桥梁工程钻孔灌注桩设计分析

吴尚琴

（抚州赣东公路设计院有限公司，江西 抚州 344000）

0 引言

桩基础为深基础的结构形式，抗压性能比较优越，将上部荷载传输到地基结构内。因为桩基础的稳定性、承载性能都非常优越，所以广泛地应用到工程领域，也是比较成熟的基础类型。在现代社会高速发展的背景之下，上部结构物的荷载不断增多，对于下部基础的要求也在不断提高，所以必须加强桥梁基础的设计和建设施工，才能更好地满足桥梁的运行标准，对我国交通事业的发展产生积极意义。

1 钻孔灌注桩单桩承载力的影响因素分析

桥梁工程在投入使用后，上部荷载经过桩基础传输到地基结构内，使应力快速消散。在荷载消散期间，把应力分布到各个桩位置，实现荷载均匀分布，能够在一定程度上提升桩体的稳定性。桥梁工程上部结构的荷载由摩擦桩承担通过侧阻力形式向周围土体扩散。在桩体与土的相互作用中，受力形式比较复杂，难以准确分析。所以设计人员准确地评估桩基承载力，提出科学合理的设计方案，进行竖向荷载的准确分析是极为重要的，也是不可忽视的。在桥梁桩基础方面的设计中，竖向荷载是经过承台传输到土体结构内，让侧桩承载来自相同的荷载。同时，单桩的竖向荷载分布范围较广，影响因素也比较广泛，在受到持续荷载影响下，很容易出现上下移动的情况。而桩身荷载往往是通过侧摩阻力的形式传输到周围土体结构内。随着桩体插入土体深度不断增大，桩身结构受到的轴力、压缩量也不断缩小，容易导致桩侧阻力增加。钻孔灌注桩在投入使用后，有较多因素存在很大的影响，且各个因素之间的关系较复杂。单桩承载力的影响因素不仅有材料，还包括尺寸与土体，所以要综合分析各个方面的影响因素，并将其控制在合理范围内，才能规避不利影响，提高桩体结构的质量和性能[1]。

2 工程概况

某桥梁工程结构长度为6850m，宽度尺寸42m，设计方案中包含1612 根钻孔灌注桩，直径设计为1.2m、1.3m、1.8m。为了准确地研究和分析该项目的桩体性能，针对项目的具体情况，设计人员展开静载试验，准确地测定其承载性能以及极限状态下承载力，进一步优化桩基设计方案，以确定最佳的设计方案，切实提升桥梁工程的运行安全和质量水平。

3 试验分析

3.1 试验概况

根据试验要求，将桩基分为A、B 两组进行分析，估算最大加载量参数，与试验中选取的桩基共用2 根锚桩，总计9 根。A 桩长35m，B 桩长24m，直径均为1.3m；锚桩长35m，桩径1.5m。试验桩桩体使用C25混凝土浇筑形成，钢筋为HRB335，两组的直径、数量相同，间隔距离也一致。经过对现场的地质条件、试桩标准进行分析，具体参数可见表1。

表1 各试桩最大加载量及极限承载力汇总

在试验操作中，选择应用逐级加载的操作方式，每一级的加载量为预估最大加载的10%，在两组加载数据中间隔5～10min，读取加载后15min、30min 的数据。在加载试验的环节，保证每小时的沉降量不超过0.1mm，经过连续两次加载以达到稳定性的标准，然后继续进行下一级的加载试验。加载状态见表2，荷载-沉降曲线见图1。

图1 荷载-沉降曲线

表2 各试桩加载及卸载分级

从表格2 以及曲线波动变化关系发现，数据的差异性没有明显的变化特征，故而不能以这种方式确定单桩极限承载力的取值范围，并且两组的数据相差并不大。

在大直径桩体工程中，大多数情况下沉降量以极限承载力为基础，在计算环节需要了解其运行的效果和性能，展开全面的分析和研究。在试桩环节出现桩顶沉降40mm 的情况，A 组Sa1 极限承载力为21000kN，Sa2 的极限承载力为23000kN。在项目实施环节，若采用泥浆护壁的作业方式，其桩体孔径相对较大，现场施工中一旦清孔的效果比较差，内部会存在较多的淤泥，使得桩端阻力难以达到理想的状态，性能和质量不能达到要求，在图1中明显看到了它的变化情况。针对大直径灌注桩，通常不会发生整体性剪切损坏的问题，其损坏的情况是循序渐进的，逐步从小变大。在碎石条件下，表现更明显，所以可以根据需求分析确定桩基沉降的情况，以得出桩基运行的不利因素[2]。

