桥梁桩基设计研究

桥梁桩基设计研究

李冰洋

江苏交科交通设计研究院有限公司 江苏省 淮安市 223000

摘要：公路桥梁桩基的设计包括大量繁琐的工作，在进行设计时必须对公路桥梁桩基周围的受力情况、最大承载力计算、负摩阻力以及嵌岩深度等多方面内容进行细致的分析计算，只有这样才能够保证公路桥梁桩基设计更加科学合理，从而更好的提升公路桥梁的安全性和可靠性。下面就桩基设计当中的几个问题进行探讨，希望引起相关的设计和施工人员注意。 

关键词：桥梁；桩基设计

1 桩基设计原则 　　1.1 桩基荷载的选用 　　作用于桥梁桩基础上的荷载由基础本身及基础以上的建(构)筑物和其它自然力荷载组成,设计中常分为永久荷载(恒载)、可变荷载和偶然荷载。永久荷载通常指上部结构的自重以及经常起作用的其他荷载;可变荷载则指车辆制动力,牵引力,车轴横向摇摆力,流水压力以及浮冰压力等;偶然荷载指船撞力、地震力、特殊情况产生的塌方、滑坡、泥石流等的推力和爆炸力等。 　　桥梁桩基所受的荷载多种多样,设计桩基应针对具体情况,按计算目的不同,将荷载组合分为以下两种情况:(1)承载能力极限状态:对应于桩基达到最大承载能力或整体失稳或发生不适于继续承载的变形。计算应采用作用效应的基本组合和地震作用效应组合。(2)正常使用极限状态:对应于桩基达到正常使用时所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。 　　1.2 桩基与岸坡的边载相互作用 　　桥台背后是长长的岸坡,它对桥台是个很大的边载,岸坡对桥台产生很大的侧向压力(土压力),它还会使桥基底面对不同位置下因沿深度产生的不同附加应力,从而使软土固结,使桩受到负摩擦力和弯矩的作用,增大了桩的负荷使桩破坏,沉降加大了而且沉降不均。高桩台桩基中的岸坡变形,主要由于前挖后填破坏了岸坡原有的平衡状态而引起,初期一般以横向变形为主,经过一段时间,影响可能逐渐衰减。岸坡的侧向变形影响在靠近坡顶附近最为突出,设置叉桩可增强抵抗岸坡侧向变形的影响能力。  　　1.3 桩基设置深度的选择 　　桩基设置深度是指桩基设置在原河床或海底泥面以下的深度。它包含有两个深度,一个是基础周围土层的最大冲刷深度(一般冲刷加局部冲刷),二是桩基础稳定性与变形所要求的基桩有效深度。  　　1.4 浮托力与水流冲刷作用 　　河床受水流冲刷过深是桥梁出现事故最多见的情况,当冲刷深度超过了设计预估值时,桥台(高桩台)下桩的自由长度变大了,或出现了自由长度(低桩台),而且周围土对桩的抗力也受到了削弱,所以桩基设计时必须注意河床冲刷问题。如果承台是埋入局部冲刷线以下,便可计及承台侧面和桩身侧面土的弹性抗力;如果承台底面高出局部冲刷线或地面(无水的地方),则只能计埋入土中桩的侧面的弹性抗力

