橋梁樁基設計要點研究

文 / 魏吉明

樁基設計直接決定著結構整體的穩定性與承載能力，因此在設計時往往需要秉承嚴苛的標準，并根據項目實際條件不斷優化，設計人員密切聯系工程的具體特點，不斷完善結構的承載能力分析。但在我國目前的許多工程中，樁基設計受到各種各樣的因素影響常常容易出現問題。在這樣的背景下，未來橋梁的設計與施工就需要積極引入新理念與新技術，推動設計工作向著科學化、信息化的方向發展，改善樁基和設計的水平。

橋梁樁基的作用

緩解上部結構沉降

樁基是橋梁工程的重要組成，構成了結構傳力的主要框架，為了保證橋梁工程整體滿足承載力要求，首先應當確保樁基具有足夠的剛度。只有樁基具有足夠剛度，才能夠有效傳導、承載上部結構所受的荷載，并緩解由此帶來的沉降。所以，樁基能夠起到控制結構變形、預防過大位移的作用，為橋梁發揮預期功能提供穩定的條件。

此外，樁基與環境土體之間一般存在空隙，這就導致基礎、土體之間會產生摩擦作用，這也有助于分擔上部荷載，改善結構整體的穩定性。

降低建設成本

我國基礎工程建設得到了極大的促進，橋梁工程的體量與數量也隨之發生著提升。在這樣的情況下往往不可避免地會遇到復雜地形地勢及地質條件，譬如地下水位過高或需要水下作業時，可以將樁基當做橋梁的基礎，這不僅有助于提升橋梁工程的施工質量，同時還能夠合理配置生產資源，將建設成本控制在可接受的范圍內。

抵御自然災害

作為橋梁工程的特殊組成，樁基的力學表現往往比較突出，具有良好的抗拉能力且能夠很好地應對自然災害的沖擊，避免由于自然因素導致的各類耐久及安全問題。

橋梁工程樁基設計要點

樁基選型及間距確定

隨著工程建設需求趨于多樣化發展，樁基的類型也越來越多，對于不同工程條件及要求下的橋梁工程建設，所應用的樁基往往也存在較大的差異。樁基主要起到承擔上部荷載作用，為橋梁交通運輸功能的實現建立良好的環境。

總的來看，根據荷載傳導方式的不同，樁基可大致分為端承樁及摩擦樁兩大類，其中端承樁一般需要伸入到土體較深的位置，且持力層以堅硬穩定的基巖為主，以此來形成穩定、可靠的支撐力。在施工完成后，端承樁的位移及與土體的摩擦都比較小。而摩擦樁則主要應用于土層比較厚的土體中，此外若樁基與硬質土難以貼合時也可考慮采用摩擦樁設計。

對于摩擦樁而言，其上部荷載主要由樁身于土體之間的摩擦力來傳導，基巖作用在樁上的反力一般不高。端承樁、摩擦樁的承載能力與側阻力、阻力以及樁長徑比之間存在密切關系。在開展樁基施工時，若樁底伸入到持力層中且樁長徑比處于15-20的范圍內，則樁側阻力要先于樁端阻力承擔上部荷載；而對于樁長徑比小于40且未被軟弱土體覆蓋的樁，樁端往往處于風化程度較大的土體中，此時則樁端承載力處于較低水平。

除此之外，在開展樁基設計時，還需要對樁間距予以足夠重視，過大或過小的間距均會導致樁基承載能力不佳。

樁基承載力計算

承載力是樁基需要關注的首要指標，也是保障工程穩定的根本。在確定樁基承載力時，需要對結構極限支撐能力做出精確計算，并以此為基礎來確定施加在橋梁上的最大荷載水平。計算所需的主要公式如下：[P]=（c·A+c·U）R。其中，[P]為樁基的極限承載力，KPa；c、c均為樁基的穩定系數；A為樁基下截面面積，m；U為樁基伸入到巖層中的底面周長，m；h為樁基扣除風化層后伸入巖層的長度，m；R為樁基底巖石的最大抗壓強度，KPa。在確定樁基極限承載力時，技術人員應當嚴格遵照上式完成計算，特別需要注意補充條件的選用，確保最終計算數據的準確可靠。

樁基負摩阻力

1.負摩阻力的成因

在計算樁長時，所考慮的摩擦力均為正摩擦力，即指樁體沉降量大于附近土體沉降量時，樁身受到土體的向上作用。樁側摩阻力的作用方向可通過樁體及附近土體的相對沉降量來判斷，特別是在軟土中受到土體自重及上部荷載的影響往往會發生比較顯著的沉降現象，若其超出相應的限值，則土體作用于樁身的摩阻力就將改變方向，構成向下的負摩阻力。所以，在設計樁基時，應當對負摩阻力的影響予以充分考慮，并且根據計算結果不斷優化樁基的設計方案，減弱其不利影響。

