基于法國規(guī)范的摩擦樁長度計算方法

基于法國規(guī)范的摩擦樁長度計算方法

阿富汗東西高速公路是連接亞洲和西方的重要戰(zhàn)略通道。本項目設(shè)計主要采用法國標(biāo)準(zhǔn)。橋梁樁長按中、法兩國規(guī)范分別計算,經(jīng)分析比較后合理確定。橋梁基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范主要采用CCTG62分冊。CCTG62分冊是法國公共工程一般技術(shù)條款手冊,內(nèi)容包括深基礎(chǔ)、半深基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)的承載力計算方法及規(guī)定,其中深基礎(chǔ)的計算僅適用于摩擦樁。CCTG62分冊僅介紹了旁壓和靜力觸探兩種地勘方法的計算規(guī)則。根據(jù)法國勘察設(shè)計習(xí)慣,本項目基樁承載力計算主要采用旁壓試驗成果。1基于側(cè)壓試驗的深基本載荷計算1.1土的等代凈極限壓力和極限承載力CCTG62分冊根據(jù)結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的等代嵌入深度De與寬度B的比值,將基礎(chǔ)劃分為淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)和半深基礎(chǔ)3種類型,劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。等代嵌入深度De是常規(guī)的計算參數(shù),與基礎(chǔ)在土層中的埋置深度D是兩個不同的概念,需要根據(jù)基礎(chǔ)的埋置深度和土的承載力計算。對于旁壓試驗,等代嵌入深度De按下式計算:De=1Ple∫DdPl(z)?dz(1)De=1Ρle∫dDΡl(z)?dz(1)式中:Ple為基礎(chǔ)底部土的等代凈極限壓力;D為計算的起始深度,通常為0,除非在表層有力學(xué)特性非常差的地層,否則在計算嵌入深度時不予考慮;Pl(z)為深度z處實測的極限壓力。等代凈極限壓力Ple(圖1)是基礎(chǔ)底部一定深度范圍內(nèi)土的平均凈極限承載力。對于深基礎(chǔ):Ple=1b+3a∫D+3aD?bPl(z)?dz(2)Ρle=1b+3a∫D-bD+3aΡl(z)?dz(2)式中:b為基礎(chǔ)深度參數(shù),b=min(a,h),h為基礎(chǔ)在承重土層中的長度;a為基礎(chǔ)寬度參數(shù),如果基礎(chǔ)寬度B≥1m,則a=0.5B;否則,a=0.5m。對于淺基礎(chǔ),Ple為基礎(chǔ)底面以下1.5B深度范圍內(nèi)土的實測極限壓力Pl的幾何平均值。1.2樁側(cè)土的極限摩阻力深基礎(chǔ)構(gòu)件的受壓極限荷載Qu和受拉極限荷載Qtu按下式計算:Qu=Qpu+Qsu(3)Qtu=Qsu(4)式中:Qpu和Qsu分別表示樁端總支承力和樁側(cè)總摩阻力。根據(jù)CCTG62分冊,深基礎(chǔ)構(gòu)件的受壓屈服荷載Qc和受拉屈服荷載Qtc按下式計算:Qc=0.5Qpu+0.7Qsu(5)Qtc=0.7Qsu(6)基樁端部的總支承力按下式計算:Qpu=A·qu(7)式中:A為基樁底截面積;qu為基樁底部土層的極限承載力,根據(jù)所采用的試驗類型按相應(yīng)的公式計算。對于旁壓試驗,深基礎(chǔ)底部土層的極限承載力qu按下式計算:qu=kp·Ple(8)式中:kp為土的承載力系數(shù),根據(jù)樁底土的類型和基樁的施工方法確定,見表2。深基礎(chǔ)樁側(cè)土的總摩阻力按下式計算:Qsu=p·∫D00Dqs(z)·dz(9)式中:p為基樁周長;qs(z)為深度z處樁側(cè)土的極限摩阻力。樁側(cè)土的極限側(cè)摩阻力qs與該處土的實測極限壓力Pl(z)、土的類型以及基樁材料類型、施工方法等有關(guān),可由CCTG62分冊中不同的地勘方法所對應(yīng)的公式或圖表求得。