基于公路桥梁中大直径桩基础设计分析

文∕王劲松

1 前言

大直径桥梁基础设计工程属于系统性工程，在设计环节应用到的理论知识较多，另外设计时还需对大直径桩基的受力原理以及桥梁结构原理分析，从而保证桩基的负重摩擦力以及承载力达到工程建设的需求。在大直径桩基础设计的过程中，需要综合各种因素进行分析，全面提升桥梁耐久性和安全性，从而推动公路桥梁项目的不断发展。因此，对桥梁工程建设中大直径桩基础的设计要点分析、综合性探寻出有效的设计方案就尤为重要。

2 工程概况

某山区桥梁工程全长1.7km，本工程属于双向车道，且结构较为特殊，上部采用的是现浇混凝土连续箱结构桥梁，下部则采用大直径桩基础结构。

3 地质情况分析

该桥梁结构层一共设计为7 层，且每一层的施工设计都存在差异性。首先第1 层为路基层，该层路基以填土为主，厚度≥1m；第2 层属于加固层，加固层选择硬质黏土铺设，厚度≥1.4m；第3 层属于填充层，填充选择碎石施工，需注意的是填充阶段要将碎石与亚粘土搅拌后填充，以提升整体稳定性，同时其厚度控制为3.6m 范围内；第4 层为强化层，强化层选择风化石与岩石填充，且厚度控制为3.5m 左右；第5 层是风化层，通过有效利用风化作用使泥岩快速发育、开裂形成夹粉泥岩后进行铺设，厚度设计为3.5m；第6 层为弱风化层，虽然其具备风化特性，但本质上与上层风化还是存在区别，故而只需要把粉砂质的岩石进行风化后再将其作为岩心进行铺设即可，厚度控制为2.6m；第7 层属于微风化层，与上层风化特征一致，微风化层也需要发育后出现裂隙满足设计需求[1]。

4 公路桥梁大直桩基设计

4.1 准确计算大直桩基承载力设计

在大直径桩基承载力设计的过程中，其承载力高低直接影响到桥梁结构的安全性和耐久性。按照大直径桩基承载力的计算公式以及《公路桥涵地基与基础设计规范》2019 版的要求，在设计中需要对支撑于基岩的结构进行计算，以保证单桩轴向受压能力达到需求，具体公式如下：

［P］=（c1A+c2Uh）Ra

其中，Ra 代表的是岩石单轴的抗压极限强度；h代表的是基岩状体嵌入深度值（但不涉及分化层的厚度）；U 代表的是基础岩桩体嵌入的截面周长（计算上按照设计直径的要求计算）；A 代表的是桩基础底面的截面面积；c1、c2 主要指的是根据清孔情况与岩石的破碎率等因素确定的有关系数。

根据该公式可知，嵌岩桩本身的单桩轴向受压容许指嵌岩桩其包含多个因素，即：清孔情况、岩石破碎值、桩低位置嵌入岩石的深度以及强度因素。按照JTG 3363-2019《公路桥涵地基与基础设计规范》要求可知，端承桩属于嵌岩桩类型，在设计中能够满足上述公式的要求。但是需要注意的是，在设计层面上嵌岩桩要控制好其净高度。因为桩底岩石坚硬度很大，能够减少桩的位移可能，所以套用以上公式能够提升大直径桩基的承载力[2]。

4.2 桩长设计

大直径桩基础设计环节桩长的设计要按照项目实际要求对地质情况进行分析。当前很多施工环境地质层多为软质岩石，此类地质浸水后承载力会下降，进而降低桩基侧摩擦力与桩端阻力，故而需要在设计中将第7 层设定为端桩持力层。同时，在设计时还要考虑到岩层表面给桩体造成的影响、对桩侧岩造成的侧向水平抗力以及大直径基础成桩要求和设计方案可信性等多方面因素，科学选择大直径桩体的类型，同时设定桩长，以提升桩基础工程质量。需要注意的是，在桩长的设计过程中，我们还需要根据公路桥梁的具体结构以及形式合理控制大直径桩长的距离，从而保证大直径桩长的设计范围能够达到工程的安全性要求。

