橋梁設計中的樁基設計分析

石 璞

（湖北省林業勘察設計院，湖北 武漢 430200）

1 引言

我國是基建項目強國，工程建設如橋梁、房屋、電力等建筑都需要設計樁基基礎工程。在高速公路修建過程中，需要建設大量的橋梁，為了保證橋梁的最大承載能力，減少地基的沉降變形，經常采用深基礎設計，而樁基設計是最常用的深基礎設計。本文從樁基設計理論、橋梁樁基設計存在問題、橋梁樁基設計要點三方面論述樁基設計。

2 樁基設計理論研究

2.1 樁基設計理論

樁基設計是檢測和控制樁基的抗壓能力，使其符合橋梁總設計的要求。橋梁樁基設計需要滿足兩個要求：一方面，樁基和土體之間要相互穩定，滿足沉降位移要求；另一方面，樁基自身要有穩定的結構強度，以滿足樁基承載力的要求。樁基和土體的相互作用可以保證樁基具有足夠大的承載能力，使樁身不會產生誤差外的沉降變形，當樁基受水平方向的荷載時，對樁產生的彎矩與變形在允許范圍內。

樁基設計與其地基處理的不同之處在于其設計理念是“先實踐，后理論計算”。樁基設計主要包括承載能力設計和沉降變形計算，通過設置樁長、樁徑等參數設計樁基承載力，以保證樁基具有足夠的負荷能力。為避免過度變形造成橋梁損壞而進行沉降變形計算。此外，配筋和承臺可以保障樁基具有足夠的結構強度，也是樁基設計的重要內容，特別情況下，需要計算樁基和承臺的抗裂和裂縫長度。目前，我國樁基設計正處于變革時期，主要計算方法有：容許承載力計算、總安全系數計算、分項系數計算等。樁基計算理論主要分為兩類 ，容許應力理論的定值設計和依托概率理論的極限狀態設計。

定值設計法的原理是規定地基和樁身強度，限制剪切應力來調整地基沉降，屬于較為典型的樁基驗算方法。依據橋梁所處土體、河流等自然環境條件，確定樁基、承臺的參數設置以及圖紙驗算樁基中各樁的承載力，根據工程實際情況對樁基進行輕度和沉降計算，進而完成墩臺下構的設計。此計算方法的弊端是根據經驗判斷樁基的可靠度，可能會與實際施工情況不符。而樁基極限狀態計算方法加入可靠度理論和概率理論，利用統計學原理科學衡量樁基的可靠度，改變了以往用經驗設計橋梁樁基的缺點，使施工更加科學精準。

2.2 樁基產生豎向力的機理

樁基承載力由樁與土體間的距離決定，受樁基自身重量和承載負荷的影響，為使樁基穩定牢固，必須將樁與土體的位置向下移動。此時，土體會因剪切應變增大而產生不斷增大的剪切力，待剪切力處于閾值時，即使剪切應變持續增加，其仍處于穩定狀態，使得樁基兩端承載負荷不斷增加，最終影響樁基承載能力。樁與土體之間的位移變化包括樁身壓縮變形、樁兩端沉降變形兩部分，往往樁底及樁周沉降變形明顯，而樁身壓縮變形對樁和土體沒有明顯影響。以樁長30m、樁直徑1.5m 的空心樁體為例，其樁身壓縮變形極限僅為2mm。樁底沉降變形的主要原因是鉆樁孔時清理不徹底，施工清孔時，清理不徹底就會殘留樁身內的殘渣。受樁基自重及樁頂負荷的影響，當不斷增加承載壓力，會導致樁基發生10～20cm 的沉降形變。

3 橋梁樁基設計存在的問題

3.1 樁基承載性能有待提高

樁基承載性能主要包括樁基影響因素和樁基受力狀態兩方面。在實踐施工檢測中，通過物理模擬法檢測樁基承載能力。物理模擬法分為室內相似模擬、離心模擬和現場原位模擬。通過綜合分析樁基的荷載傳遞能力，可以看出荷載自樁頂沿樁身自上而下傳遞，主要靠土層摩擦力作用。在實際施工中，土質整體性能影響樁基受力狀態；樁身長與樁徑比例過高，樁側摩擦力變大，樁端承載性能變弱。反之比例過低，樁基不會發生形變，由樁端巖層承受荷載。因此，應充分掌握樁基的受力狀態，結合填充物質、頂板厚度、土體條件綜合評估、分析樁基承載力，以保證樁基設計的安全性，提高橋梁樁基的施工質量。

3.2 樁基嵌入深度不合理

參照橋梁樁基設計規范，當樁基嵌入深度小于0.5m 時，需要合理調整樁基承載力，但是實際施工中沒有規范的數值要求，這使樁基設計缺少規范標準，容易造成安全事故。究其原因是嵌入樁的定義沒有嚴格標準，施工人員對嵌入深度各執己見。一部分技術人員認為應當將實驗結果作為嵌入深度標準，但是試驗得到的嵌入深度范圍忽視了現場施工條件，結論并不完善；一部分技術人員認為樁基深度不應過深，因為嵌入深度對樁基承載力的提升效果較弱，只會增加施工成本，應用性不強。施工人員對樁基嵌入深度標準的理解不一致，一定程度上會影響橋梁樁基施工。

