桥梁设计中的桩基设计探析

陈建云

（福州市规划设计研究院集团有限公司，福建 福州 350001）

无论何种形式的桥梁设计方案，桩基都是重要组成部分，当前，多样化的桥梁基础类型中桩基凭借良好的承载能力、稳定性等得到广泛应用。同时，桩基在施工过程中成本、技术难度等相对较低，具有较强的适应性，可以满足大范围地质条件施工要求。然而，为了保证工程质量，桩基在设计过程中需要考虑其受力机理，围绕桥梁工程设计方案，科学编制桩基设计思路，包括科学选择桩基类型、设计桩基间距、计算桩基的承载力等，如此才能确保桥梁结构安全、稳定。因此，桩基设计在桥梁中占据不可忽视的重要地位，开展相关研究具有现实意义。

1 桥梁工程阐述

为了更全面地阐述桥梁设计中的桩基设计重要性和要点，本文以XX 市区的XL 大桥工程为研究对象展开分析。该桥梁工程是该区域高架路的一部分，全长1 756.7m，宽度按照标准高架路要求进行设计，超过75m。桥梁工程全线由3 部分组成，分别是1 座高架桥、2 座匝道桥和1 座地面桥。工程位于我国东南部的亚热带季风海洋气候区域，空气较为湿润，且全年雨水较多，整体土质相对较软。基于气候因素、地质条件等影响，桥梁工程设计如下：上部结构采用预应力连续箱梁和预制箱型板为主要结构，桥梁的宽度和长度存在跨径组合情况。从桥梁施工整体区域地貌、地层、地质等条件分析，桩基设计是重点工序。工程综合成本、质量、安全性、稳定性等方面思考，确定采取钻孔桩和柱式墩两种方式作为支撑，其中钻孔桩桩径最高为1.5m，最低为1.2m，桩长接近55m；柱式墩以钻孔灌注桩为基础，约设置60根桩，桩长接近52m，桩径在1.2～1.8m 范围内。采用的桩基设计方式与施工地点的地质结构有关，施工区域内涉及填土、黄灰-灰色黏土、粉土等土质类型，还存在孤石等情况，复杂的地质条件再加上地下水等影响均会对施工产生干扰，此时施工中还需要关注防水情况，否则会影响后续使用寿命和使用质量。

2 地质勘探和桩基竖向力产生机理

2.1 地质勘探

通过系统地开展桥梁工程地质勘探工作为桥梁工程桩基设计奠定基础。在地质勘探过程中，先对地质、土层划分、岩溶情况等进行了解，明确各区域桩基设计的注意事项和分布规律。然后，借助现代化技术对岩石分布、地下水位、地下水分布等进行勘探，为后续提供参考依据。最后，针对桥梁工程设计方案对桩基的设置分布进行勘探，采用钻孔+物探方式全面了解桩基施工位置的地质条件和地下水位。经过勘探可知，工程区域土层包括黄灰-灰色黏土、粉土、青灰-灰黄粉质黏土、黄灰-青灰黏粉土等，地下水位常年为1.3m，最高地下水位接近3.4m，还存在孤石。

2.2 桩基竖向力产生机理

桩基由于上部荷载与土体荷载的共同作用出现相对位移情况，同时由于桩基自重与上部荷载的影响，随着时间的积累，桩基会逐步下沉，此时对土体产生剪切力，当剪切力达到最大时，剪应变持续增加，但剪应力不再变化，就会导致桩基承受荷载变大，进而影响其质量和功能发挥。另外，桩与土体之间的相对位移可按照3 部分进行分析：第一，桩身压缩变形。通常变形集中在桩底和桩周上，桩身变形较小，以桩长25m、直径1.2m 的空心板桩为例，桩身形变量仅为2mm，可以忽略不计。第二，桩底沉降变形。该沉降产生与钻孔桩施工技术有关，钻孔时清孔不彻底导致内部留有残渣，随着时间的积累，以及受到桩基自重和上部结构荷载的影响，可出现约为0.1～0.2m 的沉降变形。第三，桩周沉降变形。桩周在实际应用中也会受到自身重量和上部结构荷载的干扰，进而出现沉降变形问题，且变形量与桩底相似，相对桩身压缩形变更为明显。

