[12-11 16:59:19] 来源：http://www.tmgc8.com 桥梁工程 阅读：3495次
摘要：
岩溶地区某些地区地质情况特殊：上部岩层结构致密，单轴饱和抗压承载力高;下部岩层裂隙发育,单轴饱和抗压承载力低，为充分利用该地质条件，提出了桩基础变截面的设计思想.经过在EXECL中循环计算得出桩径优化选择，对照原设计，在经济上可作出了评价。
关键词: 变截面桩 岩溶地区
前言
目前,在桥梁基础工程中或大跨度建筑基础工程中,采用大直径桩基础,选择持力层为较高的中、微化岩层中，容易满足设计要求，但在岩溶地区，由于岩溶发育的不确定性，选择比较合理的持力层比较困难,在追求高安全系数的基础上,常采用穿透溶洞和岩芯较破碎的地带,这在一定程度上部分放弃了对经济性要求的考虑.变截面桩在一定范围内对该类问题做出了解答,本文根据全州某桥梁工程地质勘查的特殊情况（见钻孔柱状图1），将桩基础上部的直径加大，下部的直径减少。经过结构计算，对该桥梁基础做出桩径的优化选择。
1.工程地质特点
某桥梁位于全州境内,该桥梁的原设计桩基础嵌入中、微风化完整基岩1.5米，桩底以下要求完整基岩3.5米，地震等级七级，原设计采用桩径1.2米，桩长23米。地基基础有关数据:端承桩砼Ｃ20,fｃ=10ＭＰa; M=20ＭＮ/ｍ4,桩顶荷载:单桩竖向荷载2000ｋＮ,弯矩100ｋＮ·ｍ,水平力100ｋＮ;边界条件:桩端为固定端。由表1可知，该地层上部基岩结构致密，承载力高，下部岩芯破碎，承载力低。选择变截面的型式，在桥梁基础中水平荷载对桩影响很大，故加大了该深度范围内的桩得直径。同时减少该深度范围以下桩基础的直径。既保证了结构计算的各项指标达到设计要求，又使得工程费用降低。
2.变截面桩结构设计
在工程设计中,常将横向荷载和竖向荷载作用分开计算,分别设立参数和建立方程计算，并最后通过半径的循环计算得出桩基础桩径的优化选择。
2.1．横向荷载作用下的桩挠曲微分方程
如 图 2 ， 在横向荷载作用下, 建立桩的挠曲微分方程： 考虑单元体的平衡有:(s-ds)-s-p(z,x)dz+q(z,y)dz=0，以及挠度与微分的方程式，则可改写成。其中q(z,x),p(z,x)为单位桩长的荷载强度，对于一般的桩结构物，综合考虑桩的残余水压力和桩背土压力,可取q(z,x)=0，p(z,x)与地基土水平反力系数,桩的计算宽度有关，令p(z,x)=kb1x，其中 k为地基土水平反力系数，b1 为桩的计算宽度，根据地基基础规范要求,在砂卵石土层中,地基水平反力系数采用m法取值,即k=mx，m取14~35MN/cm4 [1],则挠曲微分方程可表示为：
其中α为桩的水平变异系数.,单位1/m， 1 m b， 根据地质资料,分两层考虑分别计算,根据幂级数求解微分方程，可得出桩的水平位移、转角、弯矩、剪力，用方程表示如下：
根据方程的特点，桩身的各内力值与桩的半径密切相关，方程中的各系数可以根据参考文（2）中查出，据此得到桩基础在横向荷载作用下的各内力值。
2．2．竖向荷载作用下桩单桩轴向容许承载力的确定
由于变截面桩得受力比较复杂，现今也没有相关规范明确提出该基础类型单桩轴向容许承载力的计算公式，《公路桥梁地基基础设计规范》(JTJ024-85)中规定嵌岩桩单桩轴向容许承载力计算式中未考虑基岩上覆土层与桩的摩阻作用也就没考虑桩铅岩部分的侧阻力。赵明华[2]等人提出嵌岩桩在嵌岩深度内也有侧摩阻力，李莲秀【3】提出：在工程实际中大多数嵌岩桩与上覆土层的相对滑移是客观存在的。首先混凝土桩的弹性压缩是绝对存在的;其次是源于桩底的沉陷。本文给出如下的公式，在考虑以上因素的同时，也考虑了变截面处的端阻力（如图3）：
式中：skQ－单桩桩周土总极限侧阻力rkQ－单桩总极限端阻力,含变截面处端阻力pkQ－桩身总极限端阻力1μ、2μ－桩身上段、下段的周长siζ－覆盖层第i层土的侧阻力发挥系数sikq－桩侧第i层土极限侧阻力标准值iL－桩身进入第i层土厚度 1ζ,2ζ－变截面处土层侧阻力和端阻力发挥系数－变截面处土层侧阻力和端阻力发挥系数 h桩身嵌岩深度rsζ ， pζ－嵌岩变截面处土层侧阻力和端阻力修正值, 桩上段和下段底面积 1A2Arcf－岩石饱和单轴抗压强度标准值 scf－变截面处岩层饱和单轴抗压强度标准值ukskrkpkQQQQ=++skqZHRdzN00M0xq卵石层灰岩图3 桩体嵌入地层分布图2．3桩径的优化由以上可知，桩身的内力情况和桩径有密切关系，选择不同的桩径，其内力也发生明显的变化，故分别对桩径为0.8、0.9一直到2.5米这十八种不同的桩径在EXCEL中进行循环计算，得出不同的值，并根据计算成果进行分析评价，得出桩径的最佳值。www.tmgc8.com
