桥梁设计中的桩基设计分析

王朋

摘要：在诸多桥梁基础类型中，桩基是现阶段最常用的一种。桩基不仅承载能力强、稳定性高，而且适用性也良好，可以节省材料、降低成本，在桥梁工程建设中广泛应用。为实现桩基设计优化，设计人员应根据桥梁工程的结构特点和要求，做好相应的承载力分析与计算。

关键词：桥梁设计;桩基设计;策略

1桩基设计理论

桩基设计主要包括承载能力设计和沉降变形计算，通过设置樁长、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桩基的作用

2.1缓解上部结构沉降

整个桥梁工程结构中，桩基是基础结构中的重要构成部分，为达到桥梁整体结构标准，首先应保障桩基刚度的合理性，只有桩基刚度够大，才能实现对桥梁上部荷载的分摊和承载，缓解上部过大的重量所引起的结构沉降。因此，桩基可有效预防与控制对桥梁的结构变形，使桥梁结构达到质量安全标准。此外，桩基与周边土体存在一定的空隙，这也就使两者之间存在一定的摩擦作用力，该作用力有效分解了上部荷载，提高了整体结构的稳固性与安全性。

2.2降低桥梁工程建设成本

我国的桥梁工程建设数量较多，一些桥梁工程的建设规模庞大，施工现场经常会遇到复杂的地质地形条件，如桥梁工程现场的地下水水位偏高，或桥梁基础为水下作业，都可直接将桩基作为桥梁的基础结构，这一结构不仅可有效提升桥梁工程的质量，还可实现工程资源的合理配置，减少建设成本。

3桥梁设计中的桩基设计策略分析

3.1地质勘探

对该桥梁工程的桩基开展地质勘探时，需要在明确岩溶发育情况的基础上确定岩溶形态及其空间分布规律。勘探过程中，先进行物探，以物探成果为依据确定岩溶情况，然后在各基础内进行钻孔。针对该桥的实际情况，为每个桩基都布置了地质孔，并充分结合了物探方法，取得了良好效果。通过实践可知，考虑到桩基的直径比勘探孔要大很多，某些没有进行物探，只采用钻孔的方法对溶洞桩基进行了勘探，这样无法完全揭示出实际的岩溶发育情况及其分布规律，尤其是直径超过1.5m的桩基，在必要的条件下需要通过一桩三孔来确定溶洞实际分布状况，同时在桩基孔实际施工过程中，在基岩表面出露之后，于其周围进行布孔，以此查明桩基所在位置范围内地质地层情况。

3.2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。

3.3桩型确定

摩擦桩指的是将桩周摩擦力作为承载力，其桩底支撑力大多无法提供符合要求的承载力;而端承桩主要将桩端支撑力作为承载力，其桩周摩阻力往往很小。在桩基设计过程中，应优先考虑端承桩。而从工程的实际情况来看，对于摩擦桩，其桩长通常大于端承桩，这会使造价相对较高，在这种情况下，选择端承桩是工程设计的一个重要原则。然而，如果工程地质条件导致端承桩埋深相对较大，其桩长与采用摩擦桩时的桩长相当，这样会使端承桩失去意义和价值，而此时采用摩擦桩可能达到更好的效果。因此，如果在桩长方面这两种类型的桩相当，则采用摩擦桩可能更加安全。

桩基的桩侧阻力与端阻力，其发挥程度和上覆土层基本性质、层厚、桩身长度和桩径之比、嵌入的岩层性质及深度和桩径之比、桩底沉渣厚度有关。通常情况下，上覆土层具有的侧阻力可以正常发挥，但伴随桩长和桩径之比的不断增大，侧阻力明显增加。只有桩长较短且桩径较粗的嵌岩桩，其端阻力比土层的侧阻力率先发挥。在桩承载力上，端阻力起到决定性作用，为端承桩。对于桩长和桩径之比超过15的嵌岩桩，不论嵌入的岩层属于风化岩还是完整基岩，桩侧阻力都比端阻力率先发挥，为摩擦桩。当桩长和桩径之比超过40，且上覆土层为坚硬土层，则桩端承载将没有太大的作用，其受力状态属于摩擦桩，将桩端设置在强风化岩层或中风化岩层均可。

3.4桩基负摩阻力

（1）桩基负摩阻力的形成

在桩长的计算过程中，所涉及的摩擦力为正摩擦力，这一摩擦力具体指桩体沉降值大于周边土体沉降的情况下，土体向桩体所施加的向上摩阻力。因为桩侧摩擦力的方向在很大程度上是由桩体、周围土体的相对位移量所决定的，尤其是对一些软土地基段而言，填土自重、行车荷载都会引起一定的变形与沉降，一旦其沉降量超出了桩基沉降量的具体限制，周边土体对桩基的向下摩阻力为桩基的负摩阻力。因此，在桩基设计中，须重视桩基负摩阻力的存在，做好对桩基的设计优化。

（2）桩基负摩阻力的分布和计算

在桥梁工程建设施工中，桩基负摩阻力的存在位置较多，但并不是全部的负摩阻力都存在于全部的软弱基层中，在桩周软土压缩沉降作用下，桩身正摩阻力呈现出从上到下逐步减小的变化趋势，最初的负摩阻力出现在桩顶位置，因为土体存在持续沉降与变形的现象，也就使负摩阻力的作用范围持续下移，此条件下，正负摩阻力抵消的点便为中性点，此点的桩侧摩阻力为零。对中性点之上的部位，由于土层沉降量要远高于桩基，便导致中性点之上的部位属于负摩阻区，相应地，中性点之下的区域则属于正摩阻区。中性点所处地点是受到多种因素共同作用来决定的，如桩基底部持力基层硬度、桩基周边土体力学属性、桩基直径和地下水位变动情况。

4结束语

综上所述，当前的交通事业发展中，人们对桥梁工程的建设施工质量提出了越来越高的要求和标准，桩基作为桥梁工程的基础结构，其设计关系到整体桥梁结构的性能。因此，任何的桥梁工程建设中，施工人员都应加强对桩基设计的质量管理，以保障桩基设计与桥梁工程现场、结构的一致性。

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