桥梁设计过程中桩基沉降问题处理分析

江勇

（遵义市交通勘察设计有限公司，贵州遵义 563000）

0 引言

桩基作为桥梁常用基础类型，其设计结果决定了桥梁上下部结构的稳定性，如果桩基设计不当，桩基将产生明显的工后沉降。因此，在实际的设计工作中必须对桩基的设计引起足够重视，从设计上就避免沉降问题的发生，保证桥梁桩基质量。

1 桩基础概述

桩基础有多种类型，可从不同方面按照不同方法实施分类。若按照承台和地面之间的相对位置进行分类，可分成低桩承台桩基础和高桩承台桩基础。如果桩承台底面处在地面以下，则属于低桩承台桩基础，而如果桩承台底面处在地面以上，则属于高桩承台桩基础。重力式桥台、实体桥台及桥墩一般采用的是低桩承台桩基础，肋板台、轻型桥台侧一般采用高桩承台桩基础。

若按照承载性质分，可将桩基础分成摩擦型桩和端承型桩，其中，摩擦型桩还能进一步细分为摩擦桩与端承摩擦桩，前者是指在承载能力达到极限状态后，桩顶部的竖向荷载主要由桩侧阻力充分承担，其桩端阻力可以小到忽略不计；而端承摩擦桩是指在承载能力达到极限状态后，桩顶部的竖直方向荷载由桩侧的阻力大部分承担[1]。同样，端承型桩也能进一步分成两种，即端承桩与摩擦端承桩，端承桩是指承载能力达到极限状态后，桩顶部的竖直方向荷载均由桩端的阻力负责承担，桩侧的阻力可以小到忽略不计；而摩擦端承桩是指在承载能力达到极限状态后，桩顶部的竖直方向荷载主要由桩端阻力承担。因摩擦桩与端承桩的荷载传递与支撑方式存在很大差异，一般情况下，摩擦桩产生的沉降比端承桩大，会使墩台出现不均匀沉降，对此在同一个工程的同一个下部桥墩或桥台的桩基础当中，不可同时设置摩擦桩与端承桩两种桩型。

若按照具体成桩方式，可将桩基分成以下几类：一是非挤土类桩，即在成孔时将与桩身体积相当的土体开挖出来，再灌注混凝土，导致桩周与桩底土体均存在应力松弛情况，目前最常用的钻孔桩与挖孔桩都属于该类桩；二是部分挤土桩，即在成孔时有轻微的挤土作用，使桩周土自身工程性质不会产生太大变化，目前常见的此类桩型包括打入式预制桩及敞口钢管桩；三是挤土桩，即成桩时桩周土体被完全挤开，导致土体自身工程性质相较于天然状态出现很大变化，目前较为常见的此类桩基包括以下三种：预制桩、混凝土管桩及沉管桩。

若按照桩径的大小，可将桩基分成以下三种：一是小桩，即桩径不超过250mm 的桩；二是中等直径桩，即桩径在250～800mm 范围内的桩；三是大直径桩，即桩径不小于800mm 的桩[2]。

2 桥梁桩基设计步骤与内容

桩基设计步骤与内容为：其一，选择适宜的桩基形式，如混凝土桩还是钢管桩，桩基尺寸。桩基形式确定是否合理，直接影响桥梁安全、使用功能及造价。在选择具体桩基类型的过程中，要充分考虑以下要点：桩基所在场地范围内的地质条件、桥型及结构特点、桩基主要受力特点。其二，持力层确定和桩长选择。在确定持力层及桩长的过程中，要充分考虑以下因素：单桩承载力符合要求、桥墩或桥台不会产生明显沉降及沉降差异、综合考虑桩基工程造价、充分考虑桩基施工技术合理性与可行性。其三，保证桩基合理布置。当桩数相同，采用不同桩基布置方法时，桩基自身承载力和可以发挥出的作用也存在很大差异。其四，桩基水平方向承载力确定。对于基底水平方向剪力与倾覆力矩，通常情况下产生水平力的原因有以下几种：地震力、风的作用力、汽车的制动力、台后的填土压力、温度的升降产生的温度力，弯桥还需要考虑离心力的作用。在高烈度地震区，地震是主要控制因素，在地震区进行桩基设计时，应充分考虑以上作用。其五，明确桩基施工可能给周围环境造成的影响，并注意技术是否具有良好的经济性与合理性[3]。

