应变检测验证桩基承载能力，最终证明本桥所有桩基承载能力均满足设计要求。经过12个月工期，该桥所有桩基全部终孔。
4.1 桩基设计
项目四为一座支路上的拱桥，桥长30.9m，桥宽3.5m，上部采用净跨20m，矢跨比为1/8的无铰钢梁拱圈，下部采用重力式桥台，Ф1.0m桩基。全桥共12根桩，桩长最长为24m。项目位于非湿陷性软土区，地质勘察显示两桥台桩基穿过的淤泥层厚度约11.5~15.3m，在淤泥层下5~7m进入中风化花岗岩层。考虑本桥址处地质情况，嵌岩桩相比于摩擦桩，成本增加不多，但利于结构受力，因此本桥按嵌岩桩设计，全断面嵌岩深度按2d控制。
由于桩基位于非湿陷性软土区，且穿越淤泥层较厚，考虑桥头填土等因素造成土层沉降量大于桩基竖向位移值，淤泥层将对桩基产生负摩阻力。桩身产生负摩阻力深度与桩侧土层压缩、桩身压缩等有关。一般情况下，并非全段淤泥层均有负摩阻力，但为保守起见，本桥按全段淤泥层中均有负摩阻力考虑，地勘提供淤泥的桩侧土的摩阻力标准值为-12kPa，将其代入公式进行复核。由于本桥frk为55MPa，最大桩顶力881kN，经复核，本桥嵌岩桩桩长满足设计要求。
4.2 桩基施工配合
该项目由于桩基位于软土区，打桩平台及河道内架设钢梁的平台均需地基处理，并且在现状河道中开挖承台需设围堰。由于原设计围堰对钢梁吊装机重量考虑不足，设置围堰较薄弱，现场施工时围堰需外扩并加固，故设计由原来河道内的清淤、抛石挤淤，设置黏土袋装围堰修改成清淤、抛石挤淤，扩大围堰范围，设置钢板桩围堰。由此，虽然增加了造价，但承台、桩基及钢梁吊装施工安全得到了保证。经施工钻孔，桩基地层与原设计基本符合，经过2个月工期，该桥所有嵌岩桩全部终孔。
综上所述，常规地质条件下进行桩基设计时，桩基采用摩擦桩还是嵌岩桩与桩基造价、工程地质及项目桩基规模数量等相关，对荷载较小、地质条件较好人行桥，优先考虑采用摩擦桩；
对于桩基体量较大的工程，为使全项目桩基设计标准统一，尽量采用嵌岩桩，但若大部分桩基按嵌岩桩设计时桩长需超过40m，可按摩擦桩进行复核，若安全储备仍较大，则部分长桩可采用摩擦桩以适当减少桩长，节约造价。若桩基位于软土层，则应考虑软土引起的桩基负摩阻力，保证桩的安全储备，在桩长对造价增加不大的情况下，采用嵌岩桩对桩基安全更有保障。在溶洞地区进行桩基设计时，由于地质复杂，除按桩基常规设计外，更重要的是结合现场勘孔实际情况，加深对现场地质情况的认知，一旦有异常情况，应随时补钻，及时变更，修正桩基长度，确保桩基质量。