3 桥梁工程桩基设计

3.1 桩基类型选择、间距设计

桥梁桩基按照上荷载的传播路径可分为端承桩和摩擦桩两部分，其中端承桩适用于硬质基岩施工场景，可深入土层并布设在基岩上，依托基岩良好的支撑能力保证桥梁结构稳定性，相对摩擦桩而言，端承桩桩体更少出现相对位移等现象。摩擦桩适用于土层较厚、桩基长度难以抵达硬质土层等场景，其主要依靠桩身、桩周土层的摩擦力保证结构稳定性，该桩型桩端土层和基岩反力相对较小。结合对两种桩基类型的分析，在实际应用过程中应基于地质条件等科学选择桩基类型。

同时，端承桩和摩擦桩桩端阻力、侧阻力与桩长径比值存在关联，但桩长径比值在15～20 范围内，且桩底位于持力层时，桩侧阻力先发挥作用；当桩长径比值高于40、没有软弱土层覆盖且桩端嵌入中强风化层时，端承桩桩端承载力相对较小，在选择桩基类型时也需要注意这一问题。

另外，桥梁桩基设计中的间距是思考要点。设计中需要结合邻桩施工影响确定最小间距范围，避免出现群桩效应。如果设置的桩间距过大，会影响桩基荷载承载力，进而影响桥梁的稳定性；如果桩间距过小，不仅会增大施工成本，也会导致施工难度增大。因此，科学设置桩间距是重要任务。桥梁桥台需要采用“群桩+大承台”设计形式，从而确保各桩身、桩基之间互补，提升安全性和稳定性，该区域桩间距应基于桩径进行思考，一般应控制在桩径的6～8 倍范围内，其中最小间距必须高于桥头直径的3.5 倍。

3.2 桩基承载力

桥梁桩基在桥面支撑中发挥着重要作用。因此，为了保证安全，在设计最初需要计算桩基承载力、最大支撑能力等，取得桥梁所能承受的最大荷载，验证其是否满足实际需求，为后续施工建设奠定基础。计算桩基承载力的公式如下：

式中，[P]为所能承载的最大荷载值； (c1、c2U代表桩基稳定系数；A 为桩基底截面积；U 为桩基插入岩层内底面周长；h 为桩基去除风化层之后插入岩层的深度；)Ra为桩基底岩石基线抗压强度。计算过程中，以公式（1）为基础，且需要明确各参数，如果忽略其中部分数值，会影响最终结果的准确性，容易产生设计缺陷。

除此之外，在计算过程中，上述各参数也会受到自然因素、水文条件等影响，在计算中除了关注公式本身涵盖的参数外，还要注重实际情况，如此才能保证设计符合规范要求，达到质量标准。

3.3 桩基负摩阻力

3.3.1 产生原因

桩长计算中涉及的摩阻力是周围土体沉降低于桩体沉降时土体对桩体施加的向上摩阻力，也被称为正摩阻力。桩侧摩阻力的方向与桩体、周围土体相对位移方向有关。对于桥梁工程，桩基在软土范围内必然会因自重、荷载等出现沉降变形现象，且土体也会随之发生变形沉降。一旦土体沉降量高于桩基沉降量，就会对桩基形成向下的摩阻力，也就是负摩阻力。

如果忽略软土负摩阻力的影响，按照公式（1）进行计算，确定的桩基承载力符合标准要求，但实际应用过程中，无法忽略软土负摩阻力的干扰，因此，计算中必须考虑这一内容带来的影响。通常容易出现桩基负摩阻力的情况主要集中在地表桥梁、桥台路基填土量大，荷载量大；地下水抽取严重、土体自重导致的沉降严重等方面，在桩基设计时需要重点关注。

