橋梁樁基設計要點探討

劉莉靜

大連市市政設計研究院有限責任公司廈門分公司，福建 廈門 361000

1 設計背景

橋梁基礎是橋梁設計的重要內容，鉆（挖）孔灌注樁基礎（以下簡稱“樁基礎”）是橋梁最常用、最主要的的基礎形式之一，本文主要針對鉆孔灌注樁基礎展開討論。

在橋梁結構設計中，樁基設計是一項十分重要的內容，橋梁樁基作為隱蔽工程，其設計是否合理，對橋梁安全及工程規模有著重大的影響，對橋梁施工和工程進度也有一定影響。因此，在樁基設計中堅持應一定的原則，因地制宜、精心設計，切實加強設計要點的掌握，更好地控制橋梁樁基設計質量。

橋梁樁基礎設計，需要根據橋位處的水文條件、現場地形地質條件、上部結構型式、施工要求等因素全面考慮，合理確定樁基礎的構造和配筋。

在橋梁樁基礎設計中存在一些通病或常見問題，這些通病或問題影響到設計質量，有的可能影響到橋梁安全、工程規模、施工及工程進度，影響到設計單位在業主心目中的形象，應引起設計人員的重視和注意。

本文將結合實際工程項目對橋梁鉆孔灌注樁基礎設計中的一些通病或常見問題及處理措施進行總結。

2 橋梁樁基設計荷載的基本梳理

第一，樁基荷載作用方面，因為橋梁可以承受的荷載主要包含了永久荷載與可變荷載，但是在施工中，經常受到諸多因素影響，也難以避免存在偶然荷載。而永久荷載源于橋梁樁基上部結構應力與自重，其給橋梁也會帶來影響。而可變荷載主要是由于受到車輛制動、牽引而形成的作用力。而偶然荷載則是指由于自然災害而給樁基帶來的影響。因此，橋梁樁基承受的荷載較大，這就需要我們緊密結合實際來強化荷載處理。

第二，負摩擦力。若樁基周圍的地層出現了沉陷，就需要在地層樁體中出現向下滑動的位移，若此位移比樁基下沉的位移要大，那么樁側土就會給樁基帶來向下作用力，這個力就叫作負摩擦力，所以在計算時也應該結合地質做好對負摩阻力的精確計算。

3 橋梁樁基的計算內容

橋梁樁基礎計算主要內容（僅介紹常見的摩擦樁及端承樁）

3.1 荷載分配

作用于承臺底或樁頂的外荷載P、H、M 用結構位移法分配到各樁樁頭Pi、Hi、Mi，并給出承臺底中心（或樁頂）外荷載作用點處的水平位移、豎向位移和轉角。

3.2 承載力

樁基承載力是橋梁計算的重要組成部分。根據荷載分配進行單樁承載力驗算，計算出各樁的容許承載力［Ra］和實際最大承載力R。

橋梁樁基礎單樁承載力計算依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG3363-2019）進行［1］。

（1）摩擦樁：

單樁容許承載力計算公式：

對支撐在土層中的鉆（挖）孔灌注樁，其單樁軸向受壓承載力特征值Ra 可按下列公式計算：

（2）端承樁

單樁容許承載力計算公式：

對支撐在基巖上或者入基巖中的鉆（挖）孔樁、沉樁，其單樁軸向受壓承載力特征值Ra 可按下式計算：

（3）樁身強度計算

采用m 法計算樁身在垂直力Pi、水平力Hi 和彎矩Mi 作用下樁身內力和位移，并對配筋進行驗算。

樁身強度計算模型：普遍采用的是將樁作為彈性地基上的梁，按文克爾假定（樁身任一點的土抗力和該點的位移成正比）的解法，簡稱彈性地基梁法。我國鐵路、公路、水利及房建等領域常用的“m”法、“K”法、“c”法等均屬于此種方法，公路橋梁樁基礎設計中一般常用“m”法。

（4）樁基礎穩定計算

（5）樁基礎裂縫計算

按照橋涵規范（JTG3362-2018）有關章節進行［2］。

（6）樁基礎沉降驗算

（7）設計荷載

樁基礎設計荷載包括：上部結構傳遞荷載、下部結構墩身、承臺自重以及船撞力、波浪力、風力、地震荷載等。

4 橋梁計算中經常出現的問題

4.1 樁基承載力計算參數取用問題

4.1.1 摩擦樁：

（1）k2—地基土容許承載力隨深度的修正系數；k2應根據樁端處持力層土類按表1 選用：

表1 地基土承載力寬度、深度修正系數 k1、k2

樁基計算式，k2的取值是否得當對樁長的影響非常大。結合廈門新機場某項目，項目位于填海造地區，樁基采用摩擦樁設計，樁基持力層位于砂土狀強風化花崗巖，k2取值2.5 和4 時，樁基長度相差11m。所以合理取用參數k2值，對工程規模有著很大的影響。設計時應結合地質勘查報告，根據各巖層風華的相應土類取值，合理取用參數。

（2）清底系數m0

m0與樁底沉淀土厚度和樁徑比值t0/d 有關，設計時根據樁底沉淀土厚度要求和樁徑比值t/d 按規范取用。

表2 清底系數m0

（3）樁尖以上土的容重γ2:

應根據橋位處樁位實際情況，采用干容重還是浮容重。

（4）土層qik、qr 等參數取用出錯

一般地質土層數較多，qik數據輸入時易出錯，加強核查，qr計算時應注意土層類別，按照規范取值，粉砂不大于1000kPa,中細砂1150kPa，中砂、粗砂、砂礫1450kPa,碎石土2750kPa。