3.3 樁基承載力計算不合理

橋梁樁基承載力是衡量樁基穩固的重要因素，根據橋梁樁基設計規范要求，樁基承載力計算多以摩擦樁為計算參照。摩擦樁樁基承載力包括樁端荷載力和樁側摩擦力。樁基承載能力和樁基與土體的摩擦力、樁基相對土體的位移以及土層性質有關。在實際橋梁樁基設計中，應結合施工地區樁基的環境條件、土質條件調整計算參數，保證樁基的施工質量。

4 橋梁工程樁基設計要點

樁基設計時，要求樁的各項參數都能充分發揮樁基的承載能力。無論是整體設計還是局部設計，應當滿足樁基設計要求，依照科學計算確定樁身材料的強度等級。在樁基設計過程中，要保證設計規劃切實可行，并符合橋梁的使用功能。同時，應當運用先進施工技術和施工方法，充分控制樁基的性能，最大程度發揮樁基的承載能力，使樁基設計成本最低，安全性能最佳，滿足樁基設計的多方面要求。橋梁樁基分為低樁臺和高樁臺，低樁臺適用于季節性等沖刷流速較小的河流；高樁臺適用于常年有水，沖刷力度較大的河流。在實際施工中，高樁臺是施工設計的重點。

樁基設計主要參照初步規劃方案，結合實際施工環境和工程要求，完善制定安全、經濟、適用的具體施工方案。其設計要點內容包括樁基承載力計算、樁基承載性能分析、樁基嵌入深度、分析地基沉降變形問題、預估自然環境及其他因素對樁基的影響程度，采取相應的防范措施。本文以長1856.7m 高架路段標準、寬75.5m 的橋梁工程為例，深入分析橋梁樁基設計。具體從施工環境、群樁樁基形式、樁基選型和間距、壓漿參數設置、持力層設計、高樁臺設計等六方面進行重點闡述。

4.1 勘查施工環境

進行施工前勘察時，根據勘察重點不同，分階段完成勘察工作。在初勘階段，應重點勘察橋梁工程所處的地形、地質等自然環境條件，初勘階段通過鉆孔探測輔助物探的方式確定地質。本橋梁工程處于亞熱帶海洋氣候區，全年濕潤多雨，初勘后分析該項目區內土質復雜，下水位深1.3m，樁基施工受自然環境的影響較大。詳勘階段采用多種物探方式，依據初勘核查結果，明確土質從下及上分別為黃土粘質土、清灰土粘質土、灰色粘質土、填土。因此，必須加強樁基-土體牢固性以及完善防水設計。對復雜的土質條件，采用一樁一孔的形式。對于樁徑超過1.5m 的樁基，采用一個中心孔，四個周邊孔的設計方式，以達到安全穩固的施工要求。此外，根據施工方案和施工規范要求，勘察作業應原位測試，施工技術人員現場核查設計圖紙等資料，全面掌握、了解現場土質等環境情況，并改進施工技術方案，保證勘察結果滿足橋梁樁基施工需求。

4.2 選擇群樁樁基形式

施工技術人員在全面分析勘測結果、了解施工基本狀況后，可以初步確定設計橋梁樁基的形式。常用的樁基選型為大且短的群樁做基礎，避免了樁基和土體間的接觸。長時間地殼運動后地質發生改變，土體逐漸適應變化形式產生相對平衡的應力，樁基和土體接觸會破壞土體的應力平衡狀態，進而導致新的問題產生，增加施工難度，拖延施工周期，提高施工成本。根據樁基的受力性和土質條件，按照摩擦樁性質計算樁基長度，以預算的樁基長度為標準，計算樁底標高，綜合分析樁基整體的受力狀態。如果土體深度較深，樁基承載力和樁側摩擦力比較，樁側摩擦力的占比為主，此時，應該按照摩擦樁的計算方法預估樁長，持力層參數應該選擇承載能力較高的土質層。如果土體深度較淺，樁底降入土體后，樁基嵌入深度不夠，需要通過壓漿處理等方式提高土體密度和強度，預估樁基長度時可忽略不計樁側摩擦力。此外，應適當依據施工現場條件處理土層參數以保證施工的安全性。

4.3 確定樁基選型和間距

橋梁樁基承擔著橋梁自身的重量和可變荷載，根據荷載的傳播路徑可將樁歸為端承樁和摩擦樁兩類。荷載主要承載樁身和土體的摩擦力，端承樁和摩擦樁端阻力、側阻力與樁長比值相關。當樁長徑比值在15～20 時，樁側阻力發揮承載作用；當樁長徑比大于40 時，端承樁承載力變小。橋梁樁基設計必須達到最小間距的要求，在設計中避免群樁效應，若樁間距較大，則會影響樁基承臺的穩定；樁間距變小，則會增加造價成本。因此，橋梁承臺設計需要采用群樁加大承臺的方式。

