公路桥梁桩基的设计与施工工艺分析

【关键字】桩基设计；公路桥梁桩基；工程质量

　　桩基的设计是桥梁建设过程中最为基础的工作。对桥梁进行桩基设计是一个十分繁琐和复杂的过程，在设计过程中必须考虑多种因素的影响，如计算桩基承载力、研究桩基的受力机理、桩基的嵌岩深度以及桩基的负摩阻力等，通过对这些因素进行综合的分析与计算，才能最终给出科学、合理的桩基设计方案。只有这样才能降低工程成本、提高桥梁建设的安全性、可靠性、耐久性等。

　　1、计算桥梁桩基的承载力情况

　　在桥梁建设中，计算桥梁桩基承载力是桥梁设计的核心。在《公路桥梁地基与基础设计规范手册》中明确规定了公路桥梁桩基承载力的计算公式，支承在嵌入基岩内或基岩上的钻(挖)桩。公式中，关于单桩轴向受压容许承载力[P]的计算公式为：

　　[P]=（C1A+C2Uh）Ra

　　C1、C2代表确定系数，一般需综合考虑岩石破碎程度、清孔的情况等因素；h表示不包括风化层的桩嵌入基岩深度；Ra表示在极限范围内，天然湿度条件下的岩石单轴抗压强度；A代表了桩底的横截面总面积；U代表嵌入基岩部分的桩基横截面周长长度，一般以设计直径为准。

　　从计算公式可以发现：桩底位置的嵌入基岩的深度和岩石强度与单桩轴向受压承载力有极为密切的联系，并且在建设过程中还要兼顾岩石破碎程度以及钻孔的清理情况等因素的影响。在桥梁建设的传统观念里，“端承桩”可等同于嵌岩桩，此公式的适用性才相对较高。可是，在实际桥梁建设中，还存在诸多其他因素的影响，如桩底的岩石强度打不到强度要求，钻孔存在较多的残渣，由于受到残渣的影响，桩底可能发生纵向位移。而且，很大程度上，桩基必然受到摩擦力的影响，因此不能真正意义成为“端承桩”对象。可以说，此公式的适用度不高，只能在理想状态下，才具有计算与应用价值。

　　公式里对“h”的要求前提是“不包括风化层”的桩嵌入基岩的深度。一般情况下不论其上面风化岩层的强度大小如何，桩基必须嵌入在新鲜的基岩上。如花岗岩等强风化硬质岩，其岩体的极限强度一般大于等于新鲜岩体的强度。这说明硬质岩的微弱风化层强度较高，具体体现在强风化层的强度上。因此，一味要求嵌入新鲜基岩在实际建设中是不妥的，可以这些层次嵌入深度不予考虑。基于此原则，桩基的嵌岩，其深度较厚，风化层也相对较厚。这些因素直接导致计算承载力[P]的计算数据的失真。一般来说，其实际极限承载能力远远大于计算结果；因此在施工过程中必然导致工程的延期，以及增大工程的施工量。

