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。本項目設計主要采用法國標準。橋梁樁長按中、法兩國規(guī)范分別計算,經分析比較后合理確定。橋梁基礎設計規(guī)范主要采用CCTG62分冊。CCTG62分冊是法國公共工程一般技術條款手冊,內容包括深基礎、半深基礎和淺基礎的承載力計算方法及規(guī)定,其中深基礎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。根據法國勘察設計習慣,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分冊根據結構物基礎的等代嵌入深度De與寬度B的比值,將基礎劃分為淺基礎、深基礎和半深基礎3種類型,劃分標準見表1。等代嵌入深度De是常規(guī)的計算參數,與基礎在土層中的埋置深度D是兩個不同的概念,需要根據基礎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)是基礎底部一定深度范圍內土的平均凈極限承載力。對于深基礎:Ple=1b+3a∫D+3aD?bPl(z)?dz(2)Ρle=1b+3a∫D-bD+3aΡl(z)?dz(2)式中:b為基礎深度參數,b=min(a,h),h為基礎在承重土層中的長度;a為基礎寬度參數,如果基礎寬度B≥1m,則a=0.5B;否則,a=0.5m。對于淺基礎,Ple為基礎底面以下1.5B深度范圍內土的實測極限壓力Pl的幾何平均值。1.2樁側土的極限摩阻力深基礎構件的受壓極限荷載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總摩阻力。根據CCTG62分冊,深基礎構件的受壓屈服荷載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,根據所采用的試驗類型按相應的公式計算。對于旁壓試驗,深基礎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,根據樁底土的類型和基樁的施工方法確定,見表2。深基礎樁側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處樁側土的極限摩阻力。樁側土的極限側摩阻力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,可由CCTG62分冊中不同的地勘方法所對應的公式或圖表求得。值得注意的是,為避免出現塌孔,砂土、礫石土中不能采用簡單鉆孔施工,故CCTG62分冊中沒有相應的樁側土的極限摩阻力計算公式和圖表。對于群樁基礎,要考慮由于基樁間相互影響而引起承載力降低的效應。CCTG62分冊規(guī)定,當深基礎構件間的凈距大于等于2倍基礎截面的寬度和長度時(圖2),可不考慮基礎之間的相互影響;否則,應計算群樁的有效系數,對基樁的極限承載力進行修正。1.3土的分類及確定CCTG62分冊建議根據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,具體劃分標準見表2。該表中的分類不是唯一標準,在復雜的情況下,建議由專家決定把一種土具體分為哪一類。深基礎土的承載力系數由土的類型和基礎施工是否需要壓縮土壤來確定。通常情況下,基礎施工不需要壓縮土壤,承載力系數kp按表2取值。2稱重設計2.1法國樁長計算方法2.1.1elu發(fā)現組合根據法國規(guī)范,結構物需要進行承載能力極限狀態(tài)(ELU)和正常使用極限狀態(tài)(ELS)設計,設計樁頂力有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;Qi、ψ0i為其他可變作用力及其組合系數。(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。(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的組合系數不同。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種組合分別進行,當基樁的受壓容許承載力都大于相應組合的最大樁頂力,且受拉容許承載力都小于相應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,計算結果是偏短的。嚴格地說,應當把樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮。尤其是當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,以免樁長設計不足。另外,對于承受拉力的基樁,應將基樁自重(或浮重)與設計樁頂拉力進行組合,以免由樁頂拉力控制而設計過長的基樁。2.2在中國的不同桿計算方法中為確保安全,在橋涵設計中,同時按我國規(guī)范進行全面計算和分析比較。2.2.1基樁受拉容許承載力根據我國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{[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;γ2為樁尖以上土的容重;λ、m0分別為修正系數和清底系數;U、h分別為基樁的周長和有效長度。