3 桥梁桩基设计特点与作用

桩基设计作为桥梁设计的主要环节，保证桩基设计质量是使桥梁达到稳定和耐用的关键所在，必须引起设计人员的高度重视。桩基能将桥梁承受的水平与竖直方向荷载可靠传递至地基，桩基自身有良好刚度与抗弯能力，由于不同工程在很多方面都存在明显差异，所以桩基类型选择也有很大差异。通常而言，目前较为常用的桩型包括以下几种：预制桩、钻孔桩、挖孔桩和沉管桩。桥梁桩基应能支撑自身重量与所有外部荷载，如果桩基存在隐患问题，会对桥梁工程的其他建设项目造成很大影响。在公路桥梁工程中，桩基主要具有以下几个方面功能和作用：其一，桩基有很大的刚度，可减少整体结构沉降，对形变进行均匀分担，以满足桥梁设计刚度的要求；其二，桩体和周围土体存在一定摩擦作用，能将桥梁上部结构荷载均匀传递到土体，从而减轻地基受到的压力，为桥梁上部结构提供可靠支撑，保证桥梁整体结构的稳定性；其三，如果区域地下水的水位相对较高，或持力层位于地下水位以下，则优先采用桩基础的形式，方便施工，减少地下水对结构的影响；其四，桩侧刚度与抗拔力相对较强，可有效抵抗水平方向作用力与倾覆力矩，同时还能减小地震可能对桥梁造成的影响，进而保证桥梁结构安全和稳定；其五，如果地基发生液化，可通过将桩基设置从液化层中穿过，直到稳定岩土层，将液化土可能给桥梁造成的影响降至最低[4]。

4 桥梁桩基设计沉降问题分析

4.1 明确桩基沉降规律

由于岩土本身具备可压缩的特性，在地基土受到外力作用后会产生一定超静孔隙水压力，导致地基土产生变形，还会延续很长一段时间，导致基础产生沉降。桥梁建设中，基础会产生一定沉降现象，并且这种沉降现象还会保持相对较长的时间，并不会因为工程的建成而彻底结束。如果桥梁地基沉降相对较大，则会在桥梁整体结构上产生影响，当问题较为严重时，会给桥梁的正常和安全使用造成致命影响，导致这种情况发生的主要原因为桩基产生不均匀沉降或短时间内产生很大沉降。当发生不均匀沉降现象时，会使桩基上部产生倾斜或扭曲，或产生开裂，影响结构的使用寿命，情况严重时还有可能产生倒塌。基于此，在桩基设计开始前必须做好现场实际情况调查，明确地质条件与水文地质，并据此采取针对性措施，对地基形变予以严格控制，减少或从根本上防止桩基沉降造成的不利影响[5]。

4.2 桩基类型与长度确定

在实际的桩基设计过程中，确定适宜的桩型与桩长作为重要内容之一，直接影响桩基整体质量，必须引起设计人员高度重视，保证所选桩基类型及桩长的合理性与可行性。在实际工作中，应先做好场地环境勘察工作，对桩基施工可能对周边环境造成的影响进行深入分析，并确定成桩是否合理可行，确定的施工工艺方法是否满足相关要求以及桩基的经济性是否合理。在初步确定桩基类型与长度后，还应根据实际情况进行适当的优化调整，以此在保证桩基安全和质量的基础上，尽可能降低工程投资。在必要的情况下，可以充分参考借鉴地区内其他类似工程的桩基设计成果，以此有效保证桩基设计质量，使桩基的设计与设置均能到最佳效果，防止由于设计不谨慎导致桩基产生不均匀沉降[6]。

4.3 桩体竖向极限承载力的确定

对于桥梁桩基竖直方向的承载力，按建筑标准，不同标准建筑等级下桩基承载力的确定方法不同。如果桩基按照甲级标准进行设计，则应通过单桩静载试验明确桩体的极限承载力大小；如果桩基按照乙级标准进行设计，同时施工场地范围内地质条件相对简单，则可参照同地区其他类似工程实际条件开展桩基设计，并通过原位测试加以综合论证，确定方案的合理性与可行性；如果桩基按照丙级标准进行设计，则需通过原位测试根据相关经验参数进行设计。对复合桩基础，在对桩体自身竖直方向极限承载力进行分析计算时，如果桩基主要承受的是轴心荷载，则必须保证复合桩基自身竖向承载力达到工程要求，而如果桩基主要承受的是偏心荷载，则要适当提高标准，并验算其稳定性；当施工场地范围内存在地震荷载因素的影响时，则要通过计算确定桩基的竖直方向承载能力[7]。

4.4 水平方向承载与位移计算

为了从根本上保证桥梁桩基结构安全，在实际的设计过程中还要对其水平方向承载与位移进行分析计算。在实际工作中通常要从下列两个方面入手实施计算：一方面是单桩基础；另一方面是群桩基础。对单桩基础而言，主要承受水平方向作用力，在使用中应满足各项特征要求，对于水平荷载等级为甲级和乙级的桩基，要采用水平静载试验的方法确定桩基的特征值；对于桩身的实际配筋率可以达到0.65%以上的混凝土灌注桩，可采用静载试验的方法来确定，如果地面产生10mm 左右的水平方向位移，则应将荷载的3/4 作为桩身特征值；对于桩身的实际配筋率不足0.65% 的桩基，可将临界荷载3/4 作为桩身特征值。对群桩而言，如果力矩较大或有水平方向作用力，应先考虑群桩效应，之后通过计算确定桩基水平方向的承载力对应的特征值，如果承载的底部、土体和地基之间在摩擦系数上存在很大关联，则必须谨慎确定桩基特征值[8]。

