桥梁设计中的桩基设计分析

石 璞

（湖北省林业勘察设计院，湖北 武汉 430200）

1 引言

我国是基建项目强国，工程建设如桥梁、房屋、电力等建筑都需要设计桩基基础工程。在高速公路修建过程中，需要建设大量的桥梁，为了保证桥梁的最大承载能力，减少地基的沉降变形，经常采用深基础设计，而桩基设计是最常用的深基础设计。本文从桩基设计理论、桥梁桩基设计存在问题、桥梁桩基设计要点三方面论述桩基设计。

2 桩基设计理论研究

2.1 桩基设计理论

桩基设计是检测和控制桩基的抗压能力，使其符合桥梁总设计的要求。桥梁桩基设计需要满足两个要求：一方面，桩基和土体之间要相互稳定，满足沉降位移要求；另一方面，桩基自身要有稳定的结构强度，以满足桩基承载力的要求。桩基和土体的相互作用可以保证桩基具有足够大的承载能力，使桩身不会产生误差外的沉降变形，当桩基受水平方向的荷载时，对桩产生的弯矩与变形在允许范围内。

桩基设计与其地基处理的不同之处在于其设计理念是“先实践，后理论计算”。桩基设计主要包括承载能力设计和沉降变形计算，通过设置桩长、桩径等参数设计桩基承载力，以保证桩基具有足够的负荷能力。为避免过度变形造成桥梁损坏而进行沉降变形计算。此外，配筋和承台可以保障桩基具有足够的结构强度，也是桩基设计的重要内容，特别情况下，需要计算桩基和承台的抗裂和裂缝长度。目前，我国桩基设计正处于变革时期，主要计算方法有：容许承载力计算、总安全系数计算、分项系数计算等。桩基计算理论主要分为两类 ，容许应力理论的定值设计和依托概率理论的极限状态设计。

定值设计法的原理是规定地基和桩身强度，限制剪切应力来调整地基沉降，属于较为典型的桩基验算方法。依据桥梁所处土体、河流等自然环境条件，确定桩基、承台的参数设置以及图纸验算桩基中各桩的承载力，根据工程实际情况对桩基进行轻度和沉降计算，进而完成墩台下构的设计。此计算方法的弊端是根据经验判断桩基的可靠度，可能会与实际施工情况不符。而桩基极限状态计算方法加入可靠度理论和概率理论，利用统计学原理科学衡量桩基的可靠度，改变了以往用经验设计桥梁桩基的缺点，使施工更加科学精准。

2.2 桩基产生竖向力的机理

桩基承载力由桩与土体间的距离决定，受桩基自身重量和承载负荷的影响，为使桩基稳定牢固，必须将桩与土体的位置向下移动。此时，土体会因剪切应变增大而产生不断增大的剪切力，待剪切力处于阈值时，即使剪切应变持续增加，其仍处于稳定状态，使得桩基两端承载负荷不断增加，最终影响桩基承载能力。桩与土体之间的位移变化包括桩身压缩变形、桩两端沉降变形两部分，往往桩底及桩周沉降变形明显，而桩身压缩变形对桩和土体没有明显影响。以桩长30m、桩直径1.5m 的空心桩体为例，其桩身压缩变形极限仅为2mm。桩底沉降变形的主要原因是钻桩孔时清理不彻底，施工清孔时，清理不彻底就会残留桩身内的残渣。受桩基自重及桩顶负荷的影响，当不断增加承载压力，会导致桩基发生10～20cm 的沉降形变。

3 桥梁桩基设计存在的问题

3.1 桩基承载性能有待提高

桩基承载性能主要包括桩基影响因素和桩基受力状态两方面。在实践施工检测中，通过物理模拟法检测桩基承载能力。物理模拟法分为室内相似模拟、离心模拟和现场原位模拟。通过综合分析桩基的荷载传递能力，可以看出荷载自桩顶沿桩身自上而下传递，主要靠土层摩擦力作用。在实际施工中，土质整体性能影响桩基受力状态；桩身长与桩径比例过高，桩侧摩擦力变大，桩端承载性能变弱。反之比例过低，桩基不会发生形变，由桩端岩层承受荷载。因此，应充分掌握桩基的受力状态，结合填充物质、顶板厚度、土体条件综合评估、分析桩基承载力，以保证桩基设计的安全性，提高桥梁桩基的施工质量。

3.2 桩基嵌入深度不合理

参照桥梁桩基设计规范，当桩基嵌入深度小于0.5m 时，需要合理调整桩基承载力，但是实际施工中没有规范的数值要求，这使桩基设计缺少规范标准，容易造成安全事故。究其原因是嵌入桩的定义没有严格标准，施工人员对嵌入深度各执己见。一部分技术人员认为应当将实验结果作为嵌入深度标准，但是试验得到的嵌入深度范围忽视了现场施工条件，结论并不完善；一部分技术人员认为桩基深度不应过深，因为嵌入深度对桩基承载力的提升效果较弱，只会增加施工成本，应用性不强。施工人员对桩基嵌入深度标准的理解不一致，一定程度上会影响桥梁桩基施工。

