桥梁桩基设计要点研究

文 / 魏吉明

桩基设计直接决定着结构整体的稳定性与承载能力，因此在设计时往往需要秉承严苛的标准，并根据项目实际条件不断优化，设计人员密切联系工程的具体特点，不断完善结构的承载能力分析。但在我国目前的许多工程中，桩基设计受到各种各样的因素影响常常容易出现问题。在这样的背景下，未来桥梁的设计与施工就需要积极引入新理念与新技术，推动设计工作向着科学化、信息化的方向发展，改善桩基和设计的水平。

桥梁桩基的作用

缓解上部结构沉降

桩基是桥梁工程的重要组成，构成了结构传力的主要框架，为了保证桥梁工程整体满足承载力要求，首先应当确保桩基具有足够的刚度。只有桩基具有足够刚度，才能够有效传导、承载上部结构所受的荷载，并缓解由此带来的沉降。所以，桩基能够起到控制结构变形、预防过大位移的作用，为桥梁发挥预期功能提供稳定的条件。

此外，桩基与环境土体之间一般存在空隙，这就导致基础、土体之间会产生摩擦作用，这也有助于分担上部荷载，改善结构整体的稳定性。

降低建设成本

我国基础工程建设得到了极大的促进，桥梁工程的体量与数量也随之发生着提升。在这样的情况下往往不可避免地会遇到复杂地形地势及地质条件，譬如地下水位过高或需要水下作业时，可以将桩基当做桥梁的基础，这不仅有助于提升桥梁工程的施工质量，同时还能够合理配置生产资源，将建设成本控制在可接受的范围内。

抵御自然灾害

作为桥梁工程的特殊组成，桩基的力学表现往往比较突出，具有良好的抗拉能力且能够很好地应对自然灾害的冲击，避免由于自然因素导致的各类耐久及安全问题。

桥梁工程桩基设计要点

桩基选型及间距确定

随着工程建设需求趋于多样化发展，桩基的类型也越来越多，对于不同工程条件及要求下的桥梁工程建设，所应用的桩基往往也存在较大的差异。桩基主要起到承担上部荷载作用，为桥梁交通运输功能的实现建立良好的环境。

总的来看，根据荷载传导方式的不同，桩基可大致分为端承桩及摩擦桩两大类，其中端承桩一般需要伸入到土体较深的位置，且持力层以坚硬稳定的基岩为主，以此来形成稳定、可靠的支撑力。在施工完成后，端承桩的位移及与土体的摩擦都比较小。而摩擦桩则主要应用于土层比较厚的土体中，此外若桩基与硬质土难以贴合时也可考虑采用摩擦桩设计。

对于摩擦桩而言，其上部荷载主要由桩身于土体之间的摩擦力来传导，基岩作用在桩上的反力一般不高。端承桩、摩擦桩的承载能力与侧阻力、阻力以及桩长径比之间存在密切关系。在开展桩基施工时，若桩底伸入到持力层中且桩长径比处于15-20的范围内，则桩侧阻力要先于桩端阻力承担上部荷载；而对于桩长径比小于40且未被软弱土体覆盖的桩，桩端往往处于风化程度较大的土体中，此时则桩端承载力处于较低水平。

除此之外，在开展桩基设计时，还需要对桩间距予以足够重视，过大或过小的间距均会导致桩基承载能力不佳。

桩基承载力计算

承载力是桩基需要关注的首要指标，也是保障工程稳定的根本。在确定桩基承载力时，需要对结构极限支撑能力做出精确计算，并以此为基础来确定施加在桥梁上的最大荷载水平。计算所需的主要公式如下：[P]=（c·A+c·U）R。其中，[P]为桩基的极限承载力，KPa；c、c均为桩基的稳定系数；A为桩基下截面面积，m；U为桩基伸入到岩层中的底面周长，m；h为桩基扣除风化层后伸入岩层的长度，m；R为桩基底岩石的最大抗压强度，KPa。在确定桩基极限承载力时，技术人员应当严格遵照上式完成计算，特别需要注意补充条件的选用，确保最终计算数据的准确可靠。

桩基负摩阻力

1.负摩阻力的成因

在计算桩长时，所考虑的摩擦力均为正摩擦力，即指桩体沉降量大于附近土体沉降量时，桩身受到土体的向上作用。桩侧摩阻力的作用方向可通过桩体及附近土体的相对沉降量来判断，特别是在软土中受到土体自重及上部荷载的影响往往会发生比较显著的沉降现象，若其超出相应的限值，则土体作用于桩身的摩阻力就将改变方向，构成向下的负摩阻力。所以，在设计桩基时，应当对负摩阻力的影响予以充分考虑，并且根据计算结果不断优化桩基的设计方案，减弱其不利影响。