值得注意的是,為避免出現(xiàn)塌孔,砂土、礫石土中不能采用簡單鉆孔施工,故CCTG62分冊中沒有相應(yīng)的樁側(cè)土的極限摩阻力計算公式和圖表。對于群樁基礎(chǔ),要考慮由于基樁間相互影響而引起承載力降低的效應(yīng)。CCTG62分冊規(guī)定,當(dāng)深基礎(chǔ)構(gòu)件間的凈距大于等于2倍基礎(chǔ)截面的寬度和長度時(圖2),可不考慮基礎(chǔ)之間的相互影響;否則,應(yīng)計算群樁的有效系數(shù),對基樁的極限承載力進(jìn)行修正。1.3土的分類及確定CCTG62分冊建議根據(jù)旁壓試驗實測極限壓力Pl或靜力觸探試驗實測極限壓力qc,將常規(guī)土分成不同種類,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。該表中的分類不是唯一標(biāo)準(zhǔn),在復(fù)雜的情況下,建議由專家決定把一種土具體分為哪一類。深基礎(chǔ)土的承載力系數(shù)由土的類型和基礎(chǔ)施工是否需要壓縮土壤來確定。通常情況下,基礎(chǔ)施工不需要壓縮土壤,承載力系數(shù)kp按表2取值。2稱重設(shè)計2.1法國樁長計算方法2.1.1elu發(fā)現(xiàn)組合根據(jù)法國規(guī)范,結(jié)構(gòu)物需要進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)(ELU)和正常使用極限狀態(tài)(ELS)設(shè)計,設(shè)計樁頂力有4種組合類型:ELU基本組合、ELU偶然組合、ELS幾乎永久組合、ELS少見組合。(1)ELU基本組合的樁頂力(F)計算如下:F=1.35Gmax+Gmin+γQ1Q1+∑1.3ψ0iQi(10)式中:Gmax為全部不利的長期作用力;Gmin為全部有利的長期作用力;Q1、γQ1為基本可變作用力及其組合系數(shù);Qi、ψ0i為其他可變作用力及其組合系數(shù)。(2)ELU偶然組合主要考慮地震偶然作用,樁頂力按下式計算:F=Gmax+Gmin+FA+ω11Q1+∑ω2iQi(11)式中:FA為意外作用力;ω11、ω2i為基本可變作用和其他可變作用的組合系數(shù)。(3)ELS幾乎永久組合和少見組合的樁頂力計算如下:F=Gmax+Gmin+Q1+ψ0iQi(12)(4)ELS幾乎永久組合和少見組合的區(qū)別在于其他可變作用的種類和相應(yīng)的組合系數(shù)不同。2.1.2基本樁超載對于不同的組合類型,基樁容許承載力的安全系數(shù)取用不同。CCTG62分冊中規(guī)定了不同組合類型時基樁的容許承載力,見表3。2.1.3geof東南角軟件模型樁長計算時,要按4種組合分別進(jìn)行,當(dāng)基樁的受壓容許承載力都大于相應(yīng)組合的最大樁頂力,且受拉容許承載力都小于相應(yīng)組合的最小樁頂力時,樁長方滿足要求。本項目采用法國的GEOFOND2006軟件計算樁長,該軟件適用于CCTG62分冊和DTU13.2中介紹的各種基礎(chǔ)類型和地勘試驗方法。值得注意的是,GEOFOND2006軟件未能自動考慮基樁自重因素,計算結(jié)果是偏短的。嚴(yán)格地說,應(yīng)當(dāng)把樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮。尤其是當(dāng)基樁頂部自由長度較大時,必須把自由段的樁重作為荷載考慮,以免樁長設(shè)計不足。另外,對于承受拉力的基樁,應(yīng)將基樁自重(或浮重)與設(shè)計樁頂拉力進(jìn)行組合,以免由樁頂拉力控制而設(shè)計過長的基樁。2.2在中國的不同桿計算方法中為確保安全,在橋涵設(shè)計中,同時按我國規(guī)范進(jìn)行全面計算和分析比較。