公路桥梁桩基设计要点分析

摘要：随着人民生活水平的日益提高，人们对出行的安全性和合适性也越来越重视，这就对公路桥梁的设计提出了更高的要求，而公路桥梁的桩基设计是整体工程优劣的关键，如何做好桩基设计这个问题就变得尤其的重要。本文就对公路桥梁的桩基设计进行了分析。

关键词：公路 桥梁 桩基设计 分析

中图分类号： U448 文献标识码： A

引言：将通过桩基的设计内容和原则、理论与方法以及桩型的选择等方面对公路桥梁的桩基设计进行先要的分析。

2 公路桥梁桩基设计内容和设计原则

在许多情况下，要对桩基施工时的不良环境效应进行评估。为了作出高水平的桩基设计，应该遵循以下的设计原则：

（1）设计前进行必要的基本情况调查。

（2）认真选定适用的、简便可行而又可靠的设计方法，认真测定和选用有代表性的而且可靠的原始参数。

（3）确定桩的设计承载力时应考虑到容许沉降量。

（4）设计桩基时应遵循和执行有关技术规范的规定，但在某些特殊情况下应该灵活对待和处理。

3 公路桥梁桩基设计计算理论与方法

3.1 分析方法

在公路桥梁桩基设计中，首先就要面临一人分析方法的选择问题，在桩基设计的实践中，现行的有两种方法。

3.1.1 结构力学方法

结构力学方法是最早采用的方法，它是将整个结构平衡体系分割成上部结构、基础和地基三个部分，不考虑它们的共同作用，各自独立求解。这种分析方法在计算手段不发达的早期是唯一可行的，但其解算结构与实际情况不符。它只满足了总荷载与总反力的静力平衡条件，却完全未能考虑上部结构与基础之间连接点和基底与土介质之间的接触点上位移的连续条件，从而导致结构内力与变形和基础内力与变形均与实际发生偏离。

3.1.2 上部结构、桩和地基视为整体分析

这种方法比较真实地反映建筑物与桩基的实际受力状态，但对计算机容量提出了更高的要求。为了解决计算机容量问题，现实在考虑共同作用的整体分析中，多采用子结构法及波前法等，前者对于桩基的分析较为有效。

3.2 设计理论

关于公路桥梁桩基的设计计算理论，主要有两种类型，一种是基于容许应力理论的定值设计法；另一种是以概率理论为基础的极限状态设计法。

3.2.1 定值设计法

定值设计方法是传统的桩基设计方法，该法是将荷载和抗力看成不变的定值，根据经验确定的安全系数来度量桩基的可靠度，这与实际情况是不大相符合的。实际上，荷载、承载力、变形参数的实测值都不是定值，而是具有变异性和不确定性的随机变量，因此，定值设计方法存在着两个主要的缺点：一是对所设计对象的可靠度实际上是不明确的；一是在采用相同安全系数条件下，不同地质条件、不同桩基形式（单桩或群桩）、不同桩型、不同成桩工艺和不同性质荷载下的桩基，其实际可靠度是不同的。当然，定值设计法之所以能在长时间内被作为常规方法使用，自有其可取之处，例如它较为简单实用，也并非全靠经验决定问题，它靠限制应力来间接地控制地基沉降量，靠现场桩静载试验确定容许承载力及相应的沉降等作法，实践证明还是合理和科学的。

3.2.2 极限状态设计法

桩基概率极限状态设计法系以可靠指标度量桩基的可靠度，采用以分项系数的极限状态设计表达式进行计算。它运用概率分析方法，对桩基的可靠性（安全度）给出科学的度量，明确地提出了可靠度的定义和可靠指标的计算公式，对桩基的可靠概率作了近似的相对估计，改变了过去采用定值安全系数时主要依靠经验的做法。桩基概率有限状态设计包含两个方面的内容：一是桩基的承载力取不发生破坏或因变形过大无法继续承载的最大值，变形（或裂缝）限制在不影响正常使用和耐久性的限值以内；二是以概率理论为基础，对荷载效应、抗力进行统计分析的基础上，使桩基的失效概率符合规定的限值，即达到一定的可靠度。考虑到若直接采用目标可靠指标来进行桩基设计，由于计算太繁琐，故该法系采用以各基本变量的标准值和分项系数表达式的实用设计表达式来进行设计。而标准值和分项系数的取值均以概率方法确定，这样，设计人员无需进行概率方面的分析运算，仍可按传统的方式进行桩基设计。