3.3 桩基承载力计算不合理

桥梁桩基承载力是衡量桩基稳固的重要因素，根据桥梁桩基设计规范要求，桩基承载力计算多以摩擦桩为计算参照。摩擦桩桩基承载力包括桩端荷载力和桩侧摩擦力。桩基承载能力和桩基与土体的摩擦力、桩基相对土体的位移以及土层性质有关。在实际桥梁桩基设计中，应结合施工地区桩基的环境条件、土质条件调整计算参数，保证桩基的施工质量。

4 桥梁工程桩基设计要点

桩基设计时，要求桩的各项参数都能充分发挥桩基的承载能力。无论是整体设计还是局部设计，应当满足桩基设计要求，依照科学计算确定桩身材料的强度等级。在桩基设计过程中，要保证设计规划切实可行，并符合桥梁的使用功能。同时，应当运用先进施工技术和施工方法，充分控制桩基的性能，最大程度发挥桩基的承载能力，使桩基设计成本最低，安全性能最佳，满足桩基设计的多方面要求。桥梁桩基分为低桩台和高桩台，低桩台适用于季节性等冲刷流速较小的河流；高桩台适用于常年有水，冲刷力度较大的河流。在实际施工中，高桩台是施工设计的重点。

桩基设计主要参照初步规划方案，结合实际施工环境和工程要求，完善制定安全、经济、适用的具体施工方案。其设计要点内容包括桩基承载力计算、桩基承载性能分析、桩基嵌入深度、分析地基沉降变形问题、预估自然环境及其他因素对桩基的影响程度，采取相应的防范措施。本文以长1856.7m 高架路段标准、宽75.5m 的桥梁工程为例，深入分析桥梁桩基设计。具体从施工环境、群桩桩基形式、桩基选型和间距、压浆参数设置、持力层设计、高桩台设计等六方面进行重点阐述。

4.1 勘查施工环境

进行施工前勘察时，根据勘察重点不同，分阶段完成勘察工作。在初勘阶段，应重点勘察桥梁工程所处的地形、地质等自然环境条件，初勘阶段通过钻孔探测辅助物探的方式确定地质。本桥梁工程处于亚热带海洋气候区，全年湿润多雨，初勘后分析该项目区内土质复杂，下水位深1.3m，桩基施工受自然环境的影响较大。详勘阶段采用多种物探方式，依据初勘核查结果，明确土质从下及上分别为黄土粘质土、清灰土粘质土、灰色粘质土、填土。因此，必须加强桩基-土体牢固性以及完善防水设计。对复杂的土质条件，采用一桩一孔的形式。对于桩径超过1.5m 的桩基，采用一个中心孔，四个周边孔的设计方式，以达到安全稳固的施工要求。此外，根据施工方案和施工规范要求，勘察作业应原位测试，施工技术人员现场核查设计图纸等资料，全面掌握、了解现场土质等环境情况，并改进施工技术方案，保证勘察结果满足桥梁桩基施工需求。

4.2 选择群桩桩基形式

施工技术人员在全面分析勘测结果、了解施工基本状况后，可以初步确定设计桥梁桩基的形式。常用的桩基选型为大且短的群桩做基础，避免了桩基和土体间的接触。长时间地壳运动后地质发生改变，土体逐渐适应变化形式产生相对平衡的应力，桩基和土体接触会破坏土体的应力平衡状态，进而导致新的问题产生，增加施工难度，拖延施工周期，提高施工成本。根据桩基的受力性和土质条件，按照摩擦桩性质计算桩基长度，以预算的桩基长度为标准，计算桩底标高，综合分析桩基整体的受力状态。如果土体深度较深，桩基承载力和桩侧摩擦力比较，桩侧摩擦力的占比为主，此时，应该按照摩擦桩的计算方法预估桩长，持力层参数应该选择承载能力较高的土质层。如果土体深度较浅，桩底降入土体后，桩基嵌入深度不够，需要通过压浆处理等方式提高土体密度和强度，预估桩基长度时可忽略不计桩侧摩擦力。此外，应适当依据施工现场条件处理土层参数以保证施工的安全性。

4.3 确定桩基选型和间距

桥梁桩基承担着桥梁自身的重量和可变荷载，根据荷载的传播路径可将桩归为端承桩和摩擦桩两类。荷载主要承载桩身和土体的摩擦力，端承桩和摩擦桩端阻力、侧阻力与桩长比值相关。当桩长径比值在15～20 时，桩侧阻力发挥承载作用；当桩长径比大于40 时，端承桩承载力变小。桥梁桩基设计必须达到最小间距的要求，在设计中避免群桩效应，若桩间距较大，则会影响桩基承台的稳定；桩间距变小，则会增加造价成本。因此，桥梁承台设计需要采用群桩加大承台的方式。

