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公路桥梁桩基设计应注意的问题
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摘 要：桥梁桩基设计直接关系到桥梁施工质量和工程造价。就公路桥梁桩基设计中的一些问题进行初步探讨。
关键词：桥梁桩基；设计；桩基承载力
桥梁上部结构荷载通常较大，后期质量稳定、承载能力高的钻孔灌注桩往往成为绝大多数桥梁工程首选的基础形式。桥梁桩基的设计是否得当，对工程造价、质量、工期及使用影响很大。笔者结合工作实践，就桩基设计中的一些问题进行初步探讨。
1 正确区分端承桩和摩擦桩等桩基类型
通常认为，凡嵌岩桩必为端承桩，凡端承桩均不考虑土层侧阻力。实际上，大量现场结果表明：桩侧阻力、端阻力的发挥性状与上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质和嵌岩深径比、桩底沉渣厚度等因素有关。
一般情况下，上覆土层的侧阻力是可以发挥的，而且随着长径比l/d的增大，侧阻力也相应增大；只有短粗的人工挖孔嵌岩桩，端阻力先于土层侧阻力发挥，端阻力对桩的承载力起主要作用，属端承桩。对l/d>15-20的泥浆护壁钻(冲)孔嵌岩桩，无论是嵌入风化岩还是完整基岩中，桩侧阻力均先于端阻力发挥，表现出明显的摩擦型。对于l/d≥40，且覆盖土层不属于软弱土，嵌岩桩端的承载作用较小，此时桩基受力状态为摩擦桩，桩端嵌入强风化或中风化岩层中即可。在某些地区，泥质软岩嵌岩灌注桩l/d>45时，嵌岩段总阻力占总荷载比例小于20%；l/d>60时，嵌岩段端阻力占总荷载比例小于5%。究其原因，一方面由于嵌岩桩桩身的弹性压缩，导致桩顶沉降，这个弹性压缩量引发了桩周土体的剪应力，也即是土对桩的摩阻力。另一方面，钻孔桩的孔底残留的沉渣，形成一个可压缩的软垫，至使桩底也会产生沉降，这一沉降和上述桩本身的压缩导致桩身与土体、嵌岩段桩身与岩体产生相对位移，从而产生侧阻力。而这种桩身弹性压缩和桩底沉降是随着长径比l/d的增大而增大的，因而导致摩擦力和侧阻力的增大。
同时，传递到桩端的应力也随嵌岩深径比hr/d的增大而减小。当hr/d>5时传递到桩端的应力接近于零；但对泥质软岩嵌岩桩，hr/d=5-7时，桩端阻力仍可占总荷载的5%～16%。
由此可见，端承桩和摩擦桩的区分，不能单纯从是否嵌岩来区分，要考虑上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质、嵌岩深径比和桩底沉渣厚度等因素。
2 科学计算桩基承载力
桩基承载力的计算是桥梁设计的重要内容。关于承载力的计算公司，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)给出了明确的规定：支承在基岩上或嵌入基岩内的钻(挖)桩，其单桩轴向受压容许承载力［Р］，可按下式计算：
［Р］ ＝（c1 A+c2 U h）Ra
Ra——天然湿度的岩石单轴极限抗压强度
h——桩嵌入基岩深度，不包括风化层
U——桩嵌入基岩部分的横截面周长，按设计直径计算
A——桩底截面面积
c1、c2——根据清孔情况、岩石破碎程度等因素确定的系数
公式表明：嵌岩桩的单桩轴向受压容许承载力［Р］，仅取决于桩底处岩石的强度和嵌入基岩的深度，以及清孔情况、岩石破碎程度等因素。根据规范描述，通常认为只要是嵌岩桩，就是端承桩，就适用于这个公式。实际上，只有在嵌岩桩在清孔绝对干净，桩底处于理想支撑，桩底岩石完整且强度很高时，桩的竖向位移很微小，桩基才表现为典型的端承桩，公式的使用是无可争议的。实际工程中，只有当桩基长径比较小，土层侧阻力占比例不大时，桩基主要表现为端承桩的特征，公式才可使用。
