探讨某高速公路桥梁端承桩的优化设计

探讨某高速公路桥梁端承桩的优化设计摘要：本文结合某项目的实际情况，分析了目前桥梁桩基设计中存在的一些问题，同时对端承桩桩长及配筋的计算进行了分析，对项目桩基和配筋进行优化，得出了刚性桩及柔性桩的嵌岩深度及桩基配筋的实用设计原则，本文主要就桩长和配筋的优化设计进行探讨，为桥梁端承桩的设计提供了有益的借鉴。

关键词：端承桩；桩长；配筋；优化设计引言目前国内桥梁桩基础的设计一般依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（ＪＴＧＤ６３—２００７）以下简称《规范１》）进行。

在此之前，则是依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（ＪＴＪＯ２４—２９８５）（以下简称《规范２》）进行。

《规范２》第４．３．４条规定：支承在岩基上或嵌入岩基内的钻（挖）孔桩，其单向受压容许承载力［Ｐ］按下式计算：［Ｐ］＝（ｃ１Ａ＋ｃ２Ｕｈ）Ｒａ（１）《规范２》中通常认为只要是嵌岩桩就是端承桩，就适用于式（１）。

然而，实际工程中，只有桩基长径比较小、土层侧阻力占比例不大时，桩基体现端承桩的特征，式（１）才适用。

同时，相关研究表明，在设计标准上，单纯地采用《规范２》中式（１）作为端承桩的承载力设计控制存在一些不足，计算结果偏于保守，没有充分发挥桩端阻力，对于工程而言属于浪费。

但是《规范２》实施了２０多年，影响非常深远，其总体上偏保守的设计思想影响了一代桥梁工程师。

特别是２００４年《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（ＪＴＧＤ６２—２００４）（以下简称《规范７》发布实施以后，设计人员发现设计荷载总体上有所提升，认为桩基础也应该相应更保守。

这样，端承桩的设计嵌岩深度也增加，配筋也在加强，造成了一些不必要的浪费。

某高速公路的桥梁基础大多采用桩基础，仅其中的一段路线长１３２．６５５ｋｍ，主线桥梁３０８４７ｍ／１０８座，占路线长度的２２．７５％。

该段桩基设计总数约７３００根，长约１８００００ｍ，大部分均按端承桩设计，桩基础工程量非常大。

在这样的情况下，优化桩基设计，能显著降低本项目投资，缩短工期。

１端承桩桩长的确定端承桩嵌岩深度与桩基所承受的荷载有关。

桥梁桩基荷载主要分为竖向荷载和水平荷载。

在岩石单轴极限抗压强度较高的情况下，竖向荷载对桩基的嵌岩深度一般不会起决定性的作用，嵌岩深度主要受持力层的情况及水平荷载的影响。

１．１端承桩持力层的选择端承桩的承载力主要由桩端阻力来提供。

因此，要求桩端伸入一个足够强度的持力层。

《规范１》、《规范２》和部分设计人员认为，端承桩必须嵌入新鲜、完整的基岩或者是微风化岩层上，而忽视了岩石的强度情况。

因为有些强风化硬质岩（如花岗岩等），其极限强度往往大于新鲜极软岩的强度。

因此，在端承桩设计中，对桩端持力层的岩石强度需区别对待，不仅要考虑岩石的风化程度，更要考虑岩石的完整情况（裂隙是否发育），岩石的强度等细节。

事实上只要可以满足桩基所需的竖向力要求，即使是中风化层、甚至是强风化层都可以作为端承桩的持力层。

１．２柔性桩的嵌岩深度当岩层以上土体较厚，桩基的弯矩值最大区段一般落在覆盖土层中，由覆盖土层承担大部分弯矩和剪力，对基底端承桩的握裹作用就降低了很多，其受力形态为柔性桩，见图１ａ）。

根据《规范１》第５．３．９条规定，桩基内力主要采用“ｍ”法计算，根据刚性桩与弹性桩的判别式，当桩的入土深度ｈ满足式（２）条件时，则将桩按刚性基础计算，反之按弹性基础计算。

ｈ≤２．５／α（２）式中：α为土中基础的变形系数，其中：ｂ１为桩基计算宽度，对于单桩有ｂ１＝０．９（Ｄ＋１），Ｄ为桩基直径；ＥＩ为基础的计算刚度，对于基桩按弹性地基梁计算，ＥＩ＝０．６７ＥｃＩｃ，Ｉｃ＝πＤ４／６４，Ｅｃ为桩基混凝土的弹性模量，按《规范７》取值；ｍ为地基土的比例系数，与地基土的性质有关，也与桩在地面或冲刷线的水平位移有关。