4.3 桩顶设计

在大直径桩基础设计阶段，桩顶设计也尤为重要。相较于公路桥梁项目而言，在受到桥梁选址以及桥梁结构的影响下，桩顶的受力情况是非常复杂的。若处于地震高发区，或是大直径桩基础的受力水平作用很大时，则在设计上需要分析承台与大直径的共同效果，同时考虑土体与两者之间出现的弹性抗力作用，并保证顶桩设计的效果达到具体要求[3]。

4.4 单桩竖向极限承载力设计

大直径桩基础设计环节，桩基极限承载力作为重要的参数数据，其设计是非常重要的一项内容。由于该环节需要考虑单桩竖向极限承载力的基本数据，因此在设计阶段需要按照不同设计标准要求选择设计方式。一般而言，大直径桩基是根据甲级设计标准进行的，可采用单桩静载试验的方式计算其极限承载力；若大直径桩基设计根据乙级的要求进行，那么当地质条件达到要求后，可根据相同桥梁工程的地质条件进行设计，同时参考原位试验的结果设计极限承载力。在设计极限端阻力承载力与侧阻力以及单桩竖向承载力标准值时，需要根据以下要求进行：对直径大的端桩承桩来说，在确定极限端桩阻力时可采用深层平板荷载试验的方式予以确定；针对嵌岩桩的侧阻力可以选择岩基平板荷载试验的方式进行，其他情况按照一般设计规范要求进行即可。在桩极限阻力确定的过程中，需要按照预先埋设元件的方式进行确定，通过预先埋设方式取得测试结果后，再选择静载试验的方式对需求值进行确定，然后绘制出参数构成的曲线，并将其作为单桩竖向极限承载力的最终确定值。此外，为了全面提高大直径桩基础的整体性能，在单桩竖向极限承载力设计的过程中，要考虑其存在荷载的极限系数，并对大直径桩基础的承担能力进行分析，从而在确定相关系数之后提高单桩竖向极限承载力数值，并使其满足安全性以及耐久性要求。

4.5 位移和大直桩基水平承载力设计要点

为了提升大直径桩基础的稳定性与安全性，在大直径桩基设计的过程中要做好位移的计算，这对提升大直径水平承载力具有重要的作用。

4.5.1 群大直桩基础。设计阶段考虑到水平力大以及力矩大的大直径桩基础时，首先需要对承台以及群桩和土体之间产生的群桩应力进行分析，其次再对桩基的水平承载力特征值进行计算，在取值过程中，还需要考虑地基与承台之间的摩擦系数，确保取值精确规范。

4.5.2 单大直桩基础。其承担能力要达到特征值需求，确定特征值的要求如下：

4.5.2.1 大直径桩基类型若属于甲级或是乙级，且属于水平荷载类型的基础，特征值则按照单桩水平静载试验的方式对其进行验证[4]。

4.5.2.2 相较于装身配筋率＜0.65 混凝土类型灌注桩，在设计阶段中确定特征值时要按照静载试验的结构进行选择，一般对应单桩荷载75%的受力特征。

4.5.2.3 设计阶段一旦遇到配筋率＜0.65%灌注桩时，在特征值确定上可选择单桩水平静载试验中临界荷载的75%作为主要参数。

4.6 承台的计算

4.6.1 在大直径桩基承台计算阶段，需要按照《公路桥涵地基与基础设计规范》要求对桩边连线以及柱边、变阶位置形成的受剪承载力和倾斜面进行验算。若承台悬挑边有多个剪切面，则此时需要逐步验算各个倾斜面的承受力。

4.6.2 在条形承载弯矩计算中，应根据弹性地基梁的要求进行计算，当实践中遇到大直径端桩持力层后且岩体轴线难以重合时，需要将桩架设为不动铰支座，然后按照连续梁的计算方式进行操作。

4.6.3 大直径桩基承台类型需要考虑其正截面的承载能力，故而在受弯承载力以及配筋计算中要按照规范要求进行[5]。

5 结语

综上所述，在公路桥梁大直径桩基础设计过程中，需要按照项目实际情况对大直径的桩基承载力以及负摩阻力、桩基配筋等方面进行详细分析和计算，保证大直径桩基设计参数满足科学要求，并以此提升大直径桩基础的安全性和稳定性。