公式中对“h”的要求是“桩嵌入基岩的深度，不包括风化层”。通常的理解是桩必须嵌入新鲜基岩，而不论其上面风化岩层的强度如何。有的强风化硬质岩(如花岗岩)，其极限强度往往大于极软岩新鲜岩的强度。说明一般硬质岩的微弱风化层、甚至强风化层的强度都相当高，不考虑这些层次的嵌岩深度，一律要求嵌入新鲜基岩是不妥的。按照这个原则，在风化层很厚的情况下，桩基嵌岩很深。在设计上，必然导致计算承载力［Р］远小于实际极限承载能力Р；在施工上，则会导致工程量的增大，工期的延长。
工程试验证明，当岩面较平整，桩的嵌岩深度h>2d时，桩侧嵌固力约占总荷载50%以上。随着嵌固深度增加，承载力也随之增大。但嵌固深度h>3d时，承载力增长不大。公式中没有对h规定限值，也没有随h值增大而设定相关的折减系数。因此，在桩基设计实践中，当桩基承载力需要通过较大的嵌岩深度来提高时，不妨考虑加大桩径。 3 准确确定嵌岩深度及桩端持力层厚度
桥梁工程桩基设计中，经常会遇到两软弱岩层之间穿越强度很高的一定厚度的岩层(夹层)，或者有些地区溶洞比较发育。如果这种夹层厚度不够承载厚度要求，钻孔桩就需要穿越夹层，以达到持力层，这对施工机械和施工进度都是极大的考验。
对桩底基岩厚度的确定，主要有三个条件：(1)不考虑桩身周围覆盖土层侧阻力，嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度，按构造要求0.5m；(2)要求桩底以下3倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布；(3)在桩端应力扩散范围内无岩体临空面。对于一般夹层，只要满足前两个条件即可作为持力层。对岩溶地区桩基，由于岩体形状奇特多变，岩溶洞隙的分布毫无规律，现有勘探手段难以事先查明它的准确位置及大小，导致工期延长、工程费用增加。基于计算所需的边界条件十分复杂，而岩溶地基比一般岩石地基影响因素更多，以前通常要求桩端下有4m、5m或5倍桩径持力层厚度，对于不同桩径、不同的单桩承载力，如果同样要求基桩端面以下有5m完整基岩，两者的可靠度是不尽相同的。为使桩基设计经济合理，应根据经验值和试算数值相结合的方法来确定嵌岩深度及桩端持力层厚度。
4 采取合理的桩基配筋布置
基桩各截面的配筋，理论上应根据桩基内力进行计算布置。桩基内力可采用m“法或其他有可靠依据的方法计算。按m”法计算桩基时，桩身弯矩有四个特点。(1)弯矩分布规律近于一条自顶向下衰减的波形曲线，且衰减很快；(2)桩身最大弯矩发生在第一个非完整波形内，一般在地面以下约3m位置；(3)桩身弯矩在第一个弯矩零点以下很小，可以忽略不计，其下桩身主要起传递竖向力作用；(4)第一个弯矩零点位置在桩入土深度h=4/αh处。
在设计中通常有两种钢筋布置方式。一种是根据最大弯矩处进行配筋。从桩顶一直伸到最大弯矩一半处下一定锚固长位置，减少一半配筋再一直伸至弯矩为零下一定锚固长位置，再下为素混凝土段，对于软基，桩主筋最好穿过软土层。另一种是将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。从桩体受力和节省工程费用以及发生事故处理的难度来看，前一种更合理。这是因为：由于桩基较长一段不设钢筋，比后者节省了部分钢筋；底部断桩时，钢筋笼拔出后，可原孔再钻，减少扁担桩发生机率。但是，第二种配筋方式可以减小施工难度，桩基灌注混凝土时，钢筋笼的定位是十分重要的，钢筋布置到桩底，易于固定钢筋笼。
参考文献
［1］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.
［2］黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究［A］.全国建筑桩基技术规范专题报告，2004.
