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摘要：桩基础由于工期短、承载大、沉降小等优点,被广泛应用，桥梁建设中桩基起着重要的作用。本文对桩基的承载能力及《公路桥涵地基与基础设计规范》 中的经验公式进行了分析, 并较深入地讨论了桩的负摩阻问题和群桩应力现象。
关键词：桥梁建设；桩基设计
Abstract: The pile foundation because short time, carrying big, settlement, the advantages of small, is widely used, in the construction of the bridge pile foundation play an important role. In this paper the bearing capacity of the pile foundation and the highway bridge foundation and foundation design standards of empirical formula was analyzed, and the more thoroughly discussed the pile of negative friction problem and pile stress phenomenon.
Key Words: bridge construction; pile foundation design
桩的分类: 依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（下称《规范》）, 桩可以按承载性状分为摩擦桩( 桩顶荷载主要由桩侧阻力承受, 并考虑桩端阻力) 和端承桩( 桩顶荷载主要由桩端阻力承受, 并考虑桩侧阻力) , 按成桩方法分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩。设计安全而经济的桩基础, 必须分析桩与土的相互作用, 了解它的破坏形式。设计应符合以下要求:对于破坏应当有足够的安全度；应当使位移与沉降适应于上部建筑的正常使用。
1 单桩轴向承载力及经验公式
规范根据全国各地大量的静载试验资料, 经过理论分析和统计整理列出了计算公式。经验公式( 指《规范》中第5. 3. 3 条的公式) 的可靠性, 取决于摩阻力和桩尖支承阻力这两个指标的正确性, 目前经验公式尚能大致符合实际, 对于一般工程, 可按经验公式进行桩基设计。但经验公式终究是一个为数不多的静载试验资料的统计平均结果, 再加上对土的分类较粗糙, 因而也带有局限性, 试验表明, 公式有时不符合工程实际情况, 故使用时仍需参照当地的经验进行比较分析, 复杂情况, 尚需静载试验加以验证。现有的打桩( 沉桩) 公式的计算结果, 一般不宜单独的作为设计桩基的依据, 这是由于打桩的过程中存在许多复杂的力学问题, 现在的打桩公式都未能考虑进去, 故必须结合实际经验加以使用, 打桩公式的优点是可以根据沉入度指标了解每根桩的承载力, 适合于在打桩施工中对每根桩的承载力进行对比检验, 也就是说, 桩基工程中有几根桩的靜载试验资料可作对比标准, 则打桩公式就显示出它检验其他桩的承载力的优越性。
经验公式的新规范已比旧规范改进了许多, 如桩底支承在岩层上的支承桩, 原公式略去桩周的摩阻力不计, 现在的公式已经多了一项。但是还未完全解决桩侧摩阻力与桩底阻力异步发挥的问题, 仍然是根据桩侧土极限摩阻力和桩底极限阻力的经验值计算出单桩轴向承载力, 然后除以安全系数K ( 我国一般取K =2) 来确定单桩轴向容许承载力, 这仍然是它的局限性。
因此, 在设计桩基时, 应具体问题具体分析, 不能一律简单按《规范》给出的经验公式去计算。
2 关于负摩阻问题
当桩周土体因某种原因下沉, 其沉降速度大于桩的下沉时,桩侧土就相对于桩作向下位移, 使土对桩产生向下作用的摩阻力,称为负摩阻力。大多数情况下, 桩受到的是正表面摩擦阻力作用,只有在桩周地面造成沉降的情况下, 桩才会受到负摩阻作用。
土通过负表面摩擦力对桩施加的总的向下的拉力称为下拉荷载 , 对桩来说下拉荷载是由桩承担的附加荷载, 在某些情况下, 下拉荷载的数值极为可观, 如果在桩的设计中未作考虑, 就有可能使负荷过大, 造成桩基沉降过大。《规范》 中5.3.2 指出: “在软土和软弱地基土层较厚、持力层较好的地基中, 桩基计算应考虑路基土荷载或地下水位下降等因素所引起的负摩阻力的影响”。新版规范5.3.2 给出了计算单桩负摩阻力的公式。
中性点及其估定方法。土与桩的相对位移情况决定作用于桩侧面的摩擦力方向, 桩的竖向位移与桩周基土内的竖向位移相等之处, 即为中性点位置。精确计算中性点位置比较困难, 目前多采用依据一定的试验结果得出经验值, 或采用近似的估算方法。负摩阻力的计算。在设计桩时, 有必要确定负表面摩擦力的最大值, 以此求出下拉荷载Nn 作为作用于桩上的附加荷载。新《规范》中建议用来计算负表面摩擦力的半经验公式是:。其中,为竖向有效应力； 为负摩阻力折减系数, 见表1(《规范》中表5- 3) 。
