岩溶地区长嵌岩桩的优化设计

张 军 周强新

0 引言

在当前的工程设计中,关于嵌岩桩承载机理的认识存在一定的误区,即嵌岩桩必为端承桩,承载力主要是桩端阻力承担。这种认识只有在桩较短、上覆土层薄而软弱、嵌岩深度很小时才符合实际。其实,对不同的工程地质条件,桩的几何尺寸及成桩工艺,嵌岩桩将表现出不同的承载性状。由于对嵌岩桩承载力特性和荷载传递机制缺乏足够地认识,导致在嵌岩桩设计、桩身配筋和承载力取值方面还存在一些误区,一方面不管嵌岩桩的长径比大小,嵌岩深度都作为端承桩来进行设计计算;另一方面是盲目地增加嵌岩深度和提高截面配筋率造成不必要的浪费。

1 下伏岩溶的长嵌岩桩优化设计的意义

在设计过程中,运用系统分析的原理和方法,以保证桩身强度、桩基强度和桩顶位移为前提,以节约工程总造价为目的,在强度条件、变形条件和工程造价的相互联系、相互作用、相互制约中,找出既满足强度条件、变形条件,又使总造价最低的最优化设计方案是十分必要的。为此,在对下伏岩溶的长嵌岩桩荷载传递机理研究的基础上,将嵌岩深度、桩身长度、钢筋强度及截面配筋等设计参数作为变量,通过建立优化设计模型,对嵌岩桩的优化设计理论进行研究。旨在达到桩身强度与桩基强度最好的匹配、极限承载性能最充分的发挥、工程总造价最低的最优设计效果,而且可改进设计方法,对规范基础设计、节约投资经费有重大的现实意义和广阔的应用前景。

2 下伏岩溶的长嵌岩桩荷载传递机理

2.1 竖向荷载传递机理

竖向荷载下单桩承载力由桩侧阻力和桩端阻力组成,其基桩竖向荷载传递过程为:首先,竖向荷载逐步施加于桩顶,桩身上部受到压缩,其近地面处桩土间开始发生或即将发生相对位移,即产生桩侧摩阻力;随桩顶竖向荷载增大,近地面处摩阻力增大,竖向荷载继续往下传递直至桩端;随竖向荷载进一步增大,桩侧摩阻力逐渐发挥至最大值,桩端阻力逐渐增大,当桩端阻力达到极限值时,基桩也就达到其极限承载力。

嵌岩桩承载力虽由桩侧摩阻力和桩端阻力组成,但二者往往不能同时发挥至极限值。桩侧摩阻力和桩端阻力发挥程度与桩土间变形有关,并且各自达到极限值时所需要的位移量不同。

桩荷载传递理论揭示的是桩岩(土)之间力的传递与变形协调的规律,它是桩的承载力机理和桩土共同作用分析的重要理论依据。桩竖向荷载传递机理的分析要点在于确定桩身轴向荷载沿深度如何变化,桩侧摩阻力沿桩深度如何分布,桩在不同深度处的竖向位移沿深度的变化规律等。

2.2 水平荷载传递机理

事实上,工程中单纯承受竖向荷载或水平荷载的情况很少。基桩除承受上部结构传递的竖向荷载外,往往受有不容忽视的横向荷载。工程实际中的桩承受上部结构传递的竖向荷载及水平荷载的作用。基桩在竖向及水平荷载作用下,不仅其水平分力将使桩身产生较大的弯矩和挠曲变形,竖向分力也将由于桩身挠曲变形的出现而产生一附加弯矩,而这一附加弯矩又将影响到桩身挠曲变形的增加。

在水平荷载作用下,基桩的工作性状极为复杂,涉及到半刚体结构部件和土体相互作用问题,其横向承载能力不仅与桩本身材料强度有关,而且很大程度上取决于桩侧土的横向抗力。在横向荷载施加的初始阶段基桩克服桩本身材料强度产生挠曲变形,随着挠曲变形的发展,桩侧土体受到挤压而产生抗力,这一抗力将阻止桩身挠曲变形的进一步发展,从而构成复杂的桩土相互作用体系。当变形增大到桩身材料所不能容许的程度或桩侧土失去稳定时,桩土体系便趋于破坏。

