《水工建筑物抗冰冻设计规范》桩基设计问题探讨

滕 凯

（齐齐哈尔市水务局，黑龙江 齐齐哈尔161006）

桩基是桥梁和渡槽工程中普遍采用的基础工程之一，因此，在季节性冻土区其遭受的冻害破坏也比较严重。GBT50662-2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》[1]（以下简称《规范》）是在认真总结水利部1998年颁布实施的SL211-98《水工建筑物抗冰冻设计规范》[2]以来取得成功经验的基础上提出的，该《规范》的颁布实施，为季节性冻土区水工建筑物的冰冻害防治及抗冻技术的进一步推广起到了至关重要的作用。

根据对《规范》中有关桩基设计规定的研究，结合多年从事抗冻桩基工程设计的工作经验，笔者认为，《规范》中有关桩基设计的提法存在片面性，作为指导抗冰冻工程设计的规范性文件，尚有进一步补充和完善的必要性。

1 关于“应进行抗冻拔稳定和强度验算”的冻胀级别范围划定问题

《规范》第12.1.1 条规定，“严寒地区桥梁和渡槽的桩、墩基础，当土的冻胀级别属Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级时，应进行抗冻拔稳定和强度验算”。这一范围限定的理由是“在寒冷地区土的冻胀级别属Ⅰ，Ⅱ级时，一般桥梁和渡槽桩基的抗冻拔力均大于冻拔力”（见《规范》“条文说明”）。按照这一条规定，位于Ⅱ级冻胀区的桩基可不进行抗冻拔稳定和强度验算。而实际抗冻桩基工程的设计计算证明，桩基抗冻拔是否稳定，强度是否需要复核，土的冻胀级别（切向冻胀力大小）是主要因素，但并非决定因素，因为上部荷载的组合、桩基直径的大小、地基土层的分布及设计冻深的大小等都是影响桩基工程抗冻拔稳定及强度的重要因素。下面通过工程设计实例说明Ⅱ级冻胀土中的桩基也应进行抗冻拔稳定和强度验算的必要性。

表1为设计桩基的4 种地质条件，依据工程所在位置情况，利用《规范》式（B.0.1-1）～（B.0.1-3）及（C.0.2-3）可分别求得1，2 号基土的设计冻深Zd分别为2.06 和2.14 m（实际计算均取2.0 m）；冻胀量h 分别为4.95 和4.56 cm；由《规范》表3.0.9 可知，两种土均属Ⅱ级冻胀土，利用《规范》表4.0.3-1 通过内插法可分别求得其切向冻胀力Tt分别为39.67 和37.07 kPa。

以某灌区的渡槽工程为例，已知该渡槽槽身为钢结构，基础采用钻孔灌注桩，设计荷载情况见表2。现取1，2 号基土条件按以下情况进行分析及比较。

1）桩基直径及基土条件相同，取不同上部荷载组合情况下的抗冻拔稳定验算。

2）上部荷载组合及基土条件相同，取不同桩基直径情况下的抗冻拔稳定验算。

3）上部荷载组合、桩基直径及基土条件相同，在不同设计冻深情况下的抗冻拔稳定验算。

4）上部荷载组合、桩基直径及基土条件相同，在不同基土土层分布情况下的抗冻拔稳定验算。

针对上述4 种情况，采用《规范》公式（12.3.3）即可完成相关计算，成果见表2所示。

表1 桩基土力学指标

由表2可见，虽然Ⅱ级冻胀土的切向冻胀力相对较小，但由于受上部荷载组合、桩径、基土土层分布及冻深等因素影响，位于Ⅱ级冻胀土中的桩基仍然存在较大程度的不稳定性，实际工程设计中有必要进行抗冻拔稳定及强度验算，否则，很可能因冻拔或强度不够引起建筑物破坏。