2.2.1基樁受拉容許承載力根據(jù)我國85規(guī)范(JTJ024-85),鉆孔灌注摩擦樁的受壓容許承載力[P]按下式計算:[P]=(Uhτp+AσR)/2(13)式中:τp為樁側(cè)土的平均極限摩阻力;σR為樁尖土的極限承載力,按下式計算。σR=2m0λ{(lán)[σ0]+k2γ2(D-3)}(14)式中:[σ0]為樁尖土的容許承載力;k2為地面土容許承載力隨深度的修正系數(shù);γ2為樁尖以上土的容重;λ、m0分別為修正系數(shù)和清底系數(shù);U、h分別為基樁的周長和有效長度。公式(13)中括號內(nèi)第一項為樁身的總摩阻力,第二項為樁尖的總支承力。荷載組合Ⅰ作用時,安全系數(shù)取2;當(dāng)荷載組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作用時,容許承載力可提高25%,即安全系數(shù)可減小為1.6。我國85規(guī)范(JTJ024-85)規(guī)定當(dāng)荷載組合Ⅰ作用時,樁頂不容許出現(xiàn)拉力。當(dāng)荷載組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ作用時,考慮安全系數(shù)為2,摩擦樁受拉容許承載力[P1]按下式計算:[P1]=0.3Uhτp(15)當(dāng)基樁受拉時,樁身自重(或浮重)全部作為外力考慮;當(dāng)基樁受壓時,在局部沖刷線以下,樁身自重(或浮重)的一半作為外力考慮。當(dāng)基樁容許承載力大于樁頂設(shè)計反力時,樁長滿足設(shè)計要求。2.2.2短期效應(yīng)組合我國現(xiàn)行規(guī)范(JTGD63-2007)引入了公路橋涵設(shè)計的極限狀態(tài)原則,根據(jù)地基的變形性質(zhì),明確將地基設(shè)計定位于正常使用極限狀態(tài)?；鶚冻休d力計算時,相應(yīng)作用采用正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值組合?，F(xiàn)行規(guī)范中的摩擦樁承載力計算方法及安全系數(shù)與85規(guī)范基本相同。當(dāng)基樁承受壓力時,現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定摩擦樁的受壓容許承載力,應(yīng)根據(jù)樁的受荷階段及受荷情況乘以規(guī)定的抗力系數(shù)。對于結(jié)構(gòu)自重、預(yù)加力、土重、土側(cè)壓力和汽車、人群的短期效應(yīng)組合,抗力系數(shù)取1.0;對于永久作用與可變作用的短期效應(yīng)組合以及作用效應(yīng)的偶然組合,抗力系數(shù)取1.25,這與85規(guī)范對荷載組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作用時,容許承載力可提高25%的規(guī)定一致。2.2.3基樁容重、變形和承載力CCTG62分冊中摩擦樁承載力的計算原理與我國規(guī)范一致,不同之處在于樁尖土的極限承載力和樁側(cè)土的極限摩阻力確定方法以及設(shè)計樁頂力組合和安全系數(shù)方面。對于樁尖土的極限承載力和樁側(cè)土的極限摩阻力,CCTG62分冊根據(jù)不同的地勘試驗方法、實測壓力值和土的類型按經(jīng)驗公式求得;而我國85規(guī)范則主要根據(jù)土的類型及其物理指標(biāo),憑經(jīng)驗查表選取,其中樁尖土的極限承載力是根據(jù)樁尖的埋置深度、土的類型和容重、基樁設(shè)計情況等,按經(jīng)驗公式對其容許承載力進(jìn)行修正得到;我國現(xiàn)行規(guī)范強(qiáng)調(diào)應(yīng)根據(jù)載荷試驗或其他原位測試確定。