4.4 合理设置压浆参数

施工人员进行桥梁桩基设计时，应遵循桥梁桩基设计规范，确定压浆参数，以提高土体密度和强度，避免影响桩基施工的质量。施工人员进行桩基加固作业时，既要及时总结工程数据和施工经验，也要制定应急预案以确定合理的压浆参数。为进一步评价压浆参数的合理性，施工人员应按要求完成压浆参数设置的检测后，再进行后续工作。完成压浆参数计算等准备工作后，施工人员应首先进行静载试验，测试相关参数，分析不满足施工标准的技术参数的原因，直至调整标准后才能将其应用在桩基施工中。

4.5 施工持力层优化设计

施工技术人员设计桥梁桩基时，需要严格按照施工方案确定桥梁桩基位置。如果桩基所处地质环境良好，土质硬度高，则桩基建设难度大为降低。如果桩基所处土质松软，则桩基建设难度会大幅增加，并且会影响桥梁工程整体施工情况。针对土质问题，施工人员应在施工前勘探确认土质状况，通过优化持力层土质的方式提升桩基位置的土质硬度，为后续桩基建设工程节约时间和成本。在钻孔灌注桩施工时，可能会出现桩基负荷能力差或桩体表层质量不过关的情况，也会对桩基施工造成不同程度的阻碍。因此，为避免以上问题，施工人员应当在注浆时做好浆管疏通工作，并在混凝土振捣时消除桩身土层裂缝的问题，保证桩体负荷能力满足桩基建设要求。

4.6 桥梁桩基高桩承台优化设计

高桩桩基是指有多根桩和基线的承台组成的桩基础结构，其主要作用是将桩端荷载通过承台和桩传入持力层地基中，在桥梁桩基中广泛应用该桩基作为基础结构。高桩承台能穿过软土层进入地下持力层，与低桩承台相比具有更好的承载能力。在原有的高桩桩基设计基础上，通过设置桩与桩间的连梁，增挖附桩，将一根桩改为四根，增加高桩承台的稳定性。

4.7 桩基侧面摩擦力提升设计

设计人员应当严格按照桥梁桩基础设计规范完成桥梁桩基设计工作。桩基决定了桥梁的承载力，桩基侧面摩擦力大小均匀与否是决定桩基施工现场是否安全、灌注桩是否稳定的主要因素。为提高桩基稳固性，施工人员需要保证桩身和周围土体的紧密度，减小桩身和土体的位移距离，同时，采取降低桩身和土体摩擦力的方法，提升桩基侧面摩擦力。因此，施工人员需要综合分析桩基和土体条件，提高灌注桩稳固性，为后续桩基础施工奠定基础。

4.8 桩基承载力计算要点

桥梁桩基设计存在很多随机性，桩基设计中通常用几根试桩承载力的平均值和安全系数来确定桩基最大承载力，并不能反映群桩的荷载，承载能力计算方法存在明显误差；对于特殊土质条件，如软土层、岩溶层、冻土等桥梁桩基设计应当提供针对性设计方案；设计桥梁桩基，需要最大程度发挥桩、土体、上部结构的承载力。实际桩基设计中，不少桩基设计简单，缺乏完善的设计理念，承载力计算粗糙，对此设计者应当全面了解不确定因素和实际情况，全方位分析设计内容。

4.9 桩基设计要点

第一设计者遇到新工艺、新技术时，应在遵循各类技术规范的同时，灵活运用各种技术手段；第二在实际桩基设计中，运用工程经验进行计算承载力仍是桩基设计方法中的重要环节，桥梁桩基承载力设计由传统经验计算方法过渡到结合施工环境精准计算的过程仍需大量分析，桩基承载力计算方法的实用性仍需进一步研究和实践。

5 结语

本文在已有研究的基础上，系统论述了桥梁桩基的理论研究和设计要点，实际推理桩基设计方法。桥梁桩基作为桥梁建设的基础，其设计过程非常复杂，因此设计前，施工人员应当充分了解桩基实际情况和周围自然环境，综合分析桩基、土体、河流冲刷力等多种因素，全方位衡量后再完善桩基设计，确保桥梁桩基达到最大承载力并具有安全性，保证桥梁桩基施工质量以及成本的合理性。桥梁桩基设计不仅受地质条件、自然环境等因素制约，在施工中使用的施工技术和工艺也是影响桩基承载能力的重要因素。为此，施工人员应提升施工工艺、完善施工管理制度、加大质量检测力度，提高后期施工效率，严格按照施工方案的规划高质量完成施工。