［3］黄良正.关于桥梁嵌岩桩设计的探讨［J］.公路科技杂志，2003，(1). 来源: 《建筑中文网》.
关键词：桥梁桩基；设计；桩基承载力
桥梁上部结构荷载通常较大，后期质量稳定、承载能力高的钻孔灌注桩往往成为绝大多数桥梁工程首选的基础形式。桥梁桩基的设计是否得当，对工程造价、质量、工期及使用影响很大。笔者结合工作实践，就桩基设计中的一些问题进行初步探讨。
1 正确区分端承桩和摩擦桩等桩基类型
通常认为，凡嵌岩桩必为端承桩，凡端承桩均不考虑土层侧阻力。实际上，大量现场结果表明：桩侧阻力、端阻力的发挥性状与上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质和嵌岩深径比、桩底沉渣厚度等因素有关。
一般情况下，上覆土层的侧阻力是可以发挥的，而且随着长径比l/d的增大，侧阻力也相应增大；只有短粗的人工挖孔嵌岩桩，端阻力先于土层侧阻力发挥，端阻力对桩的承载力起主要作用，属端承桩。对l/d>15-20的泥浆护壁钻(冲)孔嵌岩桩，无论是嵌入风化岩还是完整基岩中，桩侧阻力均先于端阻力发挥，表现出明显的摩擦型。对于l/d≥40，且覆盖土层不属于软弱土，嵌岩桩端的承载作用较小，此时桩基受力状态为摩擦桩，桩端嵌入强风化或中风化岩层中即可。在某些地区，泥质软岩嵌岩灌注桩l/d>45时，嵌岩段总阻力占总荷载比例小于20%；l/d>60时，嵌岩段端阻力占总荷载比例小于5%。究其原因，一方面由于嵌岩桩桩身的弹性压缩，导致桩顶沉降，这个弹性压缩量引发了桩周土体的剪应力，也即是土对桩的摩阻力。另一方面，钻孔桩的孔底残留的沉渣，形成一个可压缩的软垫，至使桩底也会产生沉降，这一沉降和上述桩本身的压缩导致桩身与土体、嵌岩段桩身与岩体产生相对位移，从而产生侧阻力。而这种桩身弹性压缩和桩底沉降是随着长径比l/d的增大而增大的，因而导致摩擦力和侧阻力的增大。
同时，传递到桩端的应力也随嵌岩深径比hr/d的增大而减小。当hr/d>5时传递到桩端的应力接近于零；但对泥质软岩嵌岩桩，hr/d=5-7时，桩端阻力仍可占总荷载的5%～16%。
由此可见，端承桩和摩擦桩的区分，不能单纯从是否嵌岩来区分，要考虑上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质、嵌岩深径比和桩底沉渣厚度等因素。
2 科学计算桩基承载力
桩基承载力的计算是桥梁设计的重要内容。关于承载力的计算公司，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)给出了明确的规定：支承在基岩上或嵌入基岩内的钻(挖)桩，其单桩轴向受压容许承载力［Р］，可按下式计算：
［Р］ ＝（c1 A+c2 U h）Ra
Ra——天然湿度的岩石单轴极限抗压强度
h——桩嵌入基岩深度，不包括风化层
U——桩嵌入基岩部分的横截面周长，按设计直径计算
A——桩底截面面积
c1、c2——根据清孔情况、岩石破碎程度等因素确定的系数
公式表明：嵌岩桩的单桩轴向受压容许承载力［Р］，仅取决于桩底处岩石的强度和嵌入基岩的深度，以及清孔情况、岩石破碎程度等因素。根据规范描述，通常认为只要是嵌岩桩，就是端承桩，就适用于这个公式。实际上，只有在嵌岩桩在清孔绝对干净，桩底处于理想支撑，桩底岩石完整且强度很高时，桩的竖向位移很微小，桩基才表现为典型的端承桩，公式的使用是无可争议的。实际工程中，只有当桩基长径比较小，土层侧阻力占比例不大时，桩基主要表现为端承桩的特征，公式才可使用。
公式中对“h”的要求是“桩嵌入基岩的深度，不包括风化层”。通常的理解是桩必须嵌入新鲜基岩，而不论其上面风化岩层的强度如何。有的强风化硬质岩(如花岗岩)，其极限强度往往大于极软岩新鲜岩的强度。说明一般硬质岩的微弱风化层、甚至强风化层的强度都相当高，不考虑这些层次的嵌岩深度，一律要求嵌入新鲜基岩是不妥的。按照这个原则，在风化层很厚的情况下，桩基嵌岩很深。在设计上，必然导致计算承载力［Р］远小于实际极限承载能力Р；在施工上，则会导致工程量的增大，工期的延长。