3.3.2 分布和计算

桩基负摩阻力并不完全来自软弱基层，在桩周压缩沉降下，桩身正摩阻力减小也会导致桩顶出现负摩阻力，土体沉降变形日益严重，负摩阻力的作用范围也会随之下移，当正摩阻力与负摩阻力相互抵消时，这一位置被称为中性点，此时桩侧摩阻力为0。中性点以上，由于土体沉降大于桩基沉降，所以，受负摩阻力影响，中性点以下正好相反为正摩阻力影响范围。基于此，在计算过程中准确判断中性点的位置是关键。

中性点位置会受到多种因素干扰，如桩底持力层硬度、桩周土体力学属性等，一般情况下，桩底持力层硬度越大，中性点越深；桩周土体硬度越大，中性点越深。在确定桥梁桩基中性点深度时，可参考表1 取值。

表1 中性点深度取值范围

围绕上述分析，为了确保计算结果符合实际，在上述式子基础上，将负摩阻力融入其中，形成如下公式。

上述式中，σξn为桩周土负摩擦力系数、σ为桩周竖向有效应力值、qn为桩基负摩阻力、F 为桩基各地层负摩阻力和、n 为负摩阻力生产的土层数、D 为桩径、z 为生成土层厚度。其中，σξn的取值范围见表2。

表2 桩周土负摩擦力系数取值范围

3.4 嵌岩深度

这一深度与桩基荷载存在联系，桥梁桩基荷载包括两方面内容，其中水平荷载和竖向荷载均发挥重要作用。竖向荷载由桥梁结构自重和活荷载作用产生，但是，一旦基岩单轴抗压强度低于15MPa，则可以忽略竖向桩基荷载。本文研究的工程案例已经超出这一范围，所以，在分析过程中可以忽略竖向荷载，只考虑水平荷载的影响即可。

由于基岩土体厚度较大，桩基在设计过程中为了保证自身功能效果，会保证弯矩值最大段在土层覆盖范围内，进而确保大部分的弯矩和剪力被土层承担，降低基地嵌岩对桩身的握裹作用。而在考虑嵌岩深度过程中，土层属性、软土厚度、桥梁结构等也会对其产生干扰，因此，需要综合多方面因素进行计算设计，如果覆盖土层较深厚，需要确保嵌岩桩在0.5～1.5m 范围内。

另外，在桥梁实际设计中还存在桩基较短、无覆盖层的问题。此时基岩掩埋深度较浅，嵌岩桩为刚性桩，水平荷载全部来源于嵌岩桩深度。在计算嵌岩深度时应按照刚性桩桩基的计算方法进行验证，且确保参数符合国家相关规范文件要求。

3.5 桩端持力层厚度

嵌岩桩和支承柱要想保证自身承载效果，都需要强度较大的持力层提供助力。结合工程相关设计思路来看，有岩层存在且由于自然气候等因素干扰，岩石类型、风化情况等存在差异，此时需要结合不同强度的岩石类型、风化产物等进行详细计算。通常强度在20～200MPa 范围内的硬质岩符合嵌岩桩桩基强度条件。基于此，本文在设计过程中需要结合岩石类型进行分析，由于本文工程地质条件中涉及硬质岩弱风化层和硬质岩弱风化层，一旦设计不合理，嵌入设计存在不足，不仅会影响稳定性，增大施工难度，还会延长工期。综上，在嵌岩桩设计中，从岩层的裂隙发育情况、岩石强度等入手判断其桩基竖向应力要求，在符合竖向应力要求前提下，选择硬质岩弱风化层设计嵌岩桩持力层有积极作用。

4 结语

综上所述，桥梁设计桩基是不可忽视的主要组成之一，对桥梁的安全性和稳定性有直接影响。因此，桩基设计是桥梁设计中的重点内容，也是当前岩土工程施工建设的热点研究话题。在桥梁桩基设计中，桩体、土体之间的作用机理不可被忽视。