桥梁设计中的桩基设计探析

文/左鲁、张锐

1 前言

在诸多桥梁基础类型中，桩基是现阶段最常用的一种。桩基不仅承载能力强、稳定性高，而且适用性也良好，可以节省材料、降低成本，在桥梁工程建设中广泛应用。桩基受力机理：以作用在桩端的与地层之间的阻力与桩周土存在的摩擦力为轴向荷载提供支承，以桩侧土层存在的侧向阻力为水平荷载提供支承。在设计桥梁下部结构的过程中，选择哪一种桩基类型会直接影响结构体系安全性、施工难易程度和成本造价。因此，相关人员必须高度重视，根据桥梁实际情况，选择适宜的桩基类型。

2 桩型确定

现行相关技术规范提出了两种典型桩基类型，即摩擦桩与端承桩，同时也对这两种桩基类型的适用性进行了明确的规定。其中，摩擦桩指的是将桩周摩擦力作为承载力，其桩底支撑力大多无法提供符合要求的承载力；而端承桩主要将桩端支撑力作为承载力，其桩周摩阻力往往很小。根据以上定义可知，在桩基设计过程中，应优先考虑端承桩。而从工程的实际情况来看，对于摩擦桩，其桩长通常大于端承桩，这会使造价相对较高，在这种情况下，选择端承桩是工程设计的一个重要原则。然而，如果工程地质条件导致端承桩埋深相对较大，其桩长与采用摩擦桩时的桩长相当，这样会使端承桩失去意义和价值，而此时采用摩擦桩可能达到更好的效果。因此，如果在桩长方面这两种类型的桩相当，则采用摩擦桩可能更加安全[1]。

根据现场实践结果可知，桩基的桩侧阻力与端阻力，其发挥程度和上覆土层基本性质、层厚、桩身长度和桩径之比、嵌入的岩层性质及深度和桩径之比、桩底沉渣厚度有关。通常情况下，上覆土层具有的侧阻力可以正常发挥，但伴随桩长和桩径之比的不断增大，侧阻力明显增加。只有桩长较短且桩径较粗的嵌岩桩，其端阻力比土层的侧阻力率先发挥。在桩承载力上，端阻力起到决定性作用，为端承桩。对于桩长和桩径之比超过15 的嵌岩桩，不论嵌入的岩层属于风化岩还是完整基岩，桩侧阻力都比端阻力率先发挥，为摩擦桩。当桩长和桩径之比超过40，且上覆土层为坚硬土层，则桩端承载将没有太大的作用，其受力状态属于摩擦桩，将桩端设置在强风化岩层或中风化岩层均可。在部分地区，对于嵌入泥质软岩中的灌注桩，当其桩长和桩径之比超过45 时，嵌岩部分的阻力在总荷载中占据不足20%；当桩长和桩径之比超过60 时，嵌岩段的端阻力在总荷载中只占5%。其主要原因为：首先，嵌岩桩的桩身存在弹性压缩特点，会使桩顶产生一定程度的沉降，导致桩周土体产生剪应力，这也是桩身受到的土体摩阻力；其次，桩孔底部存在沉渣，这些沉渣相当于一个压缩性很强的软垫，会导致桩底产生一定程度的沉降。不论桩顶沉降还是桩底沉降，都会使桩身和土体或嵌岩段和岩体之间产生一定相对位移，进而出现侧阻力。以上弹性压缩与桩底沉降都和桩长、桩径之比有关，当桩长和桩径之比增加时，无论是弹性压缩还是桩底沉降都会变大，进而使摩擦力与侧阻力均明显增大[2]。

另外，传递至桩端处的应力也会伴随嵌岩深度和桩径之比的增大而不断减小，如果嵌岩深度和桩径之比超过5，则传递至桩端处的应力将接近0；而对于以泥质软岩为岩层嵌入的桩，如果其嵌岩深度和桩径之比处在5～7 的范围内，则桩端阻力保持在总荷载5%～16%范围内。

由此可以看出，在对端承桩与摩擦桩进行区分的过程中，不可只从是否嵌岩这一个角度考虑，而是要综合考虑以下各项因素：上覆土层基本性质与层厚；桩长和桩径之比；所嵌入基岩的基本性质；嵌岩深度和桩径之比；桩孔底部的沉渣厚度。若设计中采用的是端承桩，则要按照大桩径和少桩数的原则进行设计；而若设计中采用的是摩擦桩，则要按照小桩径和多桩数的原则进行。

3 嵌岩深度与持力层厚度的确定

在桥梁的桩基设计工作中，可能遇到两层软弱层间穿越高强度岩层的情况，而且还有很多地区岩溶发育。若夹层的厚度无法使承载力达到要求，则钻孔桩要从这一夹层中穿过，达到持力层的目的，但这样无论是对施工机械设备还是施工进度均有很高的要求，是一次极大的考验[3]。