表1 负摩阻力折减系数
认为值随土的塑性降低而增大,与桩长无关, 但随桩材的粗糙度增大而增大。从而可计算下拉荷载 ： 。其中,为桩的周长； 为中性点的估计深度。软土地区做桥台桩基时, 可事先填筑路基预压, 以减少产生负表面摩擦力的可能性。
3 摩擦桩群桩的应力重叠现象
桩基是由多根桩( 群桩) 组成, 对于柱桩, 可以认为群桩承载力等于各单桩的承载力之和, 其沉降也几乎与各个单桩相同, 摩擦桩则不同, 应力分布见图1。
图1摩擦桩桩尖平面应力分布图
由于摩擦桩主要靠表面摩擦将外荷载传递给土体, 因而桩底的应力分布有所扩散。由此可见, 群桩中各桩传递的应力相互重叠, 致使群桩桩尖处土层受到的压力要比单桩大, 而影响范围比单桩深。因而当单桩和群桩中各桩都承受相同的荷载时, 群桩的沉降要比单桩大得多。所以说, 群桩中各桩的承载力就小于单桩了。
显然, 桩距越大, 应力重叠现象将越小； 桩距越小, 这种应力重叠现象将越严重。在一般桥梁桩基设计中, 不会因桩距过大而造成施工困难, 所以桥梁桩基的摩擦桩群桩, 多是处于严重应力重叠状态。因此, 在设计群桩过程中, 需考虑群桩的应力重叠现象。
综上所述, 在设计桩基时, 应正确理解经验公式的来源和含义, 具体问题具体分析。在计算易产生负摩阻力的桩基础和群桩基础时, 计算桩长时, 必须考虑其影响的大小, 如果仅仅是凭计算结果, 简单地增加桩长, 往往是浪费的, 有时又是不安全的, 这样会使得桩基沉降, 严重时影响上部结构的使用和安全。故在设计桩基础时, 桩长的计算应引起设计人员的重视。
参考文献:
[1] JTG D63- 2007, 公路桥涵地基与基础设计规范[S].
[2] CJJ 2- 2008, 城市桥梁工程施工与质量验收规范[S].
[3] 徐光辉, 胡明义. 公路桥涵设计手册———梁桥[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.
[4] 江祖铭. 公路桥涵设计手册———墩台与基础[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.
[5] 白新宇, 张振波, 李娟. 桥梁全桩基础的三维仿真分析[J]. 山西建筑, 2009, 35(5) : 289- 290.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：桥梁建设；桩基设计
Abstract: The pile foundation because short time, carrying big, settlement, the advantages of small, is widely used, in the construction of the bridge pile foundation play an important role. In this paper the bearing capacity of the pile foundation and the highway bridge foundation and foundation design standards of empirical formula was analyzed, and the more thoroughly discussed the pile of negative friction problem and pile stress phenomenon.
Key Words: bridge construction; pile foundation design
桩的分类: 依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（下称《规范》）, 桩可以按承载性状分为摩擦桩( 桩顶荷载主要由桩侧阻力承受, 并考虑桩端阻力) 和端承桩( 桩顶荷载主要由桩端阻力承受, 并考虑桩侧阻力) , 按成桩方法分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩。设计安全而经济的桩基础, 必须分析桩与土的相互作用, 了解它的破坏形式。设计应符合以下要求:对于破坏应当有足够的安全度；应当使位移与沉降适应于上部建筑的正常使用。
1 单桩轴向承载力及经验公式
