大直径挖孔桩在城市桥梁基础中的应用
2009-09-28
一、前言 大直径人工挖孔扩底桩已在建筑工程基础中得到较为广泛的应用。实践证明，此类桩基从技术经济分析中看确有一定的优势，如工程造价合理，施工速度较快，施工机械简单等。但是，在城市桥梁基础工程中该类桩基却采用较少，主要是因为桥梁基础所处的特殊地质。水文条件。如：桥梁基础在具有承压水的砂层地质条件下，是否可以采用该类桩基？本文结合工程实例，对在具有承压水井夹砂层的水文、地质条件下，如何进行大直径人工挖孔桩的设计与施工等有关问题进行一些分析探讨。
二、大直径扩底桩的承载机理 一般情况下，大直径扩底桩的承载力由桩周上的摩阻力与端承力两部分组成。即：
大直径扩底桩基础，一般深度超过5m属深基础范畴。其承载机理与破坏机理不同一般浅基础或长颈基础，也不同于一般桩基础的受力状况。通过模型试验及原位测试可以看出：①浅基础达到破坏时近处土体下沉，远处主体隆起，表现为土体剪切破坏（图1）；②高杯口基础基底与扩底基础有些相近之处，有较大的端承面积（图2）。以基底上的压密度为主，由于埋置较深，施工时需要大量开挖，基础施工完成后再回填土。从而破坏了长颈桩与土体间的摩擦力，填土后基础两侧有较大的超荷载，上体后期固结可能导致桩体与填土之间的负摩阻力。其总承载力低于扩底基础；③桩基础的破坏模式则属于深层剪切或刺入破坏。由于一般桩长较长，在深层上发生的破坏反映在桩顶是较大的下沉，桩周土体一般出现隆起（图3）；④大直径扩底的承载机理则表现为竖向变形为主，伴随有侧向挤压，无向上隆起，当荷载较小时桩底土被压密，当荷载加大时，扩大头底端外侧有伞形拉裂缝，存在一拉力应力区。有时在端角处形成局部深层剪切破坏（图4）。
三、大直径扩底桩的设计与施工 通过对该类桩基的承载机理的初步分析可以看出：它既不同于一般的桩基也不同于扩大基础。因而，在工程实践中，怎样结合实际的工程水文、地质条件来进行设计计算并完成桩基施工是一项既需理论指导又应结合实际充分发挥有关工程技术人员创造性的工作，下面将结合工程实践进行一些探讨：1．设计内容（1）明确支承土或岩石的深度与性质，弄清施工的实际可能性，以及在施工过程中可能遇到的各种困难。了解地下水对施工的影响及地基上的承载力等。（2）选择桩基尺寸、施工方法和设计中拟采用的容许承载力。（3）考虑并验算桩基的沉降。（4）根据实际情况对设计或施工方案进行必要的调整。2．设计特点 大直径扩底桩基础的设计计算要求与桩基基本相同，此类基础会因土层不同扩底范围不同而使受力状态比较复杂。因此，在设计计算时应充分考虑这些特点。3．承载力计算 从国内外大量的资料和文献看，最准确的桩基竖向承载力是通过静载试验确定的。但，静载试验时间长、费用高，一般情况下不可能采用。因此，目前一般情况下均采用规范公式进行计算，并根据工程地质条件结合设计实践经验，对有些计算参数进行适当调整。现就规范对大孔径扩底桩竖向承载力的几种计算方法进行介绍。（l）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ1024-85）
从上述有关计算公式并结合大直径扩底桩的承载机理分析可以看出：第一，大直径扩底桩的竖向承载力计算与普通桩径的桩基计算存在一定的区别。第二，大直径扩底桩的端承载力是其承载力的主要部分。桩周围的摩擦力也是存在的，并且也能分担一部分荷载。一般情况下，当桩侧摩擦力全部发挥了作用，则桩端承载力只发挥了50％的作用。第三，对于大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数φsi，φp，在计算大孔径扩底桩竖向承载力时，应当根据不同的地质条件、荷载条件综合考虑区别对待。第四，扩底桩底面积的不同，往往会导致沉降变形差异。因此，有时还应当以桩的沉降变形来控制。