3 山区高速公路下伏岩溶的嵌岩桩合理桩长确定

根据岩溶区桥梁基桩的工程特点,此时嵌岩桩设计的关键问题之一是如何合理确定桩长。桩长过长将极大增加施工难度,并直接影响工程进度及工程造价;而由于下伏岩溶的存在,桩长过短是否满足承载力要求及基桩安全要求亦是工程设计人员必须考虑的问题。

解决上述问题的关键在于如何根据下伏溶洞及工程地质情况,合理确定嵌岩深度,由此确定最为经济安全的持力层。嵌岩深度应该根据下伏岩溶及实际的工程地质条件和嵌岩桩的设计承载力、设计桩长、桩径比以及桩端岩石的性质来综合考虑。由此可见嵌岩桩最佳嵌固深度是随着嵌岩桩所嵌岩体特性的不同而不同,应分别对待。

4 下伏岩溶的长嵌岩桩桩身配筋的优化

长嵌岩桩桩身所承受的竖向荷载是自上而下逐渐地减小,愈靠近桩尖,桩身所受到的轴向力愈小;同时,长嵌岩桩的桩长与桩径的比值较大,亦即桩身较柔,在水平荷载与弯矩的作用下,桩身所受的弯矩与剪力也是靠近基桩顶的上段大,在桩侧抗力的不断抵消下,同样使其所受的弯矩与剪力自上而下迅速衰减。因此,基桩内的钢筋可以分段配置不同的数量,桩顶段要根据受力需要按钢筋混凝土构件配筋,愈向下配筋量要求可以愈少,最后,靠近桩尖附近也可不配筋而做成素混凝土段。

现行的JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范规定“钻(挖)孔桩应按桩身内力大小分段配筋。当内力计算表明不需配筋时,应在桩顶3.0 m～5.0 m内设构造钢筋”和“计算基桩内

其中,a为桩的变形系数;EI为桩的抗弯刚度;EC为桩的混凝土抗压弹性模量;I为桩的毛面积惯性矩;m为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数。

对于ah＞2.5的弹性桩基础,规范指出:“桩的入土深度 h≥4/a时,z=4/a深度以下桩身截面作用效应可忽略不计”。基桩应验算桩身强度、稳定性及裂缝宽度。验算方法可参照JTG D62公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范有关章节进行。

JGJ 94-2008建筑桩基技术规范规定:“端承型桩和位于坡地岸边的基桩应沿桩身等截面或变截面通长配筋”。桩内配筋率规定为:“当桩身直径为300 mm～2 000 mm时,截面配筋率可取0.65%～0.20%(小直径桩取高值);对受水平荷载特别大的桩、抗拔桩和嵌岩端承桩应根据计算确定配筋率,并不应小于上述规定值”。

按上述规范的要求可以看出,嵌岩桩不要求从上到下配置相同的钢筋,而是可以分段配置不同的主筋总面积。因而从整体上说,嵌岩桩不属于钢筋混凝土偏心受压构件,因为从桩顶至桩尖的桩身各段配筋率是逐渐变小的,故中段和下段一般小于钢筋混凝土偏心受压构件最小配筋率的要求而属于少筋混凝土或素混凝土的范畴。桩岩耦合作用使得基桩下段只承受轴心压力,但不同于常规轴心受压构件,因为常规轴心受压构件的破坏机理是受压构件在极限状态产生偏心导致结构局部破坏,而基桩桩身在岩土的约束下,不会产生偏心破坏,故基桩下段不能按常规轴心受压构件进行配筋计算。力时,可采用m法或其他可靠的方法”。

按m法计算时,桩基中桩的变形系数为:

5 结语

对于岩溶地区的下伏岩溶长嵌岩桩来说,根据嵌岩桩承载力传递机理及桩身内力,对桩身截面配筋进行优化设计是可行的。嵌岩桩配筋优化的基本原则是,必须在保证基桩受力安全的前提下,合理缩短基桩的配筋长度,以使基桩达到既安全又经济的设计效果。

[1] JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[2] JTG D63-2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[3] 李 莉,李朝阳.嵌岩桩竖向荷载性能分析[J].中外公路,2005(10):55-56.

[4] 袁振宇.基桩在水平和竖向荷载作用下的受力分析[J].广州建筑,2006(3):39-40.

[5] 张建新,吴东云,李朝阳.桩端阻力与桩侧阻力相互作用研究[J].岩土力学,2008(2):21-22.