1、公路桥梁嵌岩桩基设计概述摘要：随着社会的发展与进步，重视公路桥梁嵌岩桩基设计对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍公路桥梁嵌岩桩基设计的有关内容。 关键词公路桥梁；嵌岩桩；桩基；计算；设计； 中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号： 引言 在公路桥梁的正常运行时，公路桥梁上部结构的荷载一般都较大，所以要求设计嵌岩桩基应具有较高的性能，所以承载能力高、质量稳定的钻孔灌注桩是绝大多数桥梁工程首选的基础形式。设计的桥梁桩基是否适当，对工程质量、造价、工期及使用都有很大的影响。 一、嵌岩桩的定义 又称嵌岩墩。 桩的下段有一定长度浇筑于岩体中的钻孔灌注桩。桩端嵌入岩体中的桩称为嵌岩桩。不论岩
2、体的风化程度如何只要桩端嵌入岩体中均可称为嵌岩桩，嵌入不同特性的岩体中的嵌岩桩其特性的差异是由岩体特性的差异所引起的。岩石为颗粒间连接牢固、呈整体或具有节理裂隙的岩体。岩石的风化程度分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化 5 个等级。 国外认为：只要桩端嵌入岩体中，不论岩体的风化程度如何、坚硬性如何，都称为嵌岩桩。桩端支承于中等风化程度以上岩层的桩就可称其为嵌岩桩,不包括嵌入全风化、强风化岩情况。 嵌岩桩作业，身底端有一定长度嵌入基岩体的一种基础桩类型。其目的是使桩身与基岩结为一体,以提高桩的稳固性与承载能力。嵌岩桩一般要求穿过土层和风化层嵌入到微风化或完整基岩中 1 52 倍。嵌岩桩岩
3、段钻孔通常用大直径组合式牙轮钻头或滚刀钻头施工,亦可用大直径空气潜空锤或组合式潜孔锤施工。 二、嵌岩桩基的单桩承载能力的计算 桩基承载力的计算是桥梁设计的重要部分。 公路桥涵基础与地基设计规范(JTG D632007)中明确的规定：支承在嵌入基岩内或基岩上的挖 (钻)桩，其单桩轴向的受压容许承载力 lRa，可按如的下式计算： Ra 表示单桩轴 向受压承载力容许值；C、C2i 表示根据岩石破碎程度、清孔情况等因素确定的系数；Ap 表示桩底截面面积； s 表示覆盖层土的侧 阻力发挥系数：hj 表示桩嵌入基岩深度；q 表示桩侧第 i 层土的侧阻力标准值；Li 表示各土层的厚度；u 表示桩嵌入基岩部分
4、的横截面周长，按照设计的直径计算：C 表示单轴抗压强度和桩端岩石饱标准值； 上述公式表明：Ra 只跟嵌入基岩的深度和桩底处岩石的强度，以及岩石破碎程度、清孔情况等因素有关。依据规范所描述，通常大家会认为只要是嵌岩桩跟端承桩是一样的，也适用于这个公式。而实际上不是，只有在嵌岩桩的清孔为绝对干净，桩底只有支撑作用，桩底强度很高且岩石完整时，桩几乎没有竖向位移，桩基才能算是端承桩，公式也才能使用。在实际的工程中，只有在土层侧阻力所占的比例较小，当桩基长径比不大时，桩基大致表现出端承桩的特征，公式才可以使用。 公式中所提到的 “h”是指 “桩嵌入基岩的深度，但不包括风化层”。一般都认为是桩必须嵌入新鲜
5、基岩，而不管其上面风化岩层的强度怎么样。因为有的强风化硬质岩层(如花岗岩)，它们的极限强度则会大于极软岩新鲜岩的强度。这说明一般硬质岩的强风化层或微弱风化层的强度都相对较高，如不考虑这些层次的嵌岩深度，只是一味的要求嵌入新鲜基岩是不行的。根据这个原则，如果风化层很厚，桩基嵌岩则会很深。所以在设计上，这会致使计算的承载力 Ra 远小于实际的极限承载能力Ra；在工程施工上，这会增大工程量，延长工期。工程试验表面，当岩面比较平整时，桩的嵌岩深度 h2d 时，桩侧嵌固力约占总荷载 5O以上 。承载力会随着嵌固深度增加而增大，但嵌固的深度 h3d 时，承载力增长比较小。所以，在进行桩基设计实践时，如提高
6、桩基承载力必须要通过较大的嵌岩来现实时，可以考虑加大桩径。 三、公路桥梁嵌岩桩基础设计应注意的问题 1正确区分端承桩和摩擦桩等桩基类型 通常认为，凡嵌岩桩必为端承桩，凡端承桩均不考虑土层侧阻力。实际上，大量现场结果表明：桩侧阻力、端阻力的发挥性状与上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质和嵌岩深径比、桩底沉渣厚度等因素有关。 一般情况下，上覆土层的侧阻力是可以发挥的，而且随着长径比 l/d的增大，侧阻力也相应增大；只有短粗的人工挖孔嵌岩桩，端阻力先于土层侧阻力发挥，端阻力对桩的承载力起主要作用，属端承桩。对l/d1520 的泥浆护壁钻(冲)孔嵌岩桩，无论是嵌入风化岩还是完整基岩中，桩侧阻力
