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关于公路桥梁桩基设计的分析

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：黄中胡

[导读] 摘要：虽然桩基础应用年代久远且随着现代化发展已取得很大进步，但无论是桩基础计算理论还是工程应用都还有很大的发展空间。

        南宁市新点线交通勘测设计有限责任公司广西南宁 530000
        摘要：虽然桩基础应用年代久远且随着现代化发展已取得很大进步，但无论是桩基础计算理论还是工程应用都还有很大的发展空间。工程建设发展的需要是桩基础计算理论和工程应用不断发展的动力。
        关键词：桩基；长径比；桩基水平承载力；自平衡
        1公路桥梁设计需要注意的问题
        1.1桥梁结构的耐久性问题
        我国重视桥梁结构的耐久性研究，其大多是从使用材料和大数据统计分析的角度进行的。几十年以来，设计师一直注重结构计算方法的研究，结构耐久性在使用年限内符合要求，在各种自然情况和荷载作用下能保持结构的安全性，这是对每座桥梁结构的基本要求。提高桥梁耐久性的设计方案有很多，设计人员应依据具体工程情况，合理设计桥梁结构。
        1.2公路桥梁的安全性问题
        当前，我国公路桥梁设计存在结构安全性问题，主要体现在两方面。一是桥梁路面出现碎裂的情况。主要原因是高负荷车辆的碾压，但在当前生活中，车辆载重较大是一个高概率事件，无法从根源上避免，这就从侧面说明桥梁设计时对路面预估承重存在很大的问题，尤其是对大载重汽车通过桥梁的考虑不足，以致不能最大限度地发挥设计作用，为群众服务。二是桥梁桩基础病害引发的安全问题。我国大多数桥梁工程选用桩基作为基础，特别是在地下水位较高的地区或软土地质区域，如果没有因地制宜设计科学的桩基础施工方案，会导致桩基础病害发生，引发桩基位移、沉降、桥梁断裂等重大事故。
        2桥梁工程桩基设计
        2.1桩基选型及间距
        桥梁桩基承担着桥梁自重和交通荷载，根据桩基上荷载的传播路径，可以将桩基分为端承桩和摩擦桩两类。端承桩通过深入土层深处且布设于硬质基岩，凭借基底岩层的支撑承担桥梁上部结构荷载，端承桩桩体很少产生相对位移和摩擦力。摩擦桩对于土层较厚且桩基长度难以抵达硬质土层等可靠持力层的情况较为适用，桩基荷载主要由桩身及桩周土层摩擦力承担，桩端土层及基岩反力小。端承桩和摩擦桩端阻力、侧阻力均与桩长径比值密切相关，当桩底位于持力层且桩长径比在15～20范围内时，桩侧阻力比桩端阻力优先发挥作用。当桩长径比在40以上且无软弱土层覆盖的情况下，桩端嵌入中强风化层时，端承桩桩端承载力较小。桥梁桩基设计必须考虑最小间距的要求，在设计中应考虑对邻桩施工的影响，防止发生群桩效应。若桩间距过大，则会影响设计承台的稳定性，桩间距过小，则会增大施工成本，造成施工障碍。桥梁桥台设计过程中必须采用群桩加大承台的形式，为确保群桩受力过程中形成互补优势，桩间距应控制在桩径的6～8倍，最小间距不得低于桥头直径的3.5倍。
        2.2桩基承载力计算
        桥梁桩基是支撑桥面层的重要部分，为此，在桥梁桩基设计时首先应进行其最大支撑能力的计算，并据此确定桥梁工程所能承受的最大荷载，确保桥梁运行的安全性，具体公式见式（1）：

