橋梁設計中的樁基設計探析

陳建云

（福州市規劃設計研究院集團有限公司，福建 福州 350001）

無論何種形式的橋梁設計方案，樁基都是重要組成部分，當前，多樣化的橋梁基礎類型中樁基憑借良好的承載能力、穩定性等得到廣泛應用。同時，樁基在施工過程中成本、技術難度等相對較低，具有較強的適應性，可以滿足大范圍地質條件施工要求。然而，為了保證工程質量，樁基在設計過程中需要考慮其受力機理，圍繞橋梁工程設計方案，科學編制樁基設計思路，包括科學選擇樁基類型、設計樁基間距、計算樁基的承載力等，如此才能確保橋梁結構安全、穩定。因此，樁基設計在橋梁中占據不可忽視的重要地位，開展相關研究具有現實意義。

1 橋梁工程闡述

為了更全面地闡述橋梁設計中的樁基設計重要性和要點，本文以XX 市區的XL 大橋工程為研究對象展開分析。該橋梁工程是該區域高架路的一部分，全長1 756.7m，寬度按照標準高架路要求進行設計，超過75m。橋梁工程全線由3 部分組成，分別是1 座高架橋、2 座匝道橋和1 座地面橋。工程位于我國東南部的亞熱帶季風海洋氣候區域，空氣較為濕潤，且全年雨水較多，整體土質相對較軟?；跉夂蛞蛩?、地質條件等影響，橋梁工程設計如下：上部結構采用預應力連續箱梁和預制箱型板為主要結構，橋梁的寬度和長度存在跨徑組合情況。從橋梁施工整體區域地貌、地層、地質等條件分析，樁基設計是重點工序。工程綜合成本、質量、安全性、穩定性等方面思考，確定采取鉆孔樁和柱式墩兩種方式作為支撐，其中鉆孔樁樁徑最高為1.5m，最低為1.2m，樁長接近55m；柱式墩以鉆孔灌注樁為基礎，約設置60根樁，樁長接近52m，樁徑在1.2～1.8m 范圍內。采用的樁基設計方式與施工地點的地質結構有關，施工區域內涉及填土、黃灰-灰色黏土、粉土等土質類型，還存在孤石等情況，復雜的地質條件再加上地下水等影響均會對施工產生干擾，此時施工中還需要關注防水情況，否則會影響后續使用壽命和使用質量。

2 地質勘探和樁基豎向力產生機理

2.1 地質勘探

通過系統地開展橋梁工程地質勘探工作為橋梁工程樁基設計奠定基礎。在地質勘探過程中，先對地質、土層劃分、巖溶情況等進行了解，明確各區域樁基設計的注意事項和分布規律。然后，借助現代化技術對巖石分布、地下水位、地下水分布等進行勘探，為后續提供參考依據。最后，針對橋梁工程設計方案對樁基的設置分布進行勘探，采用鉆孔+物探方式全面了解樁基施工位置的地質條件和地下水位。經過勘探可知，工程區域土層包括黃灰-灰色黏土、粉土、青灰-灰黃粉質黏土、黃灰-青灰黏粉土等，地下水位常年為1.3m，最高地下水位接近3.4m，還存在孤石。

2.2 樁基豎向力產生機理

樁基由于上部荷載與土體荷載的共同作用出現相對位移情況，同時由于樁基自重與上部荷載的影響，隨著時間的積累，樁基會逐步下沉，此時對土體產生剪切力，當剪切力達到最大時，剪應變持續增加，但剪應力不再變化，就會導致樁基承受荷載變大，進而影響其質量和功能發揮。另外，樁與土體之間的相對位移可按照3 部分進行分析：第一，樁身壓縮變形。通常變形集中在樁底和樁周上，樁身變形較小，以樁長25m、直徑1.2m 的空心板樁為例，樁身形變量僅為2mm，可以忽略不計。第二，樁底沉降變形。該沉降產生與鉆孔樁施工技術有關，鉆孔時清孔不徹底導致內部留有殘渣，隨著時間的積累，以及受到樁基自重和上部結構荷載的影響，可出現約為0.1～0.2m 的沉降變形。第三，樁周沉降變形。樁周在實際應用中也會受到自身重量和上部結構荷載的干擾，進而出現沉降變形問題，且變形量與樁底相似，相對樁身壓縮形變更為明顯。