4 桩型的选择

在公路桥梁的桩基设计中，桩型与工艺选择应根据荷载性质、桩的使用功能、穿越土层、桩端持力层土类、地下水位、施工设备、施工环境、施工队伍水平和经验以及制桩材料供应条件等，选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。

4.1 荷载条件

荷载是选择桩型时首先要考虑的条件，荷载的大小、性质、作用方向和施加方式等都密切地关系着桩型的选择。例如对于要求单桩设计承载力为2000KN的情况，一般只有人工挖孔桩、钻孔扩底灌注桩、预应力管桩以及贝诺特灌注桩和内击扩底沉管灌注桩等几种桩型可以满足要求。当然，荷载条件只是对桩型的选择给予一定范围的控制，桩型的最后选定还要考虑其它一些因素。

4.2 地质条件与环境条件

地质条件是桩型选择要考虑的一个很重要的因素，桩型的选择要求所选定的桩种在该地质条件下是安全的，能符合桩基设计对于桩承载力和沉降的要求。符合这样的要求的桩型可能不只是一种，这就要加上其他条件的限制，例如所选定的桩型能够最大限度地发挥土耳其和桩身的潜在能力，在该地质与环境条件下是可以施工的，最后还要考虑施工质量是否有保证和经济性等。此外，桩的破坏模式与地质条件有关，因而也影响桩型的选择。

4.3 施工条件

除了上述两点的限制条件，还要充分考虑到桩基施工的可行性，即在既定的地质条件和环境条件下，所选定的桩型是否能利用现有施工条件（设备与技术水平、工期等）达到设计要求，以及现场环境是否允许该施工艺顺利实施。当然，也要防止本末倒置的做法，即为方便起见，简单地由现有施工队伍的设备与技术决定桩型，这种作法在工程实践中也并非罕见。此外，地基加固时施工的可用空间也常常是决定桩型的因素。

4.4 经济条件

桩型的最后选定还要看技术经济效果，即考虑包括桩的荷载试验在内总造价和整个工程的给经济效益。为此，对所选桩型和设计方案进行全面的技术经济分析加以论证，并同时顾及环境效益和社会效益。此外，还要考虑工期问题，延误工期是要罚款的，所以，对于桩型选择来说，承包商的经济条件也是一个重要的因素。

5 桩的布置

桩型选定以后，即可考虑桩的布置问题，为了取得较好的技术上经济上的效果，必须对有关因素进行综合的考虑。

5.1 地质条件

在满足荷载条件和规范要求的前提下，桩的布置要适当的考虑地质条件的制约。例如，在粘土地基中布桩，一般需要采用比较大的桩距，以减小地表土的隆起；当桩端持力层为顶面倾斜的基岩或土层中含有漂石时，桩距也应取大值。如果采用预先挖孔或钻孔的办法，桩距可减小。在松砂和砂质淤泥层中，小桩距反而因能挤紧桩周围的土致使对具有负摩擦力的桩基产生有利的作用，故宜将桩距予以适当减小。

5.2 桩型条件

考虑桩距问题，主要是尽量避免地基土中应力重叠所产生的不利影响（过大沉降或剪切破坏），但过分加大桩距，将导致由于承台加大加厚而带来的造价提高，对水下基础而言，还会带来许多不利于施工的技术问题。不同桩型对应力重叠不利影响是不同的，例如端承型群桩由于通过桩侧摩阻力传递到土层中的应力很小，因此桩群中各桩的相互影响较小，应力重叠只发生于持力层的深部，因而可以考虑较小的桩距。