4 桩基设计中应当注意的问题  　　4.1 桩基竖向力产生的原因和机理  　　桩和土之间的位移是发挥桩基承载力的必要条件。通常情况下，桩基的受力特征是：桩基由于受到自重和上部荷载的作用，会向下发生位移，土体在受剪时会形成剪应力，其会随着剪应力的增加而逐渐增大，直到剪应力达到顶点，无法再增加时，剪应力会继续增加，此后荷载将由桩端力提供。  　　桩和土之间的位移主要由桩基本身的压缩变形、桩底的沉降变形以及桩基周围土体的沉降变形三部分组成。通常说来，桩基本身自身压缩变形较小，桩底的沉降变形和桩基周围土体的沉降变形则占了大部分比例。造成桩底的沉降变形的原因，主要是和当前国内的施工方法和施工水平有关。国内大多采用钻孔桩，因为桩底清孔不彻底，大多会残留5-20厘米厚的渣滓，从而形成软弱层，再加上桩基的自重和上部荷载的作用，使软弱层持续受压发生变形，最终导致桩基下沉。  　　4.2 桩基负摩阻力  　　4.2.1 桩和土之间的位移是发挥桩基承载力的必要条件  　　对摩擦桩来说，就是通过桩和土之间的相对位移所产生的摩阻力来提供桩基自重和上部恒活载。我们通常在计算桩长时所涉及到的摩阻力，指的是正摩阻力，即桩的沉降大于周围土体的沉降，周围土体对桩产生向上的摩阻力。但是，作用于桩侧摩阻力的方向是由桩和周围土体的相对位移所决定的。比如在软土路段，特别是在桥台路段，深厚软土受到台背路基填土自重以及汽车荷载的双重作用，其桩基周围的软土层会产生压缩变形，从而发生沉降。一旦其沉降量大于桩基本身的沉降量，周围土体就会对桩基产生向下的摩阻力，也就是我们所说的桩基负摩阻力。  　　4.2.2 在设计桩基时，如果不考虑负摩阻力对桩基影响的话，就可能会导致以下后果：  　　对于摩擦桩，会加快桩基下沉的速度，最终破坏桥梁的上下结构；对于端乘桩，有可能破坏桩身或桩端的地基。因此，在进行桥梁设计时，必须考虑到负摩阻力给桩基承载力带来的影响。桩基表面产生负摩阻力主要有以下几种情况：（1）桩基附近的地表面放置有大量荷载，例如桥台后路基填土等，其极易引发地面沉降，产生负摩阻力；（2）地下水位降低，比如抽取地下水等行为，会增加土中有效应力，从而导致土体固结，发生下沉；（3）桩基穿过还未固结的软土或新填土，支承在坚硬土层或者岩层上，受到土体自重的影响，上层土体发生固结等。  　　4.2.3 负摩阻力的分布范围和计算  　　通常情况下，负摩阻力并不在整个软弱层内发生。当桩基周围的软土层压缩下沉，使得桩身表面的正摩阻力慢慢减小，同时在桩顶形成反向摩阻力，在土体继续变形的同时，负摩擦力的范围也会不断下移，而桩侧摩擦力会在某一深度处刚好是零，将其叫作中性点。在该点处，土体的下沉量要比桩基的下沉量大一些，形成了负摩阻区。而在中性点下面，桩基的下沉量就比土体的下沉量大，形成了正摩阻区。  　　中性点的位置主要受到以下几个因素影响：（1）桩底持力层的刚度。持力层的刚度越强，中性点越深。尤其是端承桩，其中性点大多在桩底部位；（2）桩基周围土体的力学性质及其应力历史。桩基周围土体的压缩性越高，其欠固结度也就越大，土层越厚，中性点的位置也就越深；（3）地下水位降低的幅度和范围。其数值越大，中性点位置越深。  　　4.3 嵌岩深度和桩端持力层厚度  　　在桥梁桩基的设计过程中，往往会遇到两个软弱岩层之间需要穿越一定厚度，且强度很高的岩层的情况。这种情况下，如果夹层厚度无法承载其厚度要求，就需要钻孔桩穿越夹层，以到达持力层。这是一个非常考验施工机械与施工进度的过程。  　　确定桩底基岩的厚度，主要从以下三个条件出发：（1）不考虑桩身周围覆盖的土层侧阻力，在嵌岩灌注桩的周边嵌入完整或较完整的未风化、微风化以及中风化硬质岩体的最小深度，按构造要求0.5米；（2）要求桩底以下3倍桩径范围内没有软弱夹层、洞隙以及断裂带分布；（3）在桩端应力扩散范围内没有岩体临空面。对于普通的夹层，只要其满足前两个条件就可以作为持力层。

结语

 公路桥梁的施工是一个系统的工程，任何一个环节都需要我们给予重视，桩基施工公路桥梁施工中一个很重要的环节，而桩基的设计又会影响公路桥梁的质量，因此，做好桩基的设计很重要，这是提高公路桥梁施工整体质量的必由之路，需要我们引起重视。 

参考文献：

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肖玲玲.岩溶地区桥梁桩基础设计及施工技术[J].交通世界，2015

[1] 沈建章,俞勤仙.公路桥梁桩基设计应注意的问题[J].现代商贸工业,2011