公路桥梁桩基设计

 在高速公路桥梁下部结构基础形式当中，桩基础是最常用的形式之一。桩基础以其稳定性好、承载力高、节省材料、适用性强，是桥梁设计的主要选择形式，它的受理机理是：通过作用于桩端的地层阻力和桩周土层的摩阻力来支承轴向荷载，依靠桩侧土层的侧向阻力支承水平荷载。在桥梁下部结构设计中，选择何种形式的桩基础，对桥体结构安全、安全便于施工、节约投资从而降低造价有着巨大的作用。本文主要介绍在实际工程设计及中如何因地制宜的选择合理的桩基础类型？如何根据桥位处地质条件区分采用端承桩、摩擦桩、端承摩擦桩？怎样准确确定设计桩长、桩径及桩端持力层厚度？还有怎样合理的进行钢筋混凝土桩基的配筋？上述问题均为桩基础设计过程中的核心问题，解决了上述问题就意味着桩基础设计是成功的。 

　　1 端承桩和摩擦桩的区别 

　　《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）中提供了两种典型的桩基形式，摩擦桩和端承桩，并对两种桩基的适用情况范围做了规定。摩擦桩即主要利用桩周的摩阻力提供承载力，一般认为桩底的支撑力不足以提供足够承载力；端承桩一般主要是利用桩端的支撑力提供承载力，桩周的摩阻力很小。从定义上看，桩基设计时端承桩应该是首选，只有当桩端的地质条件不能满足要求时，采选用摩擦桩。从实际工程上看，摩擦桩的桩长一般都比端承桩要长，造价较端承桩高，优先选用端承桩是设计的原则之一。但是当端承桩所要求的地质条件埋深较深时，设计的端承桩长度按摩擦桩设计都能满足要求时，端承桩就失去了价值，这样的设计采用摩擦桩更好。当桩基按端承桩设计的桩长和按摩擦桩设计的桩长长度接近时，一般宜按摩擦桩设计较安全。 

　　大量现场结果表明：桩侧阻力、端阻力的发挥性状与上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质和嵌岩深径比、桩底沉渣厚度等因素有关。 

　　一般情况下，上覆土层的侧阻力是可以发挥的，而且随着长径比L/d的增大，侧阻力也相应增大；只有短粗的人工挖孔嵌岩桩，端阻力先于土层侧阻力发挥，端阻力对桩的承载力起主要作用，属端承桩。对L/d>15-20的泥浆护壁钻（冲）孔嵌岩桩，无论是嵌入风化岩还是完整基岩中，桩侧阻力均先于端阻力发挥，表现出明显的摩擦型。对于L/d≥40，且覆盖土层不属于软弱土，嵌岩桩端的承载作用较小，此时桩基受力状态为摩擦桩，桩端嵌入强风化或中风化岩层中即可。在某些地区，泥质软岩嵌岩灌注桩L/d>45时，嵌岩段总阻力占总荷载比例小于20%；L/d>60时，嵌岩段端阻力占总荷载比例小于5%。究其原因，一方面由于嵌岩桩桩身的弹性压缩，导致桩顶沉降，这个弹性压缩量引发了桩周土体的剪应力，也即是土对桩的摩阻力。另一方面，钻孔桩的孔底残留的沉渣，形成一个可压缩的软垫，至使桩底也会产生沉降，这一沉降和上述桩本身的压缩导致桩身与土体、嵌岩段桩身与岩体产生相对位移，从而产生侧阻力。而这种桩身弹性压缩和桩底沉降是随着长径比L/d的增大而增大的，因而导致摩擦力和侧阻力的增大。 

　　同时，传递到桩端的应力也随嵌岩深径比hr/d的增大而减小。当hr/d>5时传递到桩端的应力接近于零；但对泥质软岩嵌岩桩，hr/d=5-7时，桩端阻力仍可占总荷载的5%～16%。 

　　由此可见，端承桩和摩擦桩的区分，不能单纯从是否嵌岩来区分，要考虑上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质、嵌岩深径比和桩底沉渣厚度等因素。 

　　当采用端承桩设计时，宜采用大直径少根数的设计方式；当采用摩擦桩设计时，已采用小直径多根数的设计方式。 

　　2 确定嵌岩深度及桩端持力层厚度 

　　桥梁工程桩基设计中，经常会遇到两软弱岩层之间穿越强度很高的一定厚度的岩层（夹层），或者有些地区溶洞比较发育。如果这种夹层厚度不够承载厚度要求，钻孔桩就需要穿越夹层，以达到持力层，这对施工机械和施工进度都是极大的考验。 

　　对桩底基岩厚度的确定，主要有三个条件：（1）不考虑桩身周围覆盖土层侧阻力，嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度，按构造要求0.5m；（2）要求桩底以下3倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布；（3）在桩端应力扩散范围内无岩体临空面。对于一般夹层，只要满足前两个条件即可作为持力层。对岩溶地区桩基，由于岩体形状奇特多变，岩溶洞隙的分布毫无规律，现有勘探手段难以事先查明它的准确位置及大小，导致工期延长、工程费用增加。基于计算所需的边界条件十分复杂，而岩溶地基比一般岩石地基影响因素更多，以前通常要求桩端下有4m、5m或5倍桩径持力层厚度，对于不同桩径、不同的单桩承载力，如果同样要求基桩端面以下有5m完整基岩，两者的可靠度是不尽相同的。为使桩基设计经济合理，应根据经验值和试算数值相结合的方法来确定嵌岩深度及桩端持力层厚度。 

　　3 桩基配筋 

　　基桩各截面的配筋，理论上应根据桩基内力进行计算布置。桩基内力可采用“m”法或其他有可靠依据的方法计算。按“m”法计算桩基时，桩身弯矩有四个特点。（1）弯矩分布规律近于一条自顶向下衰减的波形曲线，且衰减很快；（2）桩身最大弯矩发生在第一个非完整波形内，一般在地面以下约3m位置；（3）桩身弯矩在第一个弯矩零点以下很小，可以忽略不计，其下桩身主要起传递竖向力作用；（4）第一个弯矩零点位置在桩入土深度h=4/αh处。 

　　在设计中通常有两种钢筋布置方式。一种是根据最大弯矩处进行配筋。从桩顶一直伸到最大弯矩一半处下一定锚固长度位置，减少一半配筋再一直伸至弯矩为零下一定锚固长位置，再下为素混凝土段，对于软基，桩主筋最好穿过软土层。另一种是将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。从桩体受力和节省工程费用以及发生事故处理的难度来看，前一种更合理。这是因为：由于桩基较长一段不设钢筋，比后者节省了部分钢筋；底部断桩时，钢筋笼拔出后，可原孔再钻，减少扁担桩发生机率。但是，第二种配筋方式可以减小施工难度，桩基灌注混凝土时，钢筋笼的定位是十分重要的，钢筋布置到桩底，易于固定钢筋笼。 

　　4 结束语 

　　桩-土体系共同工作的问题，是土木工程界长期探索的课题。由于计算机的应用，计算方法日益复杂，但是土的参数之多样性和离散性，其结果未必是“精确”的，这就迫使我们如果要设计好桩基础，就必须首先完全的认识与了解它，然后根据它与岩石、土壤、沉渣及自身的关系特性综合考虑，结合实验结论与经验，合理的设计使用桩基础，力求经济适用，坚固持久。