公式(13)中括號內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,安全系數取2;當荷載組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作用時,容許承載力可提高25%,即安全系數可減小為1.6。我國85規(guī)范(JTJ024-85)規(guī)定當荷載組合Ⅰ作用時,樁頂不容許出現拉力。當荷載組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ作用時,考慮安全系數為2,摩擦樁受拉容許承載力[P1]按下式計算:[P1]=0.3Uhτp(15)當基樁受拉時,樁身自重(或浮重)全部作為外力考慮;當基樁受壓時,在局部沖刷線以下,樁身自重(或浮重)的一半作為外力考慮。當基樁容許承載力大于樁頂設計反力時,樁長滿足設計要求。2.2.2短期效應組合我國現行規(guī)范(JTGD63-2007)引入了公路橋涵設計的極限狀態(tài)原則,根據地基的變形性質,明確將地基設計定位于正常使用極限狀態(tài)?；鶚冻休d力計算時,相應作用采用正常使用極限狀態(tài)短期效應標準值組合?，F行規(guī)范中的摩擦樁承載力計算方法及安全系數與85規(guī)范基本相同。當基樁承受壓力時,現行規(guī)范規(guī)定樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮?，F行規(guī)范規(guī)定摩擦樁的受壓容許承載力,應根據樁的受荷階段及受荷情況乘以規(guī)定的抗力系數。對于結構自重、預加力、土重、土側壓力和汽車、人群的短期效應組合,抗力系數取1.0;對于永久作用與可變作用的短期效應組合以及作用效應的偶然組合,抗力系數取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土的極限摩阻力確定方法以及設計樁頂力組合和安全系數方面。對于樁尖土的極限承載力和樁側土的極限摩阻力,CCTG62分冊根據不同的地勘試驗方法、實測壓力值和土的類型按經驗公式求得;而我國85規(guī)范則主要根據土的類型及其物理指標,憑經驗查表選取,其中樁尖土的極限承載力是根據樁尖的埋置深度、土的類型和容重、基樁設計情況等,按經驗公式對其容許承載力進行修正得到;我國現行規(guī)范強調應根據載荷試驗或其他原位測試確定。設計樁頂力方面,我國85規(guī)范和現行規(guī)范都是正常使用狀態(tài)下作用的標準值組合;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)進行4種作用組合,對不同的作用采用不同的組合系數。一般而言,法國規(guī)范的ELU組合力要比我國規(guī)范相應組合力大,而ELS組合力要比我國規(guī)范相應組合力小。安全系數方面,我國規(guī)范根據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,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分冊認為必要時,應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分冊在樁長計算結果上往往相差較大。對于東西高速公路W5-W6標段,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計算結果對比現以W5標段典型地質路段中的PK15+100橋為例,對比中、法規(guī)范樁長計算結果,見表4。對于本橋,我國85規(guī)范計算所需樁長達到了CCTG62分冊計算樁長的1.5倍以上。2.3確定樁長時,基礎樁的一般確定方面,對于確定基樁的一般確定點,基本項目按法國標準設計,樁長計算應以CCTG62分冊為主,以我國85規(guī)范作為參考?？紤]到地質情況的不確定性,在確定樁長時,基樁的容許承載力應有15%以上富余,以保證安全。本項目W5-W6標段橋梁樁長確定原則為:當我國85規(guī)范計算結果大于CCTG62分冊計算結果5m以上時,設計采用85規(guī)范計算結果;否則,設計采用CCTG62分冊計算結果再加長2～4m。3堆棧結構的注意事項3.1等代嵌入深度b基礎類型不同,計算方法也不同。本項目基礎均按深基礎計算,其前提是De/B≥5。由于基礎持力層的承載力通常比基礎以上土層的承載力高,基礎的等代嵌入深度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,則深基礎的最小有效埋置深度應不小于6m。實際設計中,本項目最短樁長取10m。3.2確定3倍樁徑為避免群樁效應影響基樁的承載力,本項目設計規(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,這種情況應計算群樁的有效系數,對基樁的承載力進行修正,以確保安全。3.3自由長度的確定當橋梁墩臺位于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?當地面橫坡較大時,設計時要充分考慮一側承臺基坑開挖對另一側基樁的影響,建議較高一側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