工程试验证明，当岩面较平整，桩的嵌岩深度h>2d时，桩侧嵌固力约占总荷载50%以上。随着嵌固深度增加，承载力也随之增大。但嵌固深度h>3d时，承载力增长不大。公式中没有对h规定限值，也没有随h值增大而设定相关的折减系数。因此，在桩基设计实践中，当桩基承载力需要通过较大的嵌岩深度来提高时，不妨考虑加大桩径。 3 准确确定嵌岩深度及桩端持力层厚度
桥梁工程桩基设计中，经常会遇到两软弱岩层之间穿越强度很高的一定厚度的岩层(夹层)，或者有些地区溶洞比较发育。如果这种夹层厚度不够承载厚度要求，钻孔桩就需要穿越夹层，以达到持力层，这对施工机械和施工进度都是极大的考验。
对桩底基岩厚度的确定，主要有三个条件：(1)不考虑桩身周围覆盖土层侧阻力，嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度，按构造要求0.5m；(2)要求桩底以下3倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布；(3)在桩端应力扩散范围内无岩体临空面。对于一般夹层，只要满足前两个条件即可作为持力层。对岩溶地区桩基，由于岩体形状奇特多变，岩溶洞隙的分布毫无规律，现有勘探手段难以事先查明它的准确位置及大小，导致工期延长、工程费用增加。基于计算所需的边界条件十分复杂，而岩溶地基比一般岩石地基影响因素更多，以前通常要求桩端下有4m、5m或5倍桩径持力层厚度，对于不同桩径、不同的单桩承载力，如果同样要求基桩端面以下有5m完整基岩，两者的可靠度是不尽相同的。为使桩基设计经济合理，应根据经验值和试算数值相结合的方法来确定嵌岩深度及桩端持力层厚度。
4 采取合理的桩基配筋布置
基桩各截面的配筋，理论上应根据桩基内力进行计算布置。桩基内力可采用m“法或其他有可靠依据的方法计算。按m”法计算桩基时，桩身弯矩有四个特点。(1)弯矩分布规律近于一条自顶向下衰减的波形曲线，且衰减很快；(2)桩身最大弯矩发生在第一个非完整波形内，一般在地面以下约3m位置；(3)桩身弯矩在第一个弯矩零点以下很小，可以忽略不计，其下桩身主要起传递竖向力作用；(4)第一个弯矩零点位置在桩入土深度h=4/αh处。
在设计中通常有两种钢筋布置方式。一种是根据最大弯矩处进行配筋。从桩顶一直伸到最大弯矩一半处下一定锚固长位置，减少一半配筋再一直伸至弯矩为零下一定锚固长位置，再下为素混凝土段，对于软基，桩主筋最好穿过软土层。另一种是将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。从桩体受力和节省工程费用以及发生事故处理的难度来看，前一种更合理。这是因为：由于桩基较长一段不设钢筋，比后者节省了部分钢筋；底部断桩时，钢筋笼拔出后，可原孔再钻，减少扁担桩发生机率。但是，第二种配筋方式可以减小施工难度，桩基灌注混凝土时，钢筋笼的定位是十分重要的，钢筋布置到桩底，易于固定钢筋笼。
参考文献
［1］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.
［2］黄求顺.嵌岩桩承载力的试验研究［A］.全国建筑桩基技术规范专题报告，2004.
［3］黄良正.关于桥梁嵌岩桩设计的探讨［J］.公路科技杂志，2003，(1). 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200902/12399.htm
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