2.負摩阻力的分布及計算

在實際的橋梁工程中，負摩阻力在樁身上可能產生的位置比較多，但值得注意的是負摩阻力不僅僅出現在軟弱土層中。受到樁基附近土體沉降的影響，正摩阻力沿樁身呈現出上大下小的分布，一般負摩阻力最早產生于樁頂處。在荷載長期作用下，土體沉降現象會持續增大，因此負摩阻力的分布也就不斷向下發展，由此形成上部負摩阻力、下部正摩阻力的分布。

在摩阻力值為零的位置即為中性點，正負摩阻力在該處相互抵消。在中性點位置以上的區域，土體沉降要高于樁體，因此樁身受到土體向下的作用，為負摩阻區；同樣地，在中性點之下的區域，土體沉降要小于樁體，因此樁身受到土體向上的作用，為正摩阻區。實踐表明，中性點的具體位置受到多重因素的影響，譬如土體性質、水文地質、樁徑樁長等，中性點深度的標準為：粘土時選用0.5～0.6m，中密以上砂土時選用0.7～0.8m，卵礫石土時選用0.9m，基巖時選用1m。

嵌巖深度

嵌固深度的確定需要重點考慮樁基荷載的水平，并綜合水平及豎向荷載兩個方面的影響。其中豎向荷載主要由結構自重及活載組成，譬如在橋梁工程中若基巖的單軸抗壓強度高于15MPa，則在設計時可不過多考慮豎向荷載的影響，而將水平荷載分析作為重點，以確定最佳的嵌固深度。

1.樁基長，覆蓋層厚

若建設地存在土層厚度過大的基巖，則該樁基的彎矩最大區段可以認為是出現在覆蓋土層內，且由覆蓋土層負擔大部分的彎矩與剪力。這一力學特性也就導致樁基對于嵌固樁的握裹力比較有限。所以，若在設計時涉及到樁基長且覆蓋層厚的情況，則需要充分考慮樁基尺寸、土體厚度等的影響，并將嵌巖樁的深度控制在0.5—1.5m的范圍內。

2.樁基短，無覆蓋層

若建設地的覆蓋層比較薄且基巖埋深比較淺，那么嵌巖樁即可被視為剛性樁，其所能承受的水平荷載主要根據嵌巖樁的埋置深度來確定，具體計算式為：h=（MH/0.066βRaD）。其中：h為嵌巖樁的埋置深度；M為基巖的頂面彎矩；β為計算系數；Ra為基巖的單軸抗壓強度；D為鉆孔樁的設計樁徑。

橋梁樁基設計時需考慮的問題

實地地質勘察

樁基對于橋梁工程整體功能的實現有著至關重要的影響，且在不同工程條件下所需考慮的影響因素也存在一定差異，因此在設計工作正式開始前應當實地對建設地質條件進行勘察，并形成具體全面的勘察報告。特別地，對于施工過程中出現的各類地質條件變化，也應及時做出研判其影響，靈活調整設計方案，基于勘察數據做出準確的設計變更。實地勘察的內容應至少包括地形地勢變化、地層厚度、土體硬度等。

確保樁基基本性能的實現

只有確保樁基設計具有足夠的科學性與可行性，橋梁結構才能發揮出預期的承載能力，將結構維持在穩定可靠的狀態下。所以在設計時需要兼顧的影響因素的比較復雜，需要協調好不同因素之間的相互作用，選擇最佳的樁型、樁徑及樁長等參數。需要特別注意的是，樁基的承載能力及基底反力計算都是決定樁基性能的關鍵，在設計過程中應當反復比選不同設計方案，綜合比對選擇最佳的方案，使得樁基能夠實現良好的荷載傳遞能力，在橫向與豎向荷載的組合作用下保持原有的性能。除此之外，設計人員還應當保證樁基具備良好的抗彎能力。

選擇合適的樁型及分布

經過長期的發展，樁基的類型已經得到了充分的發展，譬如預制樁、沉管灌注樁等都已經形成了比較成熟的技術體系。但在實際的設計與應用中，樁基的類型及其分布都需要結合工程實際情況來選定，并考慮好現場作業條件、上下結構性能等來進行進一步的優化。

結語

我國交通運輸正處于快速發展的階段，人們對于橋梁工程建設的要求也越來越高。樁基作為橋梁工程的重要組成部分，其設計環節影響著橋梁項目整體的性能。所以這也就需要技術人員能夠明確樁基的基本作用，并能夠掌握樁基設計的要點，能夠根據實際工程條件考慮承載能力、負摩阻力及嵌固深度等重要指標。同時，設計工作也應當體現樁基與上部結構之間的協調性與一致性。