4.5 承台计算

对桥梁桩基承台而言，在计算中应对不同内容进行分别验算，如截面变化出实际受剪承载力与斜截面验算，承台的抗冲切验算等。如果承台悬挑边存在很多剪切截面，则要对每个斜截面实际受剪承载力都予以验算与判断。对条形承台梁而言，其弯矩可采用弹性地基梁作为依据来分析。如果桩端持力层为深度和厚度均相对较大的岩体，则其硬度较大，并且和桩柱轴线未能达到重合，此时需将桩基看作铰支座，之后按照连续梁形式来计算。在桩基承台设计中，应对承台结构正截面通过计算确定受弯承载力，在设计与配筋过程中都要按照相关规范实施控制。

4.6 其他设计注意事项

4.6.1 对于基础承台顶部标高。在一般地形条件中，承台顶面和地面之间应保持不超过0.5m 间隔距离。处在常水位中的承台，其顶部应能和常水位保持平齐。处在需填土范围内的承台，其顶部和地面实际标高差值一般超过0.5m。当桥墩所在位置为边远地区时，为减小承台基础开挖施工可能给对既有建筑设施造成的不利影响，承台底部可至于地面位置，而将承台露于外部，而在城镇或现有道路旁，侧应将承台顶部埋于地面以下或于地面齐平。当承台位置存在冲刷时，应考虑冲刷对承台及桩基的影响，适当加深承台深度或采用必要的防护措施。若桥梁所处位置存在冻深，还应考虑冻深对承台底面的影响，一般应将承台底面至于设计冻深线以下。

4.6.2 为尽量减小沉降，桩底必须处在承载力足够的持力层上，持力层承载力应能达到350kPa 以上，且进入持力层中的深度应能满足规范的要求，并经验算确定。如果相邻两个基础的地质条件相差较大，则会使不同基础桩基的长度存在很大差异，需要在设计过程中进行专门的分析研究。嵌岩桩岩层顶板厚度通常要达到4m 以上，桩尖的设置根据结构要求进行。如果钻探深度已经达到30m 依然无法找到厚度不小于4m 的顶板，则对于桩身直径在1.50m 以内的桩基，其桩侧累计顶板厚度应达到5.0m 以上，而对于桩身直径超过1.50m 的桩基，桩侧累计顶板厚度应达到7.0m 以上，支承顶板厚度应能达到3m 以上，且嵌入岩层内至少0.5m。从岩层中通过的桩体，应能与岩壁之间达到紧密联结，不可使用扩筒等方式进行隔离。对于大跨度连续梁结构的桥梁，因其梁部刚度相对较大，所以对沉降变形极为敏感，其沉降变形值更应严格控制，这需要在实际的桩基设计中给予足够的重视，采取必要的检测措施对桩底质量进行检查，同时采取有效的措施加以补强。

4.6.3 当采用墩基础时，可不进行沉降计算，但要在说明中给出施工注意事项；对摩擦桩进行分析时，应充分考虑典型地质情况。承台桩基础布置必须符合刚性角方面的要求，承台厚度为桩径的1.5～2.0倍。若承台的刚性角无法达到要求，则可考虑进行加台阶。桩基设计除了要对单桩侧面土体实际承载力与桩底土体实际承载力进行检算，还要对桩身稳定性及材料强度进行验算。当桥墩高度相对较矮时，桩基主要由单桩承载力进行控制，而当桥墩高度相对较大时，桩基主要由横纵方向产生的位移进行控制。当基岩深度相对较大时，为减少实际沉降量，可按照摩擦桩对基桩进行分析和计算。

4.6.4 控制桩底沉渣厚度。桩底沉渣厚度对桩基的沉降影响较大，桩基成孔后桩底会有一定量的沉渣无法清理干净，若沉渣厚度较大，桩基施工完成后会产生比较大的沉降量，因此需对桩基的沉渣厚度进行严格控制，各规范均对桩基的沉渣厚度进行了严格控制。

5 结语

综上所述，桩基础是桥梁工程最常用的基础类型，桩基设计则在很大程度上决定了桥梁上部结构能否保持稳定，尤其是决定了桥梁的沉降，良好的桩基设计能起到减小桩基沉降的作用，防止在施工过程中或施工完成后导致桩基产生较大的沉降。以上分析提出了桩基设计中可防止桩基产生较大工后沉降的要点与做法，旨在为实际的桩基设计工作提供参考依据。