2 关于“桥梁和渡槽宜减少桩、墩数量和减小桩径”的规定问题

《规范》第12.1.2 条规定，“桥梁和渡槽宜减少桩、墩数量和减小桩径”。该条规定就减少桩基的总冻拔力而言是行之有效的方法，但实际工程设计证明，桥梁和渡槽工程桩柱数量的多少，除应考虑满足抗冻拔要求外，还要满足上部承载及结构要求，同时还应体现桩基工程的总体费用最优。仅从减少桩基冻拔力角度而强调减少桩、墩数量和减小桩径并非经济合理。

2.1 关于“减少桩的数量”问题

实际工程设计表明，当上部荷载一定情况下，减少桩的数量虽然可以减少桩基工程的冻拔力，但另一方面，由于桩基数量的减少，单桩承载力（轴向压力及弯矩）将明显增大，单桩的设计入土深度及配筋量随之增加，因此，工程费用可能大于多桩情况，现通过工程实例进行说明。

表2 桩基抗冻拔稳定复核情况

选表1中3 号基土两种不同冻前地下水位埋深条件下的桩基工程进行比较。经计算可分别求得3 号基土两种不同冻前地下水位埋深条件下的冻胀量分别为18.66 和25.56 cm，分别为Ⅳ级和Ⅴ级冻胀土，相应的切向冻胀力分别为100 和140 kPa。已知某桥梁工程桩基承台的设计恒荷载为1 000 kN，活荷载为900 kN，承受弯矩情况与桩基的桩柱数量有关，见表3。试验采用2 根直径D=0.8 m 桩基和3根同样直径桩基的费用比较（已知工程当地的混凝土单价为580 元/m3，钢筋笼单价为7 400 元/t，桩基成孔费按文献［5］计取），成果见表3。

表3 桩基设计桩柱数量投资比较

由表3可见，当上部恒荷载和活荷载分别为PA=1 000 kN 和PB=900 kN 时，在Ⅳ级冻胀土情况下，采用3 桩基础较2 桩基础更加经济合理；而当上部荷载不变，在Ⅴ级冻胀土情况下，2 桩基础则优于3 桩基础。因此，在实际工程设计中，应根据桩基工程的上部荷载组合、基土的冻胀级别及桩基穿越土层的具体情况通过优化设计，选取经济合理的桩柱数量。关于《规范》中宜减少桥梁及渡槽工程桩的数量的规定，笔者认为有待进一步补充和完善。

图1 R～P～T 关系曲线

2.2 关于“减少桩的直径”问题

根据笔者的研究成果[3，4]，不考虑上部荷载组合及基土的冻胀级别，片面减小桩径并非经济合理，最经济的抗冻桩径应通过优化设计获得。现选取表1中4 号基土条件，当冻前为不同地下水位埋深情况下（不同基土冻胀级别），上部恒荷载分别为125，250 及375 kN，活荷载PB分别为135，270 及405 kN 时设计桩径的优化成果，并完成R～P～T 的关系曲线绘制，如图1所示。

由图1可见，在桩基上部荷载一定情况下，当切向冻胀力Tt≤120 kPa 时，最优设计桩径（2R）随基土切向冻胀力的增大而减小；而当Tt＞120 kPa 时，最优桩径与基土切向冻胀力Tt的关系曲线为一近于平行与横坐标轴的直线，即：最优桩径与基土切向冻胀力Tt的大小无关。因此，在实际桩基工程的设计中，通过减小桩径并非可以获得经济合理的桩基设计成果。

［1］ GB/T50662-2011，水工建筑物抗冰冻设计规范［S］.

［2］ SL211-1998，水工建筑物抗冰冻设计规范［S］.

［3］ 滕凯，李圣涛，卢秀佳.抗冻桩基的优化设计［J］.东北水利水电，1993（11）：10-14.

［4］ 滕凯，孙永平，张秋兰.抗冻群桩的优化设计［J］. 工程勘察，1996（6）：6-9.

［5］ 国家物价局，建设部. 工程勘察设计收费管理规定［S］.2002.