基于法国规范的摩擦桩长度计算方法

基于法国规范的摩擦桩长度计算方法

阿富汗东西高速公路是连接亚洲和西方的重要战略通道。本项目设计主要采用法国标准。桥梁桩长按中、法两国规范分别计算,经分析比较后合理确定。桥梁基础设计规范主要采用CCTG62分册。CCTG62分册是法国公共工程一般技术条款手册,内容包括深基础、半深基础和浅基础的承载力计算方法及规定,其中深基础的计算仅适用于摩擦桩。CCTG62分册仅介绍了旁压和静力触探两种地勘方法的计算规则。根据法国勘察设计习惯,本项目基桩承载力计算主要采用旁压试验成果。1基于侧压试验的深基本载荷计算1.1土的等代净极限压力和极限承载力CCTG62分册根据结构物基础的等代嵌入深度De与宽度B的比值,将基础划分为浅基础、深基础和半深基础3种类型,划分标准见表1。等代嵌入深度De是常规的计算参数,与基础在土层中的埋置深度D是两个不同的概念,需要根据基础的埋置深度和土的承载力计算。对于旁压试验,等代嵌入深度De按下式计算:De=1Ple∫DdPl(z)⋅dz(1)De=1Ρle∫dDΡl(z)⋅dz(1)式中:Ple为基础底部土的等代净极限压力;D为计算的起始深度,通常为0,除非在表层有力学特性非常差的地层,否则在计算嵌入深度时不予考虑;Pl(z)为深度z处实测的极限压力。等代净极限压力Ple(图1)是基础底部一定深度范围内土的平均净极限承载力。对于深基础:Ple=1b+3a∫D+3aD−bPl(z)⋅dz(2)Ρle=1b+3a∫D-bD+3aΡl(z)⋅dz(2)式中:b为基础深度参数,b=min(a,h),h为基础在承重土层中的长度;a为基础宽度参数,如果基础宽度B≥1m,则a=0.5B;否则,a=0.5m。对于浅基础,Ple为基础底面以下1.5B深度范围内土的实测极限压力Pl的几何平均值。1.2桩侧土的极限摩阻力深基础构件的受压极限荷载Qu和受拉极限荷载Qtu按下式计算:Qu=Qpu+Qsu(3)Qtu=Qsu(4)式中:Qpu和Qsu分别表示桩端总支承力和桩侧总摩阻力。根据CCTG62分册,深基础构件的受压屈服荷载Qc和受拉屈服荷载Qtc按下式计算:Qc=0.5Qpu+0.7Qsu(5)Qtc=0.7Qsu(6)基桩端部的总支承力按下式计算:Qpu=A·qu(7)式中:A为基桩底截面积;qu为基桩底部土层的极限承载力,根据所采用的试验类型按相应的公式计算。对于旁压试验,深基础底部土层的极限承载力qu按下式计算:qu=kp·Ple(8)式中:kp为土的承载力系数,根据桩底土的类型和基桩的施工方法确定,见表2。深基础桩侧土的总摩阻力按下式计算:Qsu=p·∫D00Dqs(z)·dz(9)式中:p为基桩周长;qs(z)为深度z处桩侧土的极限摩阻力。桩侧土的极限侧摩阻力qs与该处土的实测极限压力Pl(z)、土的类型以及基桩材料类型、施工方法等有关,可由CCTG62分册中不同的地勘方法所对应的公式或图表求得。值得注意的是,为避免出现塌孔,砂土、砾石土中不能采用简单钻孔施工,故CCTG62分册中没有相应的桩侧土的极限摩阻力计算公式和图表。对于群桩基础,要考虑由于基桩间相互影响而引起承载力降低的效应。CCTG62分册规定,当深基础构件间的净距大于等于2倍基础截面的宽度和长度时(图2),可不考虑基础之间的相互影响;否则,应计算群桩的有效系数,对基桩的极限承载力进行修正。1.3土的分类及确定CCTG62分册建议根据旁压试验实测极限压力Pl或静力触探试验实测极限压力qc,将常规土分成不同种类,具体划分标准见表2。该表中的分类不是唯一标准,在复杂的情况下,建议由专家决定把一种土具体分为哪一类。深基础土的承载力系数由土的类型和基础施工是否需要压缩土壤来确定。通常情况下,基础施工不需要压缩土壤,承载力系数kp按表2取值。2称重设计2.1法国桩长计算方法2.1.1elu发现组合根据法国规范,结构物需要进行承载能力极限状态(ELU)和正常使用极限状态(ELS)设计,设计桩顶力有4种组合类型:ELU基本组合、ELU偶然组合、ELS几乎永久组合、ELS少见组合。