3 橋梁工程樁基設計

3.1 樁基類型選擇、間距設計

橋梁樁基按照上荷載的傳播路徑可分為端承樁和摩擦樁兩部分，其中端承樁適用于硬質基巖施工場景，可深入土層并布設在基巖上，依托基巖良好的支撐能力保證橋梁結構穩定性，相對摩擦樁而言，端承樁樁體更少出現相對位移等現象。摩擦樁適用于土層較厚、樁基長度難以抵達硬質土層等場景，其主要依靠樁身、樁周土層的摩擦力保證結構穩定性，該樁型樁端土層和基巖反力相對較小。結合對兩種樁基類型的分析，在實際應用過程中應基于地質條件等科學選擇樁基類型。

同時，端承樁和摩擦樁樁端阻力、側阻力與樁長徑比值存在關聯，但樁長徑比值在15～20 范圍內，且樁底位于持力層時，樁側阻力先發揮作用；當樁長徑比值高于40、沒有軟弱土層覆蓋且樁端嵌入中強風化層時，端承樁樁端承載力相對較小，在選擇樁基類型時也需要注意這一問題。

另外，橋梁樁基設計中的間距是思考要點。設計中需要結合鄰樁施工影響確定最小間距范圍，避免出現群樁效應。如果設置的樁間距過大，會影響樁基荷載承載力，進而影響橋梁的穩定性；如果樁間距過小，不僅會增大施工成本，也會導致施工難度增大。因此，科學設置樁間距是重要任務。橋梁橋臺需要采用“群樁+大承臺”設計形式，從而確保各樁身、樁基之間互補，提升安全性和穩定性，該區域樁間距應基于樁徑進行思考，一般應控制在樁徑的6～8 倍范圍內，其中最小間距必須高于橋頭直徑的3.5 倍。

3.2 樁基承載力

橋梁樁基在橋面支撐中發揮著重要作用。因此，為了保證安全，在設計最初需要計算樁基承載力、最大支撐能力等，取得橋梁所能承受的最大荷載，驗證其是否滿足實際需求，為后續施工建設奠定基礎。計算樁基承載力的公式如下：

式中，[P]為所能承載的最大荷載值； (c1、c2U代表樁基穩定系數；A 為樁基底截面積；U 為樁基插入巖層內底面周長；h 為樁基去除風化層之后插入巖層的深度；)Ra為樁基底巖石基線抗壓強度。計算過程中，以公式（1）為基礎，且需要明確各參數，如果忽略其中部分數值，會影響最終結果的準確性，容易產生設計缺陷。

除此之外，在計算過程中，上述各參數也會受到自然因素、水文條件等影響，在計算中除了關注公式本身涵蓋的參數外，還要注重實際情況，如此才能保證設計符合規范要求，達到質量標準。

3.3 樁基負摩阻力

3.3.1 產生原因

樁長計算中涉及的摩阻力是周圍土體沉降低于樁體沉降時土體對樁體施加的向上摩阻力，也被稱為正摩阻力。樁側摩阻力的方向與樁體、周圍土體相對位移方向有關。對于橋梁工程，樁基在軟土范圍內必然會因自重、荷載等出現沉降變形現象，且土體也會隨之發生變形沉降。一旦土體沉降量高于樁基沉降量，就會對樁基形成向下的摩阻力，也就是負摩阻力。

如果忽略軟土負摩阻力的影響，按照公式（1）進行計算，確定的樁基承載力符合標準要求，但實際應用過程中，無法忽略軟土負摩阻力的干擾，因此，計算中必須考慮這一內容帶來的影響。通常容易出現樁基負摩阻力的情況主要集中在地表橋梁、橋臺路基填土量大，荷載量大；地下水抽取嚴重、土體自重導致的沉降嚴重等方面，在樁基設計時需要重點關注。

