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岩石地区桥梁工程扩大基础与桩基础对比分析

2018-09-26 11:30:34 《驾驶园》 2018年7期

王兵

摘要:随着我国交通基础建设的迅速发展与兴建,各地区桥梁建设日益增多。工程规模大、建设速度快、投资高的特点,对桥梁结构基础的设计与施工要求越来越高。桥梁结构的基础类型设计与施工方法的选择,不仅关系到工程造价的高低、工期的长短,而且还关系到施工的难易程度甚至结构物的成败,因此桥梁结构基础选型至关重要。本文针对岩石地区常用的两类基础结构型式:扩大基础和桩基础,从桥梁结构基础的受力特点、施工工序、经济性方面,对比分析了岩石地区桥梁工程扩大基础与桩基础各自的特点,为桥梁工程基础设计选型与施工提供了一定的参考依据。

【关键词】岩石地区;桥梁工程;基础

1.工程实例

1.1桥梁基本参数

某桥梁上部结构采用3x30m预应力混凝土先简支后连续箱梁,桥面半宽度为13.5m,梁高1.6m,盖梁高度1.6m,宽度1.9m,桥墩高度13.5m,直径1.6m。桥梁基础结构型式选用扩大基础和桩基础进行对比分析。

其中,扩大基础尺寸:襟边宽度1.0m,分两层,基础底面横桥向长度12.5m,顺桥向长度5.6m。

1.2工程地质资料工程地质自上而下如下:

①层杂填土:灰褐色为主,松散,稍湿,粘性土为主,夹少量碎石、碎砖块。层底标高4.12m。

②层粉质黏土:灰黄色夹灰白色,可塑,含石英砾石,层底标高3.35m。承载力基本容许值[fa0]=210kPa,qik=80kPa;

③层中风化片麻岩:青灰色,鳞片粒状变晶构造,片麻状构造岩石结构完整,[fa0]=1000kPa,qik=300kPa。岩石的饱和单轴抗压强度frk标准值为26.12MPa,岩体质量等级Ⅳ级,属于较软岩,局部为坚硬岩。

实例中岩石埋深较浅,桥墩处原地面标高4.920,岩石埋深1.57m。桩顶或扩大基础顶面标高4.42m,桩底标高-5.58m,桩基嵌入③层中5D(D为桩基直径),扩大基础底面标高2.42m,持力层位于③层中风化片麻岩。

2.受力特点分析对比

扩大基础或称明挖扩大基础,属于浅基础,承受墩柱传来的上部结构荷载,并通过底板直接传递给地基基础。桥梁结构上部结构传来的荷载往往较大,在扩大基础截面突变位置,容易产生比较大的弯曲拉应力和剪应力,因此一般采用柔性扩大基础,即在基础内配置足够的钢筋,防止基础在薄弱处产生裂缝或者断裂。柔性扩大基础实际受力是承受弯矩和剪力的共同作用,在外荷载作用下,基础可能产生以下破坏形式:弯曲破坏:当地基反力产生的弯曲应力超过基础的抗弯强度时,则发生此类破坏。冲切破坏:在上部荷载与地基反力作用下,基础发生从柱边沿45°角到基础底部的穿透冲切角椎体破坏,其破坏机理就是破坏面上的主拉应力超过了该截面的抗拉强度。

剪切破坏:基础反力在柱子或基础变截面处的竖向界面产生较大的剪力,则发生此类破坏。通常岩石地基具有较高的承载力和抵抗变形的能力,岩石地基上扩大基础所需要的底面积较小,抗冲切能力能满足规范要求,而基础高度主要由抗剪切承载力控制。桩基础属于深基础,将桩顶传来的荷载传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。岩石地区的桩基一般为嵌岩桩,即桩端嵌入岩体的桩。

嵌岩桩由于基岩强度高,压缩性极小,桩可提供很高的承载力,同时嵌岩桩沉降也很小,因而在桥梁工程中得以广泛运用。在工程实践过程中,有些设计者认为嵌岩桩均为端承桩,只具有端阻力,不考虑土层侧阻力,这种计算模式与许多工程實际不符。其实对于不同工程地质条件,桩的几何尺寸及成桩工艺,嵌岩桩表现出不同的承载性状。对于桩端为基岩,桩周土不太弱的情况且长径比L/D>35的嵌岩桩,桩侧阻力是不容忽视的,这一点已被大量现场试验结果所证明。

扩大基础比桩基与土体的接触面积更大,所以单位面积对土体的作用力较小,能承受较大荷载,对土层强度要求低,稳定性好、埋深较浅,施工简便,因此在埋深较浅的岩石地区,优先选用扩大基础。而在岩石埋深较深的地段,尤其是当上部覆盖软弱土层时,通常需要对地基进行加固处理才能达到承载力、沉降等要求,相反采用嵌岩桩会取得良好的效果。

3.施工工序对比

岩石地区扩大基础通常情况下采用机械开挖,人工配合方案,一般施工工序为:测量定位→基坑开挖→基底检查处理报验→安装模板→绑扎钢筋→基础混凝土浇筑→脱模养生。基坑开挖过程中容易出现基坑坑壁坍塌、基础滑移或倾斜等事故。

常用的嵌岩桩成孔方法有:冲孔法、回旋钻法、旋挖钻法、潜孔锤法。一般施工工序为:测量定位→护筒设置→钻机就位→钻孔→清孔→钢筋笼制作及吊装→下导管→二次清孔→灌注混凝土→成桩。桩基础施工过程中容易产生孔壁坍塌、斜孔、卡锤、沉渣过厚、灌注混凝土时钢筋笼上浮等问题。相比扩大基础施工,桩基础施工工序多,产生质量、安全问题的因素复杂。

本实例中,岩石属于中风化片麻岩,由于岩状多为倾斜,桩基础施工过程中,经常出现斜孔、卡锤等现象,因此采用桩基施工难度大,耗时长,桩基成孔时间通常需要15~20d;选用扩大基础基坑开挖通常需要4~6d,不仅能充分发挥地基的承载能力,而且减少了时间成本,带来了极大便利。

4.经济性对比

根据实例中基础的尺寸参数、工程地质,进行结构验算和配筋计算后,对比扩大基础与桩基础的经济指标。

根据《公路工程预算定额》(JTG/T B06-02-2007),结合扩大基础与桩基础的土石方量、混凝土用量、钢筋用量等情况,对比分析两种基础的经济性。其中,扩大基础C30混凝土用量为115.3m3,钢筋用量3.8t;桩基础(2根)C30混凝土用62.8m3,钢筋用量5.0t。

通过表1的对比可知,在浅层岩石地区,扩大基础比桩基础更为经济,前者相比后者费用节省7012元左右,因此在此类情况下,优选采用扩大基础。

5.结束语

通过对比岩石地区桥梁扩大基础与桩基础的受力特点、施工工序和要点,以及经济性,得出在浅层岩石地区,扩大基础相比桩基础更合理,基础埋深浅、稳定性好、施工工序简便、经济性较好、周期短的特点。当岩石上部覆盖较厚的土层时,桩基础相比扩大基础更佳,桩端直接嵌入岩石层,稳定性高、沉降小,并且具有较高的承载能力。

【参考文献】

[1]桥梁群桩基础抗震简化计算模型的适用性研究[J]. 张永亮,王培山,陈兴冲. 铁道学报. 2015(02)

[2]浅析桥梁抗震设计的重要性[J]. 刘志强. 城市建筑. 2014(02)