(1)ELU基本组合的桩顶力(F)计算如下:F=1.35Gmax+Gmin+γQ1Q1+∑1.3ψ0iQi(10)式中:Gmax为全部不利的长期作用力;Gmin为全部有利的长期作用力;Q1、γQ1为基本可变作用力及其组合系数;Qi、ψ0i为其他可变作用力及其组合系数。(2)ELU偶然组合主要考虑地震偶然作用,桩顶力按下式计算:F=Gmax+Gmin+FA+ω11Q1+∑ω2iQi(11)式中:FA为意外作用力;ω11、ω2i为基本可变作用和其他可变作用的组合系数。(3)ELS几乎永久组合和少见组合的桩顶力计算如下:F=Gmax+Gmin+Q1+ψ0iQi(12)(4)ELS几乎永久组合和少见组合的区别在于其他可变作用的种类和相应的组合系数不同。2.1.2基本桩超载对于不同的组合类型,基桩容许承载力的安全系数取用不同。CCTG62分册中规定了不同组合类型时基桩的容许承载力,见表3。2.1.3geof东南角软件模型桩长计算时,要按4种组合分别进行,当基桩的受压容许承载力都大于相应组合的最大桩顶力,且受拉容许承载力都小于相应组合的最小桩顶力时,桩长方满足要求。本项目采用法国的GEOFOND2006软件计算桩长,该软件适用于CCTG62分册和DTU13.2中介绍的各种基础类型和地勘试验方法。值得注意的是,GEOFOND2006软件未能自动考虑基桩自重因素,计算结果是偏短的。严格地说,应当把桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑。尤其是当基桩顶部自由长度较大时,必须把自由段的桩重作为荷载考虑,以免桩长设计不足。另外,对于承受拉力的基桩,应将基桩自重(或浮重)与设计桩顶拉力进行组合,以免由桩顶拉力控制而设计过长的基桩。2.2在中国的不同杆计算方法中为确保安全,在桥涵设计中,同时按我国规范进行全面计算和分析比较。2.2.1基桩受拉容许承载力根据我国85规范(JTJ024-85),钻孔灌注摩擦桩的受压容许承载力[P]按下式计算:[P]=(Uhτp+AσR)/2(13)式中:τp为桩侧土的平均极限摩阻力;σR为桩尖土的极限承载力,按下式计算。σR=2m0λ{[σ0]+k2γ2(D-3)}(14)式中:[σ0]为桩尖土的容许承载力;k2为地面土容许承载力随深度的修正系数;γ2为桩尖以上土的容重;λ、m0分别为修正系数和清底系数;U、h分别为基桩的周长和有效长度。公式(13)中括号内第一项为桩身的总摩阻力,第二项为桩尖的总支承力。荷载组合Ⅰ作用时,安全系数取2;当荷载组合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作用时,容许承载力可提高25%,即安全系数可减小为1.6。我国85规范(JTJ024-85)规定当荷载组合Ⅰ作用时,桩顶不容许出现拉力。当荷载组合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ作用时,考虑安全系数为2,摩擦桩受拉容许承载力[P1]按下式计算:[P1]=0.3Uhτp(15)当基桩受拉时,桩身自重(或浮重)全部作为外力考虑;当基桩受压时,在局部冲刷线以下,桩身自重(或浮重)的一半作为外力考虑。当基桩容许承载力大于桩顶设计反力时,桩长满足设计要求。2.2.2短期效应组合我国现行规范(JTGD63-2007)引入了公路桥涵设计的极限状态原则,根据地基的变形性质,明确将地基设计定位于正常使用极限状态。基桩承载力计算时,相应作用采用正常使用极限状态短期效应标准值组合。现行规范中的摩擦桩承载力计算方法及安全系数与85规范基本相同。当基桩承受压力时,现行规范规定桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑。现行规范规定摩擦桩的受压容许承载力,应根据桩的受荷阶段及受荷情况乘以规定的抗力系数。