四、工程实例 本工程为合肥市二环路（城市快速干道）跨越板桥河一座四跨（12m＋2*18m＋12m）连续梁桥下部桩基工程，根据工程地质勘探报告提供土层分布如下表1：
①层耕作土：层厚0．6～1.2m，较松散。②层粉土：层厚1．5～7.5m不等，可软塑～软塑，含粉质、粉细砂等成分，该层土系新近沉积，状态差。③-1层粘土：层厚0～2.2m，硬塑。③-2层粉粘土：层厚0～2.8m，可硬塑。③-3层粉上：层厚0～4.1m，中密～密实，含细中砂。④层粘土：层厚0～2.9m，硬塑～坚硬。⑤层含砾石砂：层厚5．9～7．4m，该层土底部夹厚约0．3m的卵砾石层。⑥层泥岩强风化：层厚2．7～4.1m，暗红色，坚硬状态。⑦层泥岩中风化：该层未钻穿，暗红色，坚硬，钻进困难，含砂岩夹层，局部含状态较软的青灰色薄层（0.2～0．4m厚）粉砂岩风化。 针对上部结构连续梁桥型方案，考虑到该结构对于不均匀沉降较为敏感。对于各墩、台之间的沉降差异要求很严，根据地质条件经过多方案比较，并充分考虑到施工的可行性和施工工期的要求，决定采用大直径人工挖孔桩基础。桩身直径拟定为D＝1800mm，扩底直径D1＝2600mm，桩身长度L＝15500mm左右，扩高h=1500mm。（图5）
从计算结果可以得出：采用三种公式计算，其结果存有一定差别，最大差别为30％左右（表2）。其主要原因是公式（1），（3）充分考虑了端阻尺寸效应。
综合考虑各种因素，最后采用的单桩承载力容许值[p]=14000kN。 因为该场地②层、③-3层、⑤层粉砂上含水量高、状态差，且河床底部含淤泥。如何穿越上述上层，并做到防止流砂、涌水等情况的发生，成为该桩基础是否可行的关键所在。通过与施工单位的密切配合，采用混凝土护壁，钢护筒等各项综合措施，终于克服了困难。按期、按质地完成施工。 该工程在投入使用前对桩基进行了全面检测，证明桩基质量良好，经过近一年的使用，沉降等各方面结果令人满意。
五、结束语 在深基础设计中，大直径扩底桩基础具有一般桩基础无法比拟的优点，此类桩基进入设计要求的持力层时，可对支承土作直观检查。但是，由于桥梁基础的特殊性，该类桩基在桥梁基础工程的应用才刚刚开始一些尝试。 由于施工质量是桩基础成功与否的关键，故对大直径扩底桩的设计与施工提出一些建议：①仔细分析地质条件，根据土质情况比较此类基础与其他基础的可行性及工程造价、施工工期。②设计计算时应从当地的实际出发，适当选择有关参数，避免盲目照搬公式。③应当做好桩基的测试和沉降观测。④在施工时应当根据实际的地质条件，做好各项组织工作，确保施工质量和施工安全。
参考文献［1］《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）．北京：人民交通出版社，1985［2］《建筑地基基础设计规范》（GBJT-89）．北京：中国建筑工业出版社，1989［3］《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）．北京：中国建筑工业出版社，1995［4］桩基工程手册．北京：中国建筑工业出版社，1995［5］［美]F．H．温特科思，方晓阳主编，钱鸿缙，叶书麟校．基础工程手册．北京：中国建筑工业出版社，1985［6］何颐华，王铁宏．大直径扩底桩承载力及沉降变形的计算．建筑结构学报，1993年第2期