规范根据全国各地大量的静载试验资料, 经过理论分析和统计整理列出了计算公式。经验公式( 指《规范》中第5. 3. 3 条的公式) 的可靠性, 取决于摩阻力和桩尖支承阻力这两个指标的正确性, 目前经验公式尚能大致符合实际, 对于一般工程, 可按经验公式进行桩基设计。但经验公式终究是一个为数不多的静载试验资料的统计平均结果, 再加上对土的分类较粗糙, 因而也带有局限性, 试验表明, 公式有时不符合工程实际情况, 故使用时仍需参照当地的经验进行比较分析, 复杂情况, 尚需静载试验加以验证。现有的打桩( 沉桩) 公式的计算结果, 一般不宜单独的作为设计桩基的依据, 这是由于打桩的过程中存在许多复杂的力学问题, 现在的打桩公式都未能考虑进去, 故必须结合实际经验加以使用, 打桩公式的优点是可以根据沉入度指标了解每根桩的承载力, 适合于在打桩施工中对每根桩的承载力进行对比检验, 也就是说, 桩基工程中有几根桩的靜载试验资料可作对比标准, 则打桩公式就显示出它检验其他桩的承载力的优越性。
经验公式的新规范已比旧规范改进了许多, 如桩底支承在岩层上的支承桩, 原公式略去桩周的摩阻力不计, 现在的公式已经多了一项。但是还未完全解决桩侧摩阻力与桩底阻力异步发挥的问题, 仍然是根据桩侧土极限摩阻力和桩底极限阻力的经验值计算出单桩轴向承载力, 然后除以安全系数K ( 我国一般取K =2) 来确定单桩轴向容许承载力, 这仍然是它的局限性。
因此, 在设计桩基时, 应具体问题具体分析, 不能一律简单按《规范》给出的经验公式去计算。
2 关于负摩阻问题
当桩周土体因某种原因下沉, 其沉降速度大于桩的下沉时,桩侧土就相对于桩作向下位移, 使土对桩产生向下作用的摩阻力,称为负摩阻力。大多数情况下, 桩受到的是正表面摩擦阻力作用,只有在桩周地面造成沉降的情况下, 桩才会受到负摩阻作用。
土通过负表面摩擦力对桩施加的总的向下的拉力称为下拉荷载 , 对桩来说下拉荷载是由桩承担的附加荷载, 在某些情况下, 下拉荷载的数值极为可观, 如果在桩的设计中未作考虑, 就有可能使负荷过大, 造成桩基沉降过大。《规范》 中5.3.2 指出: “在软土和软弱地基土层较厚、持力层较好的地基中, 桩基计算应考虑路基土荷载或地下水位下降等因素所引起的负摩阻力的影响”。新版规范5.3.2 给出了计算单桩负摩阻力的公式。
中性点及其估定方法。土与桩的相对位移情况决定作用于桩侧面的摩擦力方向, 桩的竖向位移与桩周基土内的竖向位移相等之处, 即为中性点位置。精确计算中性点位置比较困难, 目前多采用依据一定的试验结果得出经验值, 或采用近似的估算方法。负摩阻力的计算。在设计桩时, 有必要确定负表面摩擦力的最大值, 以此求出下拉荷载Nn 作为作用于桩上的附加荷载。新《规范》中建议用来计算负表面摩擦力的半经验公式是:。其中,为竖向有效应力； 为负摩阻力折减系数, 见表1(《规范》中表5- 3) 。
表1 负摩阻力折减系数
认为值随土的塑性降低而增大,与桩长无关, 但随桩材的粗糙度增大而增大。从而可计算下拉荷载 ： 。其中,为桩的周长； 为中性点的估计深度。软土地区做桥台桩基时, 可事先填筑路基预压, 以减少产生负表面摩擦力的可能性。
3 摩擦桩群桩的应力重叠现象
桩基是由多根桩( 群桩) 组成, 对于柱桩, 可以认为群桩承载力等于各单桩的承载力之和, 其沉降也几乎与各个单桩相同, 摩擦桩则不同, 应力分布见图1。
图1摩擦桩桩尖平面应力分布图
由于摩擦桩主要靠表面摩擦将外荷载传递给土体, 因而桩底的应力分布有所扩散。由此可见, 群桩中各桩传递的应力相互重叠, 致使群桩桩尖处土层受到的压力要比单桩大, 而影响范围比单桩深。因而当单桩和群桩中各桩都承受相同的荷载时, 群桩的沉降要比单桩大得多。所以说, 群桩中各桩的承载力就小于单桩了。
显然, 桩距越大, 应力重叠现象将越小； 桩距越小, 这种应力重叠现象将越严重。在一般桥梁桩基设计中, 不会因桩距过大而造成施工困难, 所以桥梁桩基的摩擦桩群桩, 多是处于严重应力重叠状态。因此, 在设计群桩过程中, 需考虑群桩的应力重叠现象。
综上所述, 在设计桩基时, 应正确理解经验公式的来源和含义, 具体问题具体分析。在计算易产生负摩阻力的桩基础和群桩基础时, 计算桩长时, 必须考虑其影响的大小, 如果仅仅是凭计算结果, 简单地增加桩长, 往往是浪费的, 有时又是不安全的, 这样会使得桩基沉降, 严重时影响上部结构的使用和安全。故在设计桩基础时, 桩长的计算应引起设计人员的重视。
参考文献:
[1] JTG D63- 2007, 公路桥涵地基与基础设计规范[S].
[2] CJJ 2- 2008, 城市桥梁工程施工与质量验收规范[S].
[3] 徐光辉, 胡明义. 公路桥涵设计手册———梁桥[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.
[4] 江祖铭. 公路桥涵设计手册———墩台与基础[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.
[5] 白新宇, 张振波, 李娟. 桥梁全桩基础的三维仿真分析[J]. 山西建筑, 2009, 35(5) : 289- 290.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。