4.1.2 端承樁：

（1）樁底巖層不均勻有軟弱層情況，根據地質報告采用，樁尖應避開軟弱夾層，fr 按地質鉆孔資料推薦值或低值采用。

（2）端承樁樁基持力層一般從中風化或微風化巖層巖面起算，并滿足一定的入巖深度。

（3）c1、c2—根據清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的參數，按《公路橋涵地基與基礎設計規范》P42 表6.3.7-1 取用；

表3 發揮系數c1、c2

d ＞1.5m 時，t ≤100mm；

3、對中風化層作為持力層的情況，c1、c2分別乘以 0.75的折減系數。

4.2 負摩阻力計算問題

對于地表附近一定深度范圍內有軟弱土層（未經地基處理）的橋臺或橋墩（旁邊有填土會引起地基沉降），樁基礎設計應考慮負摩阻影響。

樁基計算時不考慮負摩阻力，可能導致樁基承載力不足，影響橋梁安全。負摩阻力深度可按0.77～0.80h（h-軟土層厚度）考慮。為簡化設計，一般保守地按軟土層范圍均按負摩阻考慮。

4.3 樁底巖層為軟巖時，樁基是按照摩擦樁設計還是端承樁設計的問題

設計時經常遇到樁基持力層為軟巖的情況，比如中風化粉砂巖，中風化泥巖，這種情況下是按照端承樁設計還是摩擦樁設計，是很多設計人員很糾結的一個問題。其實對這個問題，規范里給出了明確的解答，主要參照frk值進行設計。

對于樁端巖石飽和單軸抗壓強度frk＜2MPa 時，樁基礎承載力按摩擦樁計算，樁基礎按摩擦樁設計。

4.4 樁身強度計算問題

樁身強度計算一般應先計算樁頂豎直力、水平力和彎矩，然后進行樁身強度計算。尤其是水平力，一般應根據橋梁上部結構型式、聯長、支座型式、地震基本烈度等綜合考慮，進行必要的水平力計算。如常規橋梁，可采用集成剛度法計算水平力在各墩（臺）分配。通航河流水中橋墩應進行船撞力驗算；強震區應根據規范計算地震荷載，并采用地震荷載控制橋梁樁基礎設計等。設計人員樁基設計時不僅計算樁長，還要對樁身強度做出計算，并根據計算進行配筋設計［3］。

5 橋梁樁基礎設計主要問題及處理

問題1：樁長如何控制，控制多長合適？

措施1： 鉆（挖）孔灌注樁基礎設計時樁長L 原則上按不超過40 倍樁徑即40d 控制，否則可考慮按增加樁的根數或樁徑處理。

問題2：樁頂標高取用不合理，具體表現：

（1）陸地橋墩樁頂埋入地面過深，增加土方開挖量和施工難度，或樁頂露出地面，影響美觀。

（2）水中墩橋墩樁頂置于河底或高出常水位太多。

措施2：合理確定樁頂標高。除去有特殊要求的橋梁（比如有泄洪或者通航需求的橋梁）需要將承臺置于一般沖刷線以下外，其他橋梁建議陸地橋墩樁頂標高按照埋入地面線以下0.5m 控制為適宜；位于水中的橋墩樁頂標高一般按常水位以下0.10m 控制較為合適［3］。

問題3：橋梁樁底標高取用不合理。樁底標高置于軟弱土層內或置于軟弱土層分界面附近。

措施3：合理確定橋梁樁底標高。為確保橋梁安全，橋梁樁端持力層應設置于較為良好的持力層，應避免設置于軟弱土層內或軟弱土層分界面附近。

問題4：橋梁樁頂力計算僅考慮豎向力向下疊加。

措施4：計算樁基承載力時，確定樁頂力時除了考慮豎向分力，還應考慮水平分力以及彎矩對樁產生的影響，橋臺位置處還需考慮土壓力的影響。

問題5：樁基承臺厚度，規范規定承臺厚度不小于1.5 倍樁基直徑且不小于1.5m，部分設計人員認為應該嚴格執行規范，設計中對樁基礎承臺厚度尺寸取用不合理，造成材料的浪費。

措施5：參照某項目橋梁案例，橋墩采用雙柱式花瓶墩,橋墩墩底尺寸為1.8m×1.8m，樁基采用單排樁基，樁基直徑2.2m，樁基和墩柱中心線對齊。按照規范，承臺厚度嚴格執行規范應該不小于3.3m，但是由于橋墩與樁基對應，橋墩將上部傳下來的力直接傳給樁基，承臺的作用類僅是起到一個方墩和圓樁連接的一個過渡作用，故本項目此類承臺設計時采用2m厚度，設計合理，且為工程節省了大量的材料。

問題6：嵌巖樁嵌巖深度多少為宜？

措施6：端承樁深度須根據計算確定，一般嵌巖深度宜不少于一倍樁徑。如《國道324 復線（同安段）二期完善工程施工圖設計》，樁基如巖深度按照如下控制：

6 結束語

綜上所述，由于作為橋梁結構與地基連接的關鍵結構，樁基礎的設計與施工在工程建設中是非常重要的，其中任何一個環節處理不當，都會給橋梁結構帶來重大的安全隱患。因此，在實際的工程案例中，應需要根據項目實際情況因地制宜的進行設計和選擇施工方法，做到綜合分析及多方案比選，并謹慎用心的組織設計與施工，以確保橋梁安全。