桥梁桩基设计要点探讨

刘莉静

大连市市政设计研究院有限责任公司厦门分公司，福建 厦门 361000

1 设计背景

桥梁基础是桥梁设计的重要内容，钻（挖）孔灌注桩基础（以下简称“桩基础”）是桥梁最常用、最主要的的基础形式之一，本文主要针对钻孔灌注桩基础展开讨论。

在桥梁结构设计中，桩基设计是一项十分重要的内容，桥梁桩基作为隐蔽工程，其设计是否合理，对桥梁安全及工程规模有着重大的影响，对桥梁施工和工程进度也有一定影响。因此，在桩基设计中坚持应一定的原则，因地制宜、精心设计，切实加强设计要点的掌握，更好地控制桥梁桩基设计质量。

桥梁桩基础设计，需要根据桥位处的水文条件、现场地形地质条件、上部结构型式、施工要求等因素全面考虑，合理确定桩基础的构造和配筋。

在桥梁桩基础设计中存在一些通病或常见问题，这些通病或问题影响到设计质量，有的可能影响到桥梁安全、工程规模、施工及工程进度，影响到设计单位在业主心目中的形象，应引起设计人员的重视和注意。

本文将结合实际工程项目对桥梁钻孔灌注桩基础设计中的一些通病或常见问题及处理措施进行总结。

2 桥梁桩基设计荷载的基本梳理

第一，桩基荷载作用方面，因为桥梁可以承受的荷载主要包含了永久荷载与可变荷载，但是在施工中，经常受到诸多因素影响，也难以避免存在偶然荷载。而永久荷载源于桥梁桩基上部结构应力与自重，其给桥梁也会带来影响。而可变荷载主要是由于受到车辆制动、牵引而形成的作用力。而偶然荷载则是指由于自然灾害而给桩基带来的影响。因此，桥梁桩基承受的荷载较大，这就需要我们紧密结合实际来强化荷载处理。

第二，负摩擦力。若桩基周围的地层出现了沉陷，就需要在地层桩体中出现向下滑动的位移，若此位移比桩基下沉的位移要大，那么桩侧土就会给桩基带来向下作用力，这个力就叫作负摩擦力，所以在计算时也应该结合地质做好对负摩阻力的精确计算。

3 桥梁桩基的计算内容

桥梁桩基础计算主要内容（仅介绍常见的摩擦桩及端承桩）

3.1 荷载分配

作用于承台底或桩顶的外荷载P、H、M 用结构位移法分配到各桩桩头Pi、Hi、Mi，并给出承台底中心（或桩顶）外荷载作用点处的水平位移、竖向位移和转角。

3.2 承载力

桩基承载力是桥梁计算的重要组成部分。根据荷载分配进行单桩承载力验算，计算出各桩的容许承载力［Ra］和实际最大承载力R。

桥梁桩基础单桩承载力计算依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019）进行［1］。

（1）摩擦桩：

单桩容许承载力计算公式：

对支撑在土层中的钻（挖）孔灌注桩，其单桩轴向受压承载力特征值Ra 可按下列公式计算：

（2）端承桩

单桩容许承载力计算公式：

对支撑在基岩上或者入基岩中的钻（挖）孔桩、沉桩，其单桩轴向受压承载力特征值Ra 可按下式计算：

（3）桩身强度计算

采用m 法计算桩身在垂直力Pi、水平力Hi 和弯矩Mi 作用下桩身内力和位移，并对配筋进行验算。

桩身强度计算模型：普遍采用的是将桩作为弹性地基上的梁，按文克尔假定（桩身任一点的土抗力和该点的位移成正比）的解法，简称弹性地基梁法。我国铁路、公路、水利及房建等领域常用的“m”法、“K”法、“c”法等均属于此种方法，公路桥梁桩基础设计中一般常用“m”法。

（4）桩基础稳定计算

（5）桩基础裂缝计算

按照桥涵规范（JTG3362-2018）有关章节进行［2］。

（6）桩基础沉降验算

（7）设计荷载

桩基础设计荷载包括：上部结构传递荷载、下部结构墩身、承台自重以及船撞力、波浪力、风力、地震荷载等。

4 桥梁计算中经常出现的问题

4.1 桩基承载力计算参数取用问题

4.1.1 摩擦桩：

（1）k2—地基土容许承载力随深度的修正系数；k2应根据桩端处持力层土类按表1 选用：

表1 地基土承载力宽度、深度修正系数 k1、k2

桩基计算式，k2的取值是否得当对桩长的影响非常大。结合厦门新机场某项目，项目位于填海造地区，桩基采用摩擦桩设计，桩基持力层位于砂土状强风化花岗岩，k2取值2.5 和4 时，桩基长度相差11m。所以合理取用参数k2值，对工程规模有着很大的影响。设计时应结合地质勘查报告，根据各岩层风华的相应土类取值，合理取用参数。

（2）清底系数m0

m0与桩底沉淀土厚度和桩径比值t0/d 有关，设计时根据桩底沉淀土厚度要求和桩径比值t/d 按规范取用。

表2 清底系数m0

（3）桩尖以上土的容重γ2:

应根据桥位处桩位实际情况，采用干容重还是浮容重。

（4）土层qik、qr 等参数取用出错

一般地质土层数较多，qik数据输入时易出错，加强核查，qr计算时应注意土层类别，按照规范取值，粉砂不大于1000kPa,中细砂1150kPa，中砂、粗砂、砂砾1450kPa,碎石土2750kPa。