3.结构计算
桩的截面计算宽度为其中kf为桩的形状系数，方形桩取1.0，圆形桩取0.9，d为桩的半径。C20标号钢筋混凝土Eh 为2.65×107N/m2， 截面惯性矩：钢筋混凝土桩EI=0.8EcI ， EC混凝土的弹性模量，I0为桩身换算截面惯性矩。0b*b*b*b32IΠ?=由于桩上部土层为较密实卵石层，按m法计算地基水平抗力系数，由基础地质资料可知：上层为卵石层，下层为灰岩。其地基反力系数不同。分别取 1×107 [1]，分别利用横向荷载作用下求出桩的各内力参数。在excel中分别以桩径0.8米，0.9米，一直到2.5米进行循环计算，其中（1）、（2）、（3）、（4）方程中的系数可分析计算成果可得出以下几个结论：
1、在横向荷载单独作用下，嵌岩变截面桩桩径改变对桩弯矩改变不大，且最大弯矩总出现在桩深度的一定位置内。本例题中最大弯矩的深度范围在距离桩顶0.7米到1.5米之间。且随着桩径的加大，最大弯矩的位置有向桩身下段转移的趋势，随着桩径的加大，桩的刚度也加大，最大弯矩值有增加的趋势。
2、在横向荷载单独作用下，嵌岩变截面桩桩径改变对桩水平位移改变不大，且最大位移值出现在桩顶位置处。
3、在横向荷载单独作用下，嵌岩变截面桩桩径改变对桩水平剪改变不大，且最大剪力值出现跟受到的初始水平力密切相关。
4、在横向荷载单独作用下，嵌岩变截面桩在嵌入一定深度以下其弯矩值，位移值，转角值趋近于0，本算例中在达到5米的深度时，以上三个值趋近于0。
上面的成果对在竖向荷载作用下的桩径选取有很大的参考意义和经济效益评价性。
在竖向荷载作用下，桩体变截面处嵌入基岩0.5米，兼顾横向荷载作用和用上层承载力高的岩层特性，在上部加大桩径。加大上部桩的桩径有三个优点：1、更好的承受上部横向荷载作用；2、增大桩的侧摩阻力；3、利用了上层岩层的优良特性，增大了端阻，避免了岩溶地区溶洞发育的情况下，单方面增加桩长的不经济设计方法。钻孔桩直径设计不80cm[4]。根据地质资料。桩体穿过溶洞嵌入基岩1.5米的深度。故下段桩的桩长为7.7米，上段桩长为5.4米。计算在竖向荷载作用下，同样在excel中计算可得出如下结论如表5：
从表格中可以看出，桩径的增加对侧摩阻、端阻的增加是很明显的，从以上的横向和竖向荷载的作用的分析比较，综合考虑施工工艺，上部桩径的选择1.5米时比较合适的。
与原设计相对比，变截面桩设计的方法可得出单桩的节约混凝土体积约为37%。
四、结论
参考文献[5]介绍一足尺原位嵌岩变截面桩载荷试验：变截面上段桩径为Φ1150mm,长9m,位于密实卵石层内;变截面下段桩径Φ800,长约25m,桩侧为粘质粉土及泥炭,下段嵌入强、中风化辉绿岩层中(约4m深),总长约为40m。桩底为微风化辉绿岩,另在上下交界处将上部桩径扩大到Φ1900mm,上段为挖孔桩,下段为钻孔桩。测出变截面以上各阻力共占总荷载65%,嵌岩段侧阻力占总荷载的17%。这与本论文得到的数据基本上是吻合的。综合以上的分析，得出以下成果：
1、在岩溶地区，岩溶发育，地质条件复杂；部分地区上部岩层结构致密，承载力高，下部岩层裂隙发育，风化较严重，承载力不高，按传统的端承桩的设计思想选择较好的持力层比较困难。
2、在实际工程中，变截面桩在粘性土中应用的比较多，而在岩溶地区，由于地质情况复杂，一般的设计理念是将桩的持力层选择在完整的基岩上，一般采用加长桩的方法。
3、嵌岩变截面桩的单桩垂直极限轴承载力计算比较复杂，本文参照一些参考文献，提出了比较合适的计算公式，并与实际工程进行了论证评价。
4、本文考虑在竖向、横向荷载单独作用下桩的受力情况的结构计算，在excel中利用桩径循环计算，得出不同的桩径与桩的内力参数的关系图表，综合这些关系图象，得出变截面桩桩径的优化选择。
5、与原设计相比，变截面桩设计的方法可得出单桩的节约混凝土体积约为37%。