3.3.2 分布和計算

樁基負摩阻力并不完全來自軟弱基層，在樁周壓縮沉降下，樁身正摩阻力減小也會導致樁頂出現負摩阻力，土體沉降變形日益嚴重，負摩阻力的作用范圍也會隨之下移，當正摩阻力與負摩阻力相互抵消時，這一位置被稱為中性點，此時樁側摩阻力為0。中性點以上，由于土體沉降大于樁基沉降，所以，受負摩阻力影響，中性點以下正好相反為正摩阻力影響范圍。基于此，在計算過程中準確判斷中性點的位置是關鍵。

中性點位置會受到多種因素干擾，如樁底持力層硬度、樁周土體力學屬性等，一般情況下，樁底持力層硬度越大，中性點越深；樁周土體硬度越大，中性點越深。在確定橋梁樁基中性點深度時，可參考表1 取值。

表1 中性點深度取值范圍

圍繞上述分析，為了確保計算結果符合實際，在上述式子基礎上，將負摩阻力融入其中，形成如下公式。

上述式中，σξn為樁周土負摩擦力系數、σ為樁周豎向有效應力值、qn為樁基負摩阻力、F 為樁基各地層負摩阻力和、n 為負摩阻力生產的土層數、D 為樁徑、z 為生成土層厚度。其中，σξn的取值范圍見表2。

表2 樁周土負摩擦力系數取值范圍

3.4 嵌巖深度

這一深度與樁基荷載存在聯系，橋梁樁基荷載包括兩方面內容，其中水平荷載和豎向荷載均發揮重要作用。豎向荷載由橋梁結構自重和活荷載作用產生，但是，一旦基巖單軸抗壓強度低于15MPa，則可以忽略豎向樁基荷載。本文研究的工程案例已經超出這一范圍，所以，在分析過程中可以忽略豎向荷載，只考慮水平荷載的影響即可。

由于基巖土體厚度較大，樁基在設計過程中為了保證自身功能效果，會保證彎矩值最大段在土層覆蓋范圍內，進而確保大部分的彎矩和剪力被土層承擔，降低基地嵌巖對樁身的握裹作用。而在考慮嵌巖深度過程中，土層屬性、軟土厚度、橋梁結構等也會對其產生干擾，因此，需要綜合多方面因素進行計算設計，如果覆蓋土層較深厚，需要確保嵌巖樁在0.5～1.5m 范圍內。

另外，在橋梁實際設計中還存在樁基較短、無覆蓋層的問題。此時基巖掩埋深度較淺，嵌巖樁為剛性樁，水平荷載全部來源于嵌巖樁深度。在計算嵌巖深度時應按照剛性樁樁基的計算方法進行驗證，且確保參數符合國家相關規范文件要求。

3.5 樁端持力層厚度

嵌巖樁和支承柱要想保證自身承載效果，都需要強度較大的持力層提供助力。結合工程相關設計思路來看，有巖層存在且由于自然氣候等因素干擾，巖石類型、風化情況等存在差異，此時需要結合不同強度的巖石類型、風化產物等進行詳細計算。通常強度在20～200MPa 范圍內的硬質巖符合嵌巖樁樁基強度條件。基于此，本文在設計過程中需要結合巖石類型進行分析，由于本文工程地質條件中涉及硬質巖弱風化層和硬質巖弱風化層，一旦設計不合理，嵌入設計存在不足，不僅會影響穩定性，增大施工難度，還會延長工期。綜上，在嵌巖樁設計中，從巖層的裂隙發育情況、巖石強度等入手判斷其樁基豎向應力要求，在符合豎向應力要求前提下，選擇硬質巖弱風化層設計嵌巖樁持力層有積極作用。

4 結語

綜上所述，橋梁設計樁基是不可忽視的主要組成之一，對橋梁的安全性和穩定性有直接影響。因此，樁基設計是橋梁設計中的重點內容，也是當前巖土工程施工建設的熱點研究話題。在橋梁樁基設計中，樁體、土體之間的作用機理不可被忽視。