刚性嵌岩短桩计算理论分析

胡家伟

摘 要：在桥梁桩基础设计的过程中，嵌岩桩嵌入岩层深度满足规范要求，但桩基参数在处于弹性桩与刚性桩分界点2.5左右时，那么这类桩基内力计算时的理论依据是弹性桩还是刚性桩理论就成为处理此类问题的关键。

关键词：刚性桩;弹性桩;嵌岩桩;桩基内力

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A

1 土的弹性抗力及其分布规律

本文探究的是桩基础在水平力作用下计算桩身的内力和位移，其理论计算国内外很多学者都提出了很多方法，目前普遍采用的是弹性地基梁法，即把桩作为弹性地基上的梁，按照文克尔假定来进行求解。

桩在水平力的作用下必然会挤压桩侧土体，桩侧土体会对桩产生横向的抵抗力，即指深度为Z处的横向土抗力。

2 弹性桩和刚性桩

《公路桥涵地基与基础规范》（JTG 3363-2019）中附录L规定，当时，属于弹性桩，需要按照弹性桩的计算理论来分析。当时，属于刚性桩，需按照刚性桩的计算理论来分析。为变形系数，h为桩基地面线或局部冲刷线以下的入土深度。

式中：——桩的变形系数（1/m）;

——桩的抗弯刚度，对以受弯为主的钢筋混凝土桩，根据现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362）规定采用;

——桩的混凝土抗压弹性模型;

——桩的毛面积惯性矩;

m——非岩石地基水平向抗力系数的比例系数。

弹性桩和刚性桩本身在规范给出的内力计算方法中，弹性桩考虑桩身的变形，桩底弯矩基本为0，刚性桩的变形类似于桩整体变形，桩底弯矩不为0。由于这两种桩基的相对刚度不同，则导致其二者受力变形后的内力计算公式不同。

3 工程案例

本项目上部结构采用30 m简支转连续小箱梁，下部结构采用单排柱式桥墩，桥墩直径1.4 m，桩基直径1.6 m，桩顶设置1.2×1.4 m的横系梁，桩顶系梁的预埋深度为0.5 m，本桥墩所处的地质情况为：地面以下0 m～5 m为淤泥质粘土，深度>5 m为中风化花岗岩。

本项目桥墩的设计原则为：对于嵌岩桩，桩长确定时应考虑桩底嵌入中风化软岩层（frk≤40 MPa）不小于3倍桩基直径，中风化次坚岩层（40 MPa

根据本桥墩桩基的地质资料来分析计算桩基在水平力作用下桩身的最大弯矩和桩顶位移情況，就需要对桩基的受力体系进行适当的简化分析，明确桩基的受力类型。根据规范《公路桥涵地基与基础设计规范》中提供的计算要求，本桥墩桩基的计算宽度为：

本桩基表层土为淤泥质粘土，其地基水平抗力系数的比例系数m=5 000 kN/m4;所以桩基的变形系数计算公式如下：

判断此桩基为刚性桩还是弹性桩的依据就在于的取值，由于本桥桩基长度10 m，有5 m位于淤泥质粘土中，有5 m嵌入基岩中，根据弹性桩的计算理论（如上图3-1所示），h=5 m，则=1.365<2.5，此时，弹性桩的计算公式已不满足规范要求。则套用刚性桩的计算公式进行分析（如上图3-2所示）。

所以，根据对变形系数的计算，对于类似于此类的短桩，建议采用刚性桩进行计算。

根据规范《公路桥涵地基与基础设计规范》中的要求，为了保证基础在土中有可靠的嵌固，基础侧面水平压力应满足下列条件：

式中：——相应于z=h/3和z=h深度处的水平压力;

——土的内摩擦角、重度、黏聚力;对透水性土，取浮重度，在验算深度范围内有数层土时，取各层土的加权平均值;

——系数，对外超静定推力拱桥的墩台=0.7，其他结构体系的墩台=1.0;

——考虑结构重力在总荷载中所占百分比的系数，=1-;

Mg——结构自重对基础底面重心产生的弯矩;

M——全部荷载对基础底面重心产生的总弯矩。

4 结论

（1）对于嵌入岩石类的桩基，若表层软弱土层较薄，可以做成扩大基础，若表层软弱土层较厚，则需要考虑做成桩基础，那么在满足桩基础嵌岩深度的情况下，进一步需要确定桩基的计算理论依据，的大小位置关系来确定。

（2）桩基嵌岩桩嵌入岩石的部分，可以认为桩基与岩石为一整体，在弹性桩和刚性桩计算图示中h的值中可以看出，不考虑桩基嵌入岩石部分。

（3）通过计算得出桩基位于基岩以上为刚性桩时，需要保证基础在土中有可靠的牢固，则需要满足基础侧面水平压力Pz满足相应的要求。

（4）对于如上所示的短桩，可以采用弹性桩或刚性桩理论分别计算，分别计算其最不利内力值，取其大值进行计算。

参考文献：

[1]JTG 3362-2018 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京，人民交通出版社股份有限公司，2018.

[2]JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S].北京，人民交通出版社股份有限公司，2015.

[3]JTG 3363-2019 公路桥涵地基与基础设计规范[S].交通运输部.

[4]刘效尧，徐岳.梁桥[M].北京：人民交通出版社，2011.