7、均先于端阻力发挥，表现出明显的摩擦型。对于l/d40，且覆盖土层不属于软弱土，嵌岩桩端的承载作用较小，此时桩基受力状态为摩擦桩，桩端嵌入强风化或中风化岩层中即可。在某些地区，泥质软岩嵌岩灌注桩 l/d45 时，嵌岩段总阻力占总荷载比例小于20%；l/d60 时，嵌岩段端阻力占总荷载比例小于 5%。究其原因，一方面由于嵌岩桩桩身的弹性压缩，导致桩顶沉降，这个弹性压缩量引发了桩周土体的剪应力，也即是土对桩的摩阻力。另一方面，钻孔桩的孔底残留的沉渣，形成一个可压缩的软垫，至使桩底也会产生沉降，这一沉降和上述桩本身的压缩导致桩身与土体、嵌岩段桩身与岩体产生相对位移，从而产生侧阻力。而这种桩身弹性压缩和
8、桩底沉降是随着长径比 l/d的增大而增大的，因而导致摩擦力和侧阻力的增大。 同时，传递到桩端的应力也随嵌岩深径比 hr/d 的增大而减小。当hr/d5 时传递到桩端的应力接近于零；但对泥质软岩嵌岩桩，hr/d=57 时，桩端阻力仍可占总荷载的 5%16%。 由此可见，端承桩和摩擦桩的区分，不能单纯从是否嵌岩来区分，要考虑上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质、嵌岩深径比和桩底沉渣厚度等因素。 2准确确定嵌岩深度及桩端持力层厚度 桥梁工程桩基设计中，经常会遇到两软弱岩层之间穿越强度很高的一定厚度的岩层(夹层)，或者有些地区溶洞比较发育。如果这种夹层厚度不够承载厚度要求，钻孔桩就需要穿越夹层
9、，以达到持力层，这对施工机械和施工进度都是极大的考验。 对桩底基岩厚度的确定，主要有三个条件：(1)不考虑桩身周围覆盖土层侧阻力，嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度，按构造要求 0.5m；(2)要求桩底以下 3 倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布；(3)在桩端应力扩散范围内无岩体临空面。对于一般夹层，只要满足前两个条件即可作为持力层。对岩溶地区桩基，由于岩体形状奇特多变，岩溶洞隙的分布毫无规律，现有勘探手段难以事先查明它的准确位置及大小，导致工期延长、工程费用增加。基于计算所需的边界条件十分复杂，而岩溶地基比一般岩石地基影响因素更多，以前通常要求桩端
10、下有 4m、5m 或 5 倍桩径持力层厚度，对于不同桩径、不同的单桩承载力，如果同样要求基桩端面以下有 5m 完整基岩，两者的可靠度是不尽相同的。为使桩基设计经济合理，应根据经验值和试算数值相结合的方法来确定嵌岩深度及桩端持力层厚度。 3.嵌岩桩基配筋的进行布置 我们在设计时通常有两种钢筋的布置方式，即最大弯矩处进行配筋和将基桩主筋一半部分延伸到桩低处 。最大弯矩处进行配筋是从桩顶 直延伸到最大弯矩的一半以下的锚固长位置处，减少二分之一配筋再一直延伸至弯矩为零以下的锚固长位置处，再往下就是素混凝土段。而在基桩主筋一半部分一直伸到桩底配筋，从节省工程费用和桩体受力及发生事故处理的概率来看，最大弯
11、矩处进行配筋种更加合理。但在将基桩主筋一半部分延伸到桩低处配筋可以减小施工的难度，桩基在灌注混凝土时，钢筋笼的定位就显得尤为重要，将钢筋布置到桩底，对固定钢筋笼来说就会容易些。 结束语 嵌岩桩具有承载力高,抗震性能好,桩基沉降小,群桩效应弱等优点,在桥梁工程等方面得到大量使用。在公路桥梁建设中,桩基嵌岩桩已成为采用较为广泛的基础形式,由于基桩嵌入岩层中,单桩轴向容许承载力决定于桩基底处岩石的强度和嵌入岩层的深度,基桩的外力全部传至桩底岩层。因而研究公路桥梁嵌岩桩基础设计探讨，了解公路桥梁嵌岩桩承载力计算公式,对我们日后研究具有重要的意义。 参考文献 1 GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2010 2 王玉廷;公路桥梁加固技术研究D;河北工业大学;2009 3 黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究A.全国建筑桩基技术规范专题报告，2008. 4 齐建;大直径桥梁基桩竖向承载力分析及试验研究D;湖南大学;2009