通过图1可以发现，了解单桩极限承载力与桩长的关系，在桩体长度增大的情况下，承载性能也会呈现上升的趋势，可以确保桩体的质量性能符合要求，完全达到桥梁工程的运行标准。摩擦桩承载力由侧桩阻力提供，同时变化情况与侧桩土的位移量有一定联系。由于桥梁上部的荷载在传输土体结构内，桩底部位的荷载小于实际荷载，所以增加桩体长度，桩侧阻力会相对较小，可以不用分析。就当前很多桥梁工程项目来说，设计人员确定设计方案时都会分析桩侧阻力，容易导致桩体长度过长，对于桥梁工程的总体效益方面造成不利的影响[3]。

3.2 发挥桩身轴力与桩端阻力

经过对此次试桩的数据分析，选取其中几项数据展开研究，得出桩端阻力在顶荷载比例数据见表3。

表3 顶荷载比例分析

经过对两组试验桩体的结果分析，了解到不同尺寸桩体的差异，发现其轴力会因为入土深度的增大而减小。如果桩体结构受到的竖向荷载比较小，桩周土会逐步分担上部荷载，导致桩端部位几乎不会受到任何轴力的作用，即桩端轴力为零。在这种情况下，桩身与桩周土在弹性变化状态中，轴力随着深度的增大而呈现出线性递减的趋势。在桩端荷载持续增加的情况下，桩端阻力也会升高，而变化会有滞后性，并不能立即做出反映。Sb1 桩的桩端阻力在总荷载中所占比例相对较多，在该桩体的施工中，成孔环节泥浆护壁厚度过大，造成孔壁上存在不容易滑动的物质，所以桩端阻力占比增加，并且随着泥皮厚度的增大而变化速度减慢，从表3的数据也能得出这一结论[4]。

3.3 确定有效桩长

经过对以上的研究结论进行分析，发现在桩体投入使用后，减小桩土产生位移的状态，在上部荷载向下传输的过程中，桩侧阻力的增加也会随着深度而不断变化，表现出线性变化的趋势。从钻孔灌注桩的运行效果方面展开分析，桩基础结构在承载力方面直接受到尺寸的影响，如果只是增加桩体长度，也不能完全提升单桩的承载力性能。因此，要选择合适的桩体长度，以更好地发挥出钻孔灌注桩的桩侧以及桩端阻力，使得桩体结构的承载性能符合要求，还能够达到经济性的要求，实现综合效益的提升。受到竖向荷载持续性作用，桩基础会存在桩土压缩以及相对位移两种沉降反应。在传输竖向荷载的过程中，单桩极限承载力在达到了某个规定的参数值后，就不会再增加，此时桩体长度就被定义为有效桩长。在钻孔灌注桩施工中，达到了某个深度尺寸后，桩体长度即使再增加，其承载力也不会有大幅度的提升，并且随着桩体长度的不断增加而出现了桩侧阻力减小的变化趋势，且桩侧阻力在某个长度尺寸之下与零非常接近，这时确定有效桩长。

桩基的长度设计达到有效桩长的情况下，桩身即使发生变形的情况下，也不会因为桩体的长度增加而减小。在目前我国的桥梁项目的设计中，为了使得桩体结构达到规定的强度、刚度性能的标准，必须保证桩长符合要求，才能达到桥梁运行的安全性要求。桩侧与桩端阻力是客观存在的，同时也是设计桩体长度的重要考虑因素。桩侧阻力会在桩体长度增加的情况下不断提升，而桩端阻力不会直接影响承载力，主要是受到桩侧阻力的影响。如果曲线表现出变化趋势平缓的状态，其极限承载力就是基本稳定的条件，表示曲线在变化点体现出来的有效桩长。由于在计算有效桩长的阶段中，可以选用的计算方法比较多，且不同类型的方法获取的计算参数存在不同计算结果。当前，在设计过程中，承载力与沉降作为计算基础，进行有效桩长的确定。通过观察静荷载试验分析可了解到，单桩阻力与桩长的关系以二次曲线方式体现，故而针对不同需求的工程项目，桩侧阻力的分布在一定范围内也会受到这种因素的影响出现计算值波动，故而，需要考虑这方面体现出来的差异性[5]。

4 结语

经过试验结论分析发现，两组桩体的承载性能都能满足要求，利用沉降量来控制极限承载力，而对于桩端阻力来说，如果上部的荷载作用趋近于零，那么桩侧阻力就是桩体承载性能的根本。在上部荷载逐步增加的情况下，桩端阻力也会表现出上升的变化趋势，以达到结构性能的稳定标准。同时对于Sb1 桩侧阻力占比较高的因素分析，发现桩侧存在厚度较大的泥皮是重要原因，让桩侧土性质变化，极限摩阻力不断减小。此外，分析单桩承载力与桩长之间存在的关系，经过合理的计算分析以确定有效桩长数据，从而达到桩体长度设计最优化的效果，不仅满足桥梁工程的运行需要，同时还能降低项目建设成本，实现综合效益的提升。