2.负摩阻力的分布及计算

在实际的桥梁工程中，负摩阻力在桩身上可能产生的位置比较多，但值得注意的是负摩阻力不仅仅出现在软弱土层中。受到桩基附近土体沉降的影响，正摩阻力沿桩身呈现出上大下小的分布，一般负摩阻力最早产生于桩顶处。在荷载长期作用下，土体沉降现象会持续增大，因此负摩阻力的分布也就不断向下发展，由此形成上部负摩阻力、下部正摩阻力的分布。

在摩阻力值为零的位置即为中性点，正负摩阻力在该处相互抵消。在中性点位置以上的区域，土体沉降要高于桩体，因此桩身受到土体向下的作用，为负摩阻区；同样地，在中性点之下的区域，土体沉降要小于桩体，因此桩身受到土体向上的作用，为正摩阻区。实践表明，中性点的具体位置受到多重因素的影响，譬如土体性质、水文地质、桩径桩长等，中性点深度的标准为：粘土时选用0.5～0.6m，中密以上砂土时选用0.7～0.8m，卵砾石土时选用0.9m，基岩时选用1m。

嵌岩深度

嵌固深度的确定需要重点考虑桩基荷载的水平，并综合水平及竖向荷载两个方面的影响。其中竖向荷载主要由结构自重及活载组成，譬如在桥梁工程中若基岩的单轴抗压强度高于15MPa，则在设计时可不过多考虑竖向荷载的影响，而将水平荷载分析作为重点，以确定最佳的嵌固深度。

1.桩基长，覆盖层厚

若建设地存在土层厚度过大的基岩，则该桩基的弯矩最大区段可以认为是出现在覆盖土层内，且由覆盖土层负担大部分的弯矩与剪力。这一力学特性也就导致桩基对于嵌固桩的握裹力比较有限。所以，若在设计时涉及到桩基长且覆盖层厚的情况，则需要充分考虑桩基尺寸、土体厚度等的影响，并将嵌岩桩的深度控制在0.5—1.5m的范围内。

2.桩基短，无覆盖层

若建设地的覆盖层比较薄且基岩埋深比较浅，那么嵌岩桩即可被视为刚性桩，其所能承受的水平荷载主要根据嵌岩桩的埋置深度来确定，具体计算式为：h=（MH/0.066βRaD）。其中：h为嵌岩桩的埋置深度；M为基岩的顶面弯矩；β为计算系数；Ra为基岩的单轴抗压强度；D为钻孔桩的设计桩径。

桥梁桩基设计时需考虑的问题

实地地质勘察

桩基对于桥梁工程整体功能的实现有着至关重要的影响，且在不同工程条件下所需考虑的影响因素也存在一定差异，因此在设计工作正式开始前应当实地对建设地质条件进行勘察，并形成具体全面的勘察报告。特别地，对于施工过程中出现的各类地质条件变化，也应及时做出研判其影响，灵活调整设计方案，基于勘察数据做出准确的设计变更。实地勘察的内容应至少包括地形地势变化、地层厚度、土体硬度等。

确保桩基基本性能的实现

只有确保桩基设计具有足够的科学性与可行性，桥梁结构才能发挥出预期的承载能力，将结构维持在稳定可靠的状态下。所以在设计时需要兼顾的影响因素的比较复杂，需要协调好不同因素之间的相互作用，选择最佳的桩型、桩径及桩长等参数。需要特别注意的是，桩基的承载能力及基底反力计算都是决定桩基性能的关键，在设计过程中应当反复比选不同设计方案，综合比对选择最佳的方案，使得桩基能够实现良好的荷载传递能力，在横向与竖向荷载的组合作用下保持原有的性能。除此之外，设计人员还应当保证桩基具备良好的抗弯能力。

选择合适的桩型及分布

经过长期的发展，桩基的类型已经得到了充分的发展，譬如预制桩、沉管灌注桩等都已经形成了比较成熟的技术体系。但在实际的设计与应用中，桩基的类型及其分布都需要结合工程实际情况来选定，并考虑好现场作业条件、上下结构性能等来进行进一步的优化。

结语

我国交通运输正处于快速发展的阶段，人们对于桥梁工程建设的要求也越来越高。桩基作为桥梁工程的重要组成部分，其设计环节影响着桥梁项目整体的性能。所以这也就需要技术人员能够明确桩基的基本作用，并能够掌握桩基设计的要点，能够根据实际工程条件考虑承载能力、负摩阻力及嵌固深度等重要指标。同时，设计工作也应当体现桩基与上部结构之间的协调性与一致性。