薄壁桥台嵌岩桩基础斜桩与直桩设计方案的比较

张利强

(中交第一公路工程局有限公司海外公司，北京100038)

0 引言

莫桑比克Nampula－Cuamba道路升级改造项目初步设计由日本一家公司设计，中交一局海外公司承担该项目第二标段的施工，其中Monapo桥基础采用斜桩基础，在施工前进行地质钻探后发现，该桥的地层情况与设计方采用的地层资料不一致，初步设计时采用的地层资料在距地表7～10 m已经进入新鲜岩层，但钻探资料显示，新鲜岩层要在距地表25～29 m才出现。笔者就薄壁桥台嵌岩桩在不同桩长及不同台高情况下就斜桩与直桩两种桩型进行计算分析比较，分析总结斜桩和直桩的适用条件和两种桩基形式在相同使用条件下的优劣，从而在设计中根据不同的设计条件选择合理的桩形。

1 Monapo桥梁概述

Monapo桥为2×16 m组合梁桥，上部结构为预制钢筋混凝土Ⅰ形梁和现浇桥面板构成，桥台为八字形薄壁台，桥墩为实体薄壁墩，初步设计中墩台基础为直径762 mm斜桩基础，桩长平均11 m，桥台桩基底加设预应力锚杆以增加桩基抗拔力。

地质资料:0～1.6 m为素填土，灰褐色，主要为中砂杂粉质粘土，土质干燥松散;1.6～3.6 m为粉质粘土，灰色，含腐殖质，局部近淤泥质;3.6～6 m为细砂，灰色，局部近粉砂;6～8.1 m为粉质粘土，灰黄、棕黄夹灰色，夹中砂沙粒，底部偶见小石英块;8.1～25.9 m为全风化片麻岩，灰褐夹黑色，已全风化成中粗砂，夹有粉质粘土;25.9～26.9 m为强风化片麻岩，灰黄色，片麻理结构，块状构造，局部已全风化成中粗砂，手可捏碎;26.9～29.5 m为微风化片麻岩，灰黄局部青灰色，片麻理结构，块状构造;29.5～31.8 m为微风化花岗岩，灰黄色，局部肉红色，局部近花岗片麻岩。

根据地质钻探资料，重新设计承台及桩基，桩基及承台布置如图1所示。

2 桥台结构分析计算

桥台结构采用Prokon 2.5结构分析软件进行分析计算;采用南非规范《Code of Practice for Design of Road Bridges and Culverts》(1998)和 SABS 0100－2000。

上部结构自重及车辆荷载采用集中荷载加载，土压力及车辆荷载引起的土压力采用面荷载加载;采用土体容重18 kN/m3及0.4土压力侧向系数计算土压力;车辆荷载采用NA、NB、NC三种车辆荷载;荷载组合按照《Code of Practice for Design of Road Bridges and Culverts》5.2 进行组合。桩基配筋采用按桩底固结、桩顶部分固结无侧向支撑计算。

图1 6 m高桥台基础平面图

计算分析中，6 m高桥台桩基采用1 m桩径，10 m高桥台桩基采用1.2 m桩径，桥台采用C30混凝土，桩基采用C25混凝土，G450钢筋。

分析模型如图2所示。

结构计算结果如表1、表2所示。

3 计算结果分析

(1)通过以上结构计算分析可知，在台高和桩长相同的情况下，斜桩的轴向力和弯矩均小于直桩，部分斜桩和直桩的弯矩值相差4倍以上; (2)对于高度较低桥台(台高≤6 m)，斜桩方案和直桩方案桩底均没有出现拉力;

(3)对于高度较高的桥台(台高6～10 m)，直桩方案桩基底均出现拉力，而且，相同台高情况下，桩基越长，桩底拉力越大，设计中须进行抗拔验算，必要时桩底加设预应力锚杆以增加桩基抗拔力;

(4)对于高度较低的桥台(台高≤6 m)，当桩长较短(≤15 m)时，斜桩和直桩配筋量基本相同，当桩长较长(＞15 m)时，直桩的配筋量是斜桩配筋量的1倍左右;

图2 不同桥台高度斜桩与直桩分析模型

(5)对于高度较高的桥台(台高6～10 m)，斜桩和直桩的配筋量除10 m桩长相同外，其余桩长直桩配筋量是斜桩配筋量的2～5倍。

表1 6 m桥台桩基计算表

表2 10 m桥台桩基计算表

4 结语

通过以上计算分析可知，当桥台高度较低(台高≤6 m)时，直桩与斜桩方案均可行，桩长为15～25 m的斜桩方案在钢筋使用量上优于直桩方案，其余桩长情况斜桩与直桩方案钢筋用量相差不大;当桥台高度较高(6～10 m)时，直桩方案桩基底出现拉力，除在桩底加设抗拔设施外，钢筋使用量比斜桩方案大2～3倍，因此对于高桥台，除考虑施工设备和施工工艺外，斜桩方案优于直桩方案，桩径1 m，平均桩长17 m。

本项目的Monapo桥桥台高度为5～6 m，桩基设计长度为15～25 m，从结构安全性和材料使用量上，斜桩方案优于直桩方案。但我们项目施工设备和施工人员均来自国内，由于国内公路铁路桥梁很少使用斜桩，因此基本没有用于斜桩施工的专用设备，只有少数厂家通过临时改造直桩施工设备来用于斜桩施工;施工人员对斜桩施工也缺乏实践经验，鉴于以上原因，Monapo桥采用直桩方案，桩径1 m、平均桩长17 m。

通过上述桩基计算分析发现，在高桥台桩基设计中，斜桩基明显优于直桩基，但在国内桥梁设计中却很少使用，这主要是因为国内缺少斜桩基施工的专用设备;但斜桩基在日本、南非和欧洲国家已经普遍使用，同时也促进了斜桩专用施工设备在这些国家的发展。我国有很多桥梁项目，希望国内设计人员设计中适当优先考虑采用斜桩基，以促进国内斜桩基设备的研发和使用，提高我国桥梁设计施工综合实力。

［1］Code of Practice for Design of Road Bridges and Culverts(1998)［S］.

［2］SABS 0100 －2000［S］.

［3］江祖铭，王崇礼.公路桥涵设计手册——墩台与基础［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］邵旭东.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］Tyler G.Hicks.Handbook of Civil Engineering Calculations［M］.北京:高等教育出版社，1999.