4.4 合理設置壓漿參數

施工人員進行橋梁樁基設計時，應遵循橋梁樁基設計規范，確定壓漿參數，以提高土體密度和強度，避免影響樁基施工的質量。施工人員進行樁基加固作業時，既要及時總結工程數據和施工經驗，也要制定應急預案以確定合理的壓漿參數。為進一步評價壓漿參數的合理性，施工人員應按要求完成壓漿參數設置的檢測后，再進行后續工作。完成壓漿參數計算等準備工作后，施工人員應首先進行靜載試驗，測試相關參數，分析不滿足施工標準的技術參數的原因，直至調整標準后才能將其應用在樁基施工中。

4.5 施工持力層優化設計

施工技術人員設計橋梁樁基時，需要嚴格按照施工方案確定橋梁樁基位置。如果樁基所處地質環境良好，土質硬度高，則樁基建設難度大為降低。如果樁基所處土質松軟，則樁基建設難度會大幅增加，并且會影響橋梁工程整體施工情況。針對土質問題，施工人員應在施工前勘探確認土質狀況，通過優化持力層土質的方式提升樁基位置的土質硬度，為后續樁基建設工程節約時間和成本。在鉆孔灌注樁施工時，可能會出現樁基負荷能力差或樁體表層質量不過關的情況，也會對樁基施工造成不同程度的阻礙。因此，為避免以上問題，施工人員應當在注漿時做好漿管疏通工作，并在混凝土振搗時消除樁身土層裂縫的問題，保證樁體負荷能力滿足樁基建設要求。

4.6 橋梁樁基高樁承臺優化設計

高樁樁基是指有多根樁和基線的承臺組成的樁基礎結構，其主要作用是將樁端荷載通過承臺和樁傳入持力層地基中，在橋梁樁基中廣泛應用該樁基作為基礎結構。高樁承臺能穿過軟土層進入地下持力層，與低樁承臺相比具有更好的承載能力。在原有的高樁樁基設計基礎上，通過設置樁與樁間的連梁，增挖附樁，將一根樁改為四根，增加高樁承臺的穩定性。

4.7 樁基側面摩擦力提升設計

設計人員應當嚴格按照橋梁樁基礎設計規范完成橋梁樁基設計工作。樁基決定了橋梁的承載力，樁基側面摩擦力大小均勻與否是決定樁基施工現場是否安全、灌注樁是否穩定的主要因素。為提高樁基穩固性，施工人員需要保證樁身和周圍土體的緊密度，減小樁身和土體的位移距離，同時，采取降低樁身和土體摩擦力的方法，提升樁基側面摩擦力。因此，施工人員需要綜合分析樁基和土體條件，提高灌注樁穩固性，為后續樁基礎施工奠定基礎。

4.8 樁基承載力計算要點

橋梁樁基設計存在很多隨機性，樁基設計中通常用幾根試樁承載力的平均值和安全系數來確定樁基最大承載力，并不能反映群樁的荷載，承載能力計算方法存在明顯誤差；對于特殊土質條件，如軟土層、巖溶層、凍土等橋梁樁基設計應當提供針對性設計方案；設計橋梁樁基，需要最大程度發揮樁、土體、上部結構的承載力。實際樁基設計中，不少樁基設計簡單，缺乏完善的設計理念，承載力計算粗糙，對此設計者應當全面了解不確定因素和實際情況，全方位分析設計內容。

4.9 樁基設計要點

第一設計者遇到新工藝、新技術時，應在遵循各類技術規范的同時，靈活運用各種技術手段；第二在實際樁基設計中，運用工程經驗進行計算承載力仍是樁基設計方法中的重要環節，橋梁樁基承載力設計由傳統經驗計算方法過渡到結合施工環境精準計算的過程仍需大量分析，樁基承載力計算方法的實用性仍需進一步研究和實踐。

5 結語

本文在已有研究的基礎上，系統論述了橋梁樁基的理論研究和設計要點，實際推理樁基設計方法。橋梁樁基作為橋梁建設的基礎，其設計過程非常復雜，因此設計前，施工人員應當充分了解樁基實際情況和周圍自然環境，綜合分析樁基、土體、河流沖刷力等多種因素，全方位衡量后再完善樁基設計，確保橋梁樁基達到最大承載力并具有安全性，保證橋梁樁基施工質量以及成本的合理性。橋梁樁基設計不僅受地質條件、自然環境等因素制約，在施工中使用的施工技術和工藝也是影響樁基承載能力的重要因素。為此，施工人員應提升施工工藝、完善施工管理制度、加大質量檢測力度，提高后期施工效率，嚴格按照施工方案的規劃高質量完成施工。