　　2、计算桥梁桩基的沉降情况

　　桥梁桩基存在的沉降是必然，然而解决这个问题是十分复杂、繁琐的。由于通过设备很难对桩体周围的土体的应力变化关系给出实际、细致的观测，我们还不能通过对客观现象观察，建立应力的数学模型，不能提炼出反映桩体周围土质的真实的应力关系。通过土体中桩基础的观测，特别是对软土中摩擦桩的沉降过程的观测，我们发现其存在一定的规律。在时间维度上，其具有一定的它的时间性。一般来说，土中桩基础的沉降需要一个较长的沉降过程的，在工程竣工后，一般需要8～10年时间，而沉降速率可以降到每年7mm左右。这些现象说明，软土中的桩基础沉降的与时间因素有直接关系。按土力学的理论，桩基沉降的主要部分包括两个部分，即应土体的流变和固结变形；而刺入变形是桩基础沉降的第二特征。通过一系列的试验研究，我们发现：桩基发生不同程度的沉降后，构成桩沉降的不可忽略的一部分原因就是刺入变形。试验的时间不能太长，这样不能保证土的徐变现象和固结的充分发展。但是在桩基础沉降的产生和发展过程里，桩端附近的土体和桩基两侧很早就表现出“非线性”特征，土体出现塑性不仅仅在桩基的承载力在达到极限范围时才体现出来。通过对桩侧摩阻力的研究时我们还发现：相对位移相对较小时，相对位移和摩阻力的大小成正比关系。而相对位移接近极限值Q，此时的摩阻力也达到最大，进而产生相应的滑动位移。极限值Q也被称为最大弹性位移，学术界一般界定Q的范围在3～6mm之间。对于细长桩来说，桩基的顶部承载的荷载不高时，由于弹性压缩的原因，桩基周围土层的位移就超过极值时，便产生相应的滑移。在连续加载的环节里，产生滑移区域也随之扩大；桩基与桩基间的土体变形的固结和徐变使得相对滑移区域产生周期性变化。这是产生桥梁桩基刺入变形的最基本要素。

　　3、桩端持力层厚度及嵌入岩层深度

　　在桩基设计过程里，一般会遇到不同软弱岩层间的穿越，尤其需要穿越强度很高的岩层时，若夹层厚度不能承载其基本的厚度范围，那就需要钻孔桩对夹层进行穿越，这才可以到达持力层。这点是十分考验施工进度的，同时对于工程机械来说也提出了十分苛刻的要求。

　　桩底基岩厚度的确定，可以从以下几个条件出发进行考虑：在对桩身周围覆盖的土层侧阻力不进行考虑时，在嵌入岩层的灌注桩周边可以嵌入相对完整的中风化、未风化以及微风化等最小深度的硬质岩体，构造要求一般为0.6米；同时要求桩底以下4倍的桩基直径范围内需要没有洞隙、断裂带和软弱夹层的分布；在桩端的应力扩散范围内，需要没有岩体的临空面。而对于一般夹层来说，仅需要其满足其前面两个条件即可。有些桩基位于岩溶地区，其岩体形状一般来说奇特且多变，毫无规律可循，借助先进的勘探手段也不能探明其准确大小与实际位置，直接导致工程费用增加和工程工期延长。为保证桩基设计的合理性、科学性、经济性，我们必须结合实际经验与计算数值科学确定桩端持力层和嵌入岩层深度的厚度值，为工程施工奠定理论基础。

　　4、采取合理的桩基配筋布置

　　理论上，基桩的各个截面的配筋需根据桩基内力进行统一的计算和布置。可采用有可靠依据的方法对桩基内力进行计算。在进行计算中，需要考虑桩身弯矩的主要特点：

　　弯矩分布规律近于一条自顶向下衰减的波形曲线，且衰减很快；桩身最大弯矩发生在第一个非完整波形内，一般在地面以下约3m 位置；桩身弯矩在第一个弯矩零点以下很小，可以忽略不计，其下桩身主要起传递竖向力作用；第一个弯矩零点位置在桩入土深度h=4/αh处。钢筋布置方式在实际的设计中主要有两种：第一，配筋依据为最大弯矩处。从桩的上部到最大弯矩处下一定锚固长位置，减少一半的筋比，伸至弯矩为零下一定锚固长位置，再下为素混凝土段，对于软基，桩主筋最好穿过软土层。另一种是将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。从桩体受力和节省工程费用以及发生事故处理的难度来看，前一种更合理。由于桩基较长一段不设钢筋，比后者节省了部分钢筋；底部断桩时，钢筋在笼拔后，可原孔再钻，减少扁担桩的发生机率。但是，第二种配筋方式可以减小施工难度，桩基灌注混凝土时，钢筋笼的定位是十分重要的，钢筋布置到桩底，易于固定钢筋笼。

　　参考文献

　　[1]沈建章,俞勤仙.公路桥梁桩基设计应注意的问题[J].现代商贸工业,2008,(02).

　　[2]陈书文.浅谈公路桥梁的桩基设计[J].科技资讯,2008,(20).