在确定桩底基岩实际厚度的过程中，需要充分考虑以下三个条件：对桩身周围覆土存在的侧阻力不予考虑，嵌岩桩的周边应嵌入完整或相对完整的硬质岩体当中，其嵌入的最小深度应达到0.5m 以上；桩底下部三倍桩径区域内不能存在洞隙、软弱夹层和断裂带；在桩端应力持续扩散的范围中，不能存在岩体临时面。对普通的夹层而言，满足前两个基本条件就可以作为持力层使用。而对于岩溶发育地区，应考虑到岩体形状多种多样，且溶洞的分布大多无规律可循，采用现有勘探技术无法了解溶洞具体位置和规模时，会使工期大幅延长，并增加相应的费用。由于设计计算过程中的边界条件往往比较复杂，对岩溶地基而言，其影响因素要比普通岩石地基更多、更复杂，之前一般要求桩端的底部有桩径五倍以上厚度的持力层，而对于桩径和单桩承载力均不相同的桩，若提出同样的要求，则不同桩的可靠度将完全不同。为保证桩基设计合理性与经济性，需要以过去工作经验为依据，结合试算数据确定适宜的嵌岩深度与持力层厚度[4]。

如果基桩从多层岩溶层中穿过支立在坚固稳定的岩层，则可以不考虑岩溶可能对桩侧的影响，并将磨阻作为一种安全储备。由于岩溶层和桩侧间存在磨阻作用，所以从本质上讲其与土和桩侧间存在的磨阻完全不同。若多层岩溶层能和桩侧通过粘结形成一个整体，则桩身上的轴向荷载分配需要在桩基设计过程中充分考虑在某个粘结部位很可能由于受力集中影响而产生磨阻破坏，进而使桩基破坏。对此，设计中除了要充分考虑岩溶层可能对桩侧磨阻造成的影响，在桩基施工中还应采取有效措施对岩溶层和桩壁进行分隔，确保基桩受到的所有轴向荷载都能作用在桩底部坚固且稳定的岩层表面，最后按照柱桩进行设计即可[5]。

4 桩基配筋

基桩上不同截面的钢筋配置需要以桩基内力为依据通过计算来确定。其中，对于桩基内力，大多采用M 法计算；另外，在条件允许的情况，还可采取其他具有可靠参考与依据的方法来确定。当采用M 法进行计算的过程中，在桩身弯矩方面，存在以下四个特点：弯矩的分布规律相当于一条从顶部向下不断衰减的曲线，而且衰减的速度往往很快；桩身上的最大弯矩通常产生于某个不完整的波形当中，具体位置通常为地面下部3m 左右；桩身的弯矩在首个弯矩零点下部很小，基本上可以忽略，下部桩身主要起到的是对竖向力进行传递的作用；首个弯矩零点的具体位置为桩入土后深度达到总深度的1/4 处[6]。

在实际的桩基设计过程中，一般有以下两种配筋方法：第一种方法是以最大弯矩部位为依据实施钢筋布置[7]。从桩顶处开始延伸至最大弯矩的一半处下一顶锚固长度位置，减小一半配筋再继续延伸到弯矩为零下一顶锚固长度位置，再下则是素混凝土部分；当存在软基时，桩身上的主筋应从软土层中穿过。第二种方法是将桩基的主筋一半局部延伸至桩底部。从桩体结构受力、尽可能减少工程费用、避免事故发生、降低事故处理难度等角度讲，第一种方法更加合理。其原因是：因桩基整体中有很长一段范围内不会布置钢筋，与第二种方法相比能减少一部分钢筋材料，节省相应的成本；另外，如果底部发生断桩，则取出桩孔中的钢筋笼之后，能在原孔基础上继续进行钻进，这样可以有效减少或避免扁担桩现象的发生概率。然而，虽然采用第二种方法进行钢筋布置能降低施工难度，但在为桩基进行混凝土灌注施工时，工作人员必须对钢筋笼定位引起足够的重视，将钢筋直接布置到桩的底部，以此为钢筋笼下放过程中的固定提供很大方便[8]。

5 结语

综上所述，桩体和土体协同工作方面的问题一直都是岩土界长期关注的课题。因计算机技术的大量应用，使计算方法日趋复杂，且土体参数具有很强的离散性与多样性，所以计算结果未必准确。因此，要想做好桩基设计，相关人员应先对其进行正确的认识和了解，然后再依据桩基与岩体之间的关系综合考虑，充分结合相关试验结果和经验，设计科学合理的桩基，以达到坚固持久和经济适用。