5.3 桩的竖向布置

桩的竖向布置涉及桩长、桩的埋设深度以及持力层这三者的确定问题，这实质上是包含三个相互影响、相互制约的因素的一个问题。

5.3.1 桩长的确定

对桩长的确定应综合考虑各种有关的因素。当然在大多数情况下难以做到面面俱到，在桩基设计中，只照顾和控制主要的影响因素，力求做到既满足使用要求，又能最有效地利用和发挥地基土和桩身的承载能力，既符合成桩技术的现实水平，又能满足工期要求和降低桩基造价。

5.3.2 对桩的埋设深度的考虑

实际上，桩长初步确定了，桩的埋设尝试也就可以在某一小范围内大致确定。不过，要注意桩长并不等同于埋设深度，后者对于桩基设计和桩的工作性能的良好发挥来说，还另有其独特的工程意义。对埋设尝试的考虑，主要是要最好地发挥桩的侧阻力与端阻力，这首先就要涉及一个所谓“尝试效应”问题。对桩的试验研究和工程实践表明，无论是对桩的端阻和侧阻，都存在的一个临界深度，当桩端进入均匀持力层的深度小于临界深度时，极限端阻力一直随深度线性增大，但大于临界深度时，极限端阻力则基本保持恒值不变，柱侧摩阻力也有类似的规律。

5.3.3 持力层的选定

持力层的选定是桩的竖向布置设计的一个重要环节。持力层的强度、刚度以及变形特性都密切地关系着桩的承载力，沉降以及承台分担荷载作用的发挥，而持力层的埋深则直接关系着桩长的确定。一般地说，不容易提出一个选定桩长的通用规则，但对于持力层的选定，可以提供下列一些应当遵循的规则。

（1）所选的持力层就能保证有足够大的满足设计要求的单桩承载力，如果桩尖下有软弱下卧层，桩尖至软弱土层顶面的距离应小于临界厚度或2.0m。

（2）桩尖平面处的地基土应力，不应超过同样深度的基础的容许应力。

（3）对于作用在持力层上的荷载（总荷载中的桩端分担部分），必须保持其安全度及其从而产生的沉降量和差异沉降为上部结构所允许。在验算持力层的承载力时，应考虑作用在桩顶的应力扩散度。

（4）不同桩型要求不同的持力层，而且持力层的好坏也是相对的，某一持力层对于某个桩型不适合，但可能却适用于另一种桩型，例如当设计荷载要求2000KN时，硬塑残积土层对于一般的钢筋混凝土预制方桩并不适用，而若采用内击工扩底沉管灌注桩时，却是理想的持力层。

（5）选择持力层时，要考虑在现实的施工技术水平条件下在各类持力层中成桩的可能性。

（6）在必要的情况下，可以人工改变持力层的状态，例如使用强夯法夯实或灌浆固结等。

6 桩基的承载能力计算

6.1 桩基的竖向承载力

桩基设计的最终目的是使桩基能满足上部结构在承载力和容许变形方面的要求，对这个问题的考虑，工程实践中通常采用的是极限荷载分析和荷载―变形分析两种途径。众所周知，桩的静载试验是确定桩基承载力的最科学的和最广泛被使用的一种方法，但由于它的费用昂贵，费时费工，只限于一些重要的工程才能使用。此外，对于单纯确定承载力来说，工程实践中采用荷载―变形分析途径的也不多，此计算途径多用于桩基的沉降计算。

6.2 桩基的水平承载力

桩基的横向抗力，不仅取决于桩侧土质或地质条件的横向抗和，还取决于桩的弯曲刚度、强度与桩端的约束条件，即桩身的抗弯能力。因此，在确定桩的横向抗力时，必须考虑桩和土的共同作用，即桩―土体系的变形条件。

结束语：通过以上对公路桥梁桩基设计的分析，要做出一个优秀的桩基设计，除了要严格按照设计规范及要求进行设计外，还要充分考虑到工程自身的特点、工程周围的环境、所处的地质条件、经济条件等进行多方面的分析，只有对这些问题综合考虑，才能确保公路桥梁桩基设计的科学性和合理性。

参考文献：

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[2] 朱大同 傅朝方 桩的计算长度 中国公路学报 2001（04）

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