4.1.2 端承桩：

（1）桩底岩层不均匀有软弱层情况，根据地质报告采用，桩尖应避开软弱夹层，fr 按地质钻孔资料推荐值或低值采用。

（2）端承桩桩基持力层一般从中风化或微风化岩层岩面起算，并满足一定的入岩深度。

（3）c1、c2—根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的参数，按《公路桥涵地基与基础设计规范》P42 表6.3.7-1 取用；

表3 发挥系数c1、c2

d ＞1.5m 时，t ≤100mm；

3、对中风化层作为持力层的情况，c1、c2分别乘以 0.75的折减系数。

4.2 负摩阻力计算问题

对于地表附近一定深度范围内有软弱土层（未经地基处理）的桥台或桥墩（旁边有填土会引起地基沉降），桩基础设计应考虑负摩阻影响。

桩基计算时不考虑负摩阻力，可能导致桩基承载力不足，影响桥梁安全。负摩阻力深度可按0.77～0.80h（h-软土层厚度）考虑。为简化设计，一般保守地按软土层范围均按负摩阻考虑。

4.3 桩底岩层为软岩时，桩基是按照摩擦桩设计还是端承桩设计的问题

设计时经常遇到桩基持力层为软岩的情况，比如中风化粉砂岩，中风化泥岩，这种情况下是按照端承桩设计还是摩擦桩设计，是很多设计人员很纠结的一个问题。其实对这个问题，规范里给出了明确的解答，主要参照frk值进行设计。

对于桩端岩石饱和单轴抗压强度frk＜2MPa 时，桩基础承载力按摩擦桩计算，桩基础按摩擦桩设计。

4.4 桩身强度计算问题

桩身强度计算一般应先计算桩顶竖直力、水平力和弯矩，然后进行桩身强度计算。尤其是水平力，一般应根据桥梁上部结构型式、联长、支座型式、地震基本烈度等综合考虑，进行必要的水平力计算。如常规桥梁，可采用集成刚度法计算水平力在各墩（台）分配。通航河流水中桥墩应进行船撞力验算；强震区应根据规范计算地震荷载，并采用地震荷载控制桥梁桩基础设计等。设计人员桩基设计时不仅计算桩长，还要对桩身强度做出计算，并根据计算进行配筋设计［3］。

5 桥梁桩基础设计主要问题及处理

问题1：桩长如何控制，控制多长合适？

措施1： 钻（挖）孔灌注桩基础设计时桩长L 原则上按不超过40 倍桩径即40d 控制，否则可考虑按增加桩的根数或桩径处理。

问题2：桩顶标高取用不合理，具体表现：

（1）陆地桥墩桩顶埋入地面过深，增加土方开挖量和施工难度，或桩顶露出地面，影响美观。

（2）水中墩桥墩桩顶置于河底或高出常水位太多。

措施2：合理确定桩顶标高。除去有特殊要求的桥梁（比如有泄洪或者通航需求的桥梁）需要将承台置于一般冲刷线以下外，其他桥梁建议陆地桥墩桩顶标高按照埋入地面线以下0.5m 控制为适宜；位于水中的桥墩桩顶标高一般按常水位以下0.10m 控制较为合适［3］。

问题3：桥梁桩底标高取用不合理。桩底标高置于软弱土层内或置于软弱土层分界面附近。

措施3：合理确定桥梁桩底标高。为确保桥梁安全，桥梁桩端持力层应设置于较为良好的持力层，应避免设置于软弱土层内或软弱土层分界面附近。

问题4：桥梁桩顶力计算仅考虑竖向力向下叠加。

措施4：计算桩基承载力时，确定桩顶力时除了考虑竖向分力，还应考虑水平分力以及弯矩对桩产生的影响，桥台位置处还需考虑土压力的影响。

问题5：桩基承台厚度，规范规定承台厚度不小于1.5 倍桩基直径且不小于1.5m，部分设计人员认为应该严格执行规范，设计中对桩基础承台厚度尺寸取用不合理，造成材料的浪费。

措施5：参照某项目桥梁案例，桥墩采用双柱式花瓶墩,桥墩墩底尺寸为1.8m×1.8m，桩基采用单排桩基，桩基直径2.2m，桩基和墩柱中心线对齐。按照规范，承台厚度严格执行规范应该不小于3.3m，但是由于桥墩与桩基对应，桥墩将上部传下来的力直接传给桩基，承台的作用类仅是起到一个方墩和圆桩连接的一个过渡作用，故本项目此类承台设计时采用2m厚度，设计合理，且为工程节省了大量的材料。

问题6：嵌岩桩嵌岩深度多少为宜？

措施6：端承桩深度须根据计算确定，一般嵌岩深度宜不少于一倍桩径。如《国道324 复线（同安段）二期完善工程施工图设计》，桩基如岩深度按照如下控制：

6 结束语

综上所述，由于作为桥梁结构与地基连接的关键结构，桩基础的设计与施工在工程建设中是非常重要的，其中任何一个环节处理不当，都会给桥梁结构带来重大的安全隐患。因此，在实际的工程案例中，应需要根据项目实际情况因地制宜的进行设计和选择施工方法，做到综合分析及多方案比选，并谨慎用心的组织设计与施工，以确保桥梁安全。