    （1）
        式中：[P]为桩基最大承载力值（kPa）；c1、c2为桩基稳定系数；A为桩基底截面积（m 2）；U为桩基插入岩层内的底面周长（m）；h为桩基除去风化层后插入岩层深度（m）；Ra为桩基底岩石极限抗压强度（kPa）。采用式（1）进行桩基最大承载力计算时，必须注重补充条件，如h为桩基除去风化层后插入岩层的深度，若计算时忽略这个方面，而直接用桩基插入岩层的深度取值进行计算，则必将影响计算结果的准确性，导致桥梁桩基设计缺陷。总之，影响桥梁桩基承载力计算的因素始终处于变化状态，桥梁工程本身也受施工环境、水文地质、材料性能、施工技术水平等因素的影响，所以具体设计过程中不能过分依赖上述公式，应在深入分析桥梁工程实际情况的基础上，结合相关规范进行更具合理性的设计。
        2.3桩基负摩阻力
        2.3.1桩基负摩阻力的形成
        桩长计算中所涉及的摩阻力是正摩阻力，也就是当桩体沉降比周围土体沉降大时土体对桩体施加的向上摩阻力。但是桩侧摩阻力的方向主要由桩体及周围土体相对位移决定，对于桥台路段等软土路基，填土自重和行车荷载会导致桩周围软土发生压缩变形和沉降，其沉降量若超出桩基沉降量，周围土体必将对桩基施加向下的摩阻力，这也就是桩基负摩阻力。若忽略软土负摩阻力的影响所计算的桩基承载力完全符合规范要求，但考虑负摩阻力后可能造成端承桩桩端和桩身地基的破坏，并加剧摩擦桩桩基沉降，引发桥梁结构的破坏。所以在桥梁桩基设计过程中，应充分考虑负摩阻力对桩基承载力可能造成的影响，容易发生负摩阻力的情况主要是在桩基附近地表存在桥梁台背路基填土等较大荷载量，导致地面沉降而引发的负摩阻力；抽取地下水等行为导致地下水位骤降，土体内有各效应力增加引发土体固结沉降引发的负摩阻力；土体自重引发的沉降引发的负摩阻力。
        2.3.2桩基负摩阻力的分布与计算
        桩基负摩阻力并非发生于全部软弱基层，而是在桩周软土压缩沉降下桩身由上至下的正摩阻力不断减小，起初负摩阻力出现在桩顶，伴随土体的持续沉降变形，负摩阻力作用范围不断下移，正负摩阻力抵消的点为中性点，此处桩侧摩阻力为零。在中性点以上，土体的沉降量比桩基沉降量大，为负摩阻区，中性点以下，土体的沉降量比桩基沉降量小，为正摩阻区。中性点位置主要受桩底持力基层硬度、桩周土体力学属性、桩径及地下水水位等因素的影响，通常桩底持力基层硬度越大，桩周土体压缩性越高，抗固结性越强，桩径越小，截面刚度越大，地下水位越低，则中性点越深。桥梁桩基设计中中性点深度可以参考表1取值。
        2.4嵌岩深度嵌岩深度
        由桩基荷载决定，桥梁桩基荷载包括水平荷载和竖向荷载，竖向荷载主要由桥梁结构自重及活载作用引起，若基岩单轴抗压强度不小于15MPa，则桩基竖向荷载不控制设计。所以，主要进行嵌岩深度受水平荷载的影响分析。桩基较长，覆盖层较厚考虑到基岩土体深厚，桩基弯矩值最大段必定位于覆盖土层内，大部分弯矩与剪力被覆盖土层所承担，其对基底嵌岩桩的握裹作用也因此降低，呈现柔性桩的受力形态。综合考虑覆盖土层厚度、土层属性及桥梁结构，在桩基较长且覆盖层较厚的情况下，嵌岩桩深度应按0.5～1.5m设计。
        2.5桩端持力层厚度
        嵌岩桩和支承桩都需要较大强度的持力层，岩石类型不同其强度与风化产物也不尽相同，硬质岩强度可达20～200MPa，完全符合嵌岩桩基底强度条件，所以本工程要求穿硬质岩弱风化层并嵌入微风化岩层的设计不尽合理，增加施工难度的同时还会延长工期。所以在嵌岩桩设计时，必须考虑岩层裂隙发育、岩石强度等，只要达到桩基竖向应力要求，嵌岩桩持力层可以选择硬质岩弱风化层。
        3结束语
        综上所述，桥梁桩基在桥梁建设中起到重要作用。其桩基设计也是一个复杂且繁琐的过程，在设计前设计人员必须全面了解桥梁桩基覆土层受力情况、桩径比、桩基承载力、负摩阻力、嵌岩深度、桩端持力层厚度等。通过综合对比和分析土层情况及桩端持力层性质，才能确保桥梁桩基设计结果的合理性，为桥梁桩基施工提供科学可靠的依据。确保桥梁工程施工质量、工期、造价等目标的顺利实现。
        参考文献：
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        ［2］陈婷，陈波.我国桥梁设计问题研究［J］.科技致富向导，2011（18）：385.
        ［3］刘明艳.公路桥梁工程设计中桩基沉降问题研究[J].工程建设与设计，2019（19）：58-59.
        ［4］陈孜伟.公路桥梁设计中的安全性和耐久性[J].黑龙江交通科技，2019（5）：169-170.