設(shè)計樁頂力方面,我國85規(guī)范和現(xiàn)行規(guī)范都是正常使用狀態(tài)下作用的標(biāo)準(zhǔn)值組合;而法國規(guī)范按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行4種作用組合,對不同的作用采用不同的組合系數(shù)。一般而言,法國規(guī)范的ELU組合力要比我國規(guī)范相應(yīng)組合力大,而ELS組合力要比我國規(guī)范相應(yīng)組合力小。安全系數(shù)方面,我國規(guī)范根據(jù)不同的作用組合分別取2或1.6;而CCTG62分冊對基樁在4種作用組合下的受壓容許承載力和受拉容許承載力分別取不同的安全系數(shù),ELU狀態(tài)取1.2～1.4,ELS狀態(tài)大致取1.7～2.2。另外,對于受壓樁的自重因素,我國85規(guī)范把樁身自重的一半作為荷載考慮,我國現(xiàn)行規(guī)范則把樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮,CCTG62分冊認(rèn)為必要時,應(yīng)將樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮。由于樁身自重的一半比樁身自重與置換土重的差值大,所以可見我國85規(guī)范對樁身自重因素考慮偏于保守。由于以上幾個方面的差異,我國規(guī)范與CCTG62分冊在樁長計算結(jié)果上往往相差較大。對于東西高速公路W5-W6標(biāo)段,按我國85規(guī)范計算的樁長普遍比按CCTG62分冊計算的長。2.2.4計算結(jié)果對比現(xiàn)以W5標(biāo)段典型地質(zhì)路段中的PK15+100橋為例,對比中、法規(guī)范樁長計算結(jié)果,見表4。對于本橋,我國85規(guī)范計算所需樁長達(dá)到了CCTG62分冊計算樁長的1.5倍以上。2.3確定樁長時,基礎(chǔ)樁的一般確定方面,對于確定基樁的一般確定點,基本項目按法國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,樁長計算應(yīng)以CCTG62分冊為主,以我國85規(guī)范作為參考?？紤]到地質(zhì)情況的不確定性,在確定樁長時,基樁的容許承載力應(yīng)有15%以上富余,以保證安全。本項目W5-W6標(biāo)段橋梁樁長確定原則為:當(dāng)我國85規(guī)范計算結(jié)果大于CCTG62分冊計算結(jié)果5m以上時,設(shè)計采用85規(guī)范計算結(jié)果;否則,設(shè)計采用CCTG62分冊計算結(jié)果再加長2～4m。3堆棧結(jié)構(gòu)的注意事項3.1等代嵌入深度b基礎(chǔ)類型不同,計算方法也不同。本項目基礎(chǔ)均按深基礎(chǔ)計算,其前提是De/B≥5。由于基礎(chǔ)持力層的承載力通常比基礎(chǔ)以上土層的承載力高,基礎(chǔ)的等代嵌入深度De通常小于其埋置深度D。本項目樁徑為1.2m,簡單地以D代替De計算,則深基礎(chǔ)的最小有效埋置深度應(yīng)不小于6m。實際設(shè)計中,本項目最短樁長取10m。3.2確定3倍樁徑為避免群樁效應(yīng)影響基樁的承載力,本項目設(shè)計規(guī)定最小樁間距一般取3倍樁徑,即3.6m。但是,本項目左右幅橋梁通?？康煤芙?部分橋梁左右幅基樁的最小間距要小于3.6m,這種情況應(yīng)計算群樁的有效系數(shù),對基樁的承載力進(jìn)行修正,以確保安全。3.3自由長度的確定當(dāng)橋梁墩臺位于V形河溝或地面陡峭處時,有時基樁至地面的水平距離較小,本項目規(guī)定有效樁長從基樁中心至地面的水平距離等于3倍樁徑處起算,以上則作為自由長度,不考慮其摩阻力(圖3)。本項目高速公路左右幅橋梁通?？康煤芙?當(dāng)?shù)孛鏅M坡較大時,設(shè)計時要充分考慮一側(cè)承臺基坑開挖對另一側(cè)基樁的影響,建議較高一側(cè)的有效樁長從樁中心至基坑開挖邊坡線的水平距離等于2.5倍樁徑處