对于结构自重、预加力、土重、土侧压力和汽车、人群的短期效应组合,抗力系数取1.0;对于永久作用与可变作用的短期效应组合以及作用效应的偶然组合,抗力系数取1.25,这与85规范对荷载组合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ作用时,容许承载力可提高25%的规定一致。2.2.3基桩容重、变形和承载力CCTG62分册中摩擦桩承载力的计算原理与我国规范一致,不同之处在于桩尖土的极限承载力和桩侧土的极限摩阻力确定方法以及设计桩顶力组合和安全系数方面。对于桩尖土的极限承载力和桩侧土的极限摩阻力,CCTG62分册根据不同的地勘试验方法、实测压力值和土的类型按经验公式求得;而我国85规范则主要根据土的类型及其物理指标,凭经验查表选取,其中桩尖土的极限承载力是根据桩尖的埋置深度、土的类型和容重、基桩设计情况等,按经验公式对其容许承载力进行修正得到;我国现行规范强调应根据载荷试验或其他原位测试确定。设计桩顶力方面,我国85规范和现行规范都是正常使用状态下作用的标准值组合;而法国规范按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行4种作用组合,对不同的作用采用不同的组合系数。一般而言,法国规范的ELU组合力要比我国规范相应组合力大,而ELS组合力要比我国规范相应组合力小。安全系数方面,我国规范根据不同的作用组合分别取2或1.6;而CCTG62分册对基桩在4种作用组合下的受压容许承载力和受拉容许承载力分别取不同的安全系数,ELU状态取1.2～1.4,ELS状态大致取1.7～2.2。另外,对于受压桩的自重因素,我国85规范把桩身自重的一半作为荷载考虑,我国现行规范则把桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑,CCTG62分册认为必要时,应将桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑。由于桩身自重的一半比桩身自重与置换土重的差值大,所以可见我国85规范对桩身自重因素考虑偏于保守。由于以上几个方面的差异,我国规范与CCTG62分册在桩长计算结果上往往相差较大。对于东西高速公路W5-W6标段,按我国85规范计算的桩长普遍比按CCTG62分册计算的长。2.2.4计算结果对比现以W5标段典型地质路段中的PK15+100桥为例,对比中、法规范桩长计算结果,见表4。对于本桥,我国85规范计算所需桩长达到了CCTG62分册计算桩长的1.5倍以上。2.3确定桩长时,基础桩的一般确定方面,对于确定基桩的一般确定点,基本项目按法国标准设计,桩长计算应以CCTG62分册为主,以我国85规范作为参考。考虑到地质情况的不确定性,在确定桩长时,基桩的容许承载力应有15%以上富余,以保证安全。本项目W5-W6标段桥梁桩长确定原则为:当我国85规范计算结果大于CCTG62分册计算结果5m以上时,设计采用85规范计算结果;否则,设计采用CCTG62分册计算结果再加长2～4m。3堆栈结构的注意事项3.1等代嵌入深度b基础类型不同,计算方法也不同。本项目基础均按深基础计算,其前提是De/B≥5。由于基础持力层的承载力通常比基础以上土层的承载力高,基础的等代嵌入深度De通常小于其埋置深度D。本项目桩径为1.2m,简单地以D代替De计算,则深基础的最小有效埋置深度应不小于6m。实际设计中,本项目最短桩长取10m。3.2确定3倍桩径为避免群桩效应影响基桩的承载力,本项目设计规定最小桩间距一般取3倍桩径,即3.6m。但是,本项目左右幅桥梁通常靠得很近,部分桥梁左右幅基桩的最小间距要小于3.6m,这种情况应计算群桩的有效系数,对基桩的承载力进行修正,以确保安全。3.3自由长度的确定当桥梁墩台位于V形河沟或地面陡峭处时,有时基桩至地面的水平距离较小,本项目规定有效桩长从基桩中心至地面的水平距离等于3倍桩径处起算,以上则作为自由长度,不考虑其摩阻力(图3)。本项目高速公路左右幅桥梁通常靠得很近,当地面横坡较大时,设计时要充分考虑一侧承台基坑开挖对另一侧基桩的影响,建议较高一侧的有效桩长从桩中心至基坑开挖边坡线的水平距离等于2.5倍桩径处