因此，当覆盖层厚度ｈ≥２．５／α时，在满足竖向承载力的前提下，理论上桩端支承在基岩表面即可；考虑到基岩表面可能存有斜面，应预留一定的安全度，在实际设计中嵌岩深度一般取１．０～３．０Ｄ。

１．３刚性桩的嵌岩深度当覆盖层很薄，基岩埋深很浅或者是水中桩受冲刷影响，此时所有水平荷载全部靠嵌岩深度提供，受力模式为刚性桩，见图１ｂ）。

《规范１》中第５．３．５条明确了此类桩基嵌岩深度：式中：ＭＨ为基岩顶面处桩身的弯矩，ｋＮ•ｍ；ｆｒｋ为岩石的饱和单轴抗压强度标准值，ｋＰａ；β为系数，β＝０．５～１．０，根据岩层侧面构造而定；Ｄ为桩身直径，ｍ。

根据以往工程经验，此类桩基的嵌岩深度一般取３．０～５．０Ｄ，建议小桩径取大值，大直径桩取小值。

同时需要注意，此类桩基嵌岩深度受岩石强度和完整性影响较大，在某些情况应单独计算。

１．４嵌岩深度原则在项目中的应用根据上文所述，当ｈ≤２．５／σ时，桩按刚性基础设计，反之按弹性基设计。

表１、表２给出了该项目常规的装配式桥梁桩基对不同ｍ值时２．５／σ的值。

通过对表１、表２所列２．５／α值进行统计分析可以看出，其值大都为桩径的５～７倍。

根据该地勘资料，其地基土ｍ值大都在５０００～１００００ｋＮ／ｍ４之间。

为了便于实际工程应用，并保证一定的安全度，在通过计算满足承载力要求的前提下，对于跨径不大于５０ｍ的中、小跨径桥梁，采用如下原则：（１）当端承桩的入土深度ｈ≤２．５／α时，应按刚性桩设计，嵌岩深度应根据实际岩石单轴极限抗压强度及覆盖层厚度计算确定。

（２）当端承桩的入土深度ｈ≤１．５／α时，建议按柔性桩设计。

其中，桩径不大于１．５ｍ的端承桩当覆盖层厚度ｈ≥６Ｄ时，其嵌岩深度可取１．０～１．５Ｄ（大桩径取小值、小桩径取大值）；当桩径大于１．５ｍ、覆盖层厚度ｈ≥５．５Ｄ时，其嵌岩深度可取１．０～１．５Ｄ。

按以上原则确定嵌岩深度，应注意桩长应同时满足临空面安全距离的要求。

２桩基的配筋原则桩基的配筋应根据《规范１》第５．３．１０条的规定设置。

对于较长的钻（挖）孔灌注桩，根据桩身内力的情况，可以将桩沿桩长方向分成３个区段：上段桩身弯矩较大，为钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件；中段桩身弯矩很小，为少筋混凝土或钢筋混凝土圆形截面轴心受压构件；下段桩身仅受轴力，为素混凝土圆形截面轴心受压构件。

根据桩基受力及构造特点，端承桩在桩身上段应严格按照钢筋混凝土圆形偏心受压构件进行配筋。

桩基以承压为主，为小偏心受压构造。

根据《规范７》计算配筋时，一般都是按截面最小含筋率控制。

按９．１．１２条规定，轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋百分率不应小于０．５％。

端承桩的“中段”和“下段”（如果有的话）的配筋率一般采用上段配筋数量的５０％。

根据前文所述，端承桩桩身的分段其实就代表桩基钢筋配筋率的分段，也就是决定全筋段、半筋段各多长的问题。

刚性端承桩根据其受力特点按全筋通长设置，柔性端承桩配筋则分全筋段、半筋段。

２．１全筋段长度的确定根据《规范１》附录Ｐ第６条“桩的入土深度，ｈ≥４／α，ｚ＝４／α深度以下的桩身作用效应可忽略不计”的规定，理论上ｈ≥４／α可不再配置钢筋。

因此建议全筋段长度取Ｌ１≥４／α。

按Ｌ１≥４／α确定的全筋段长度应属比较安全的，就算实际的弯矩零点距地面线或冲刷线的距离比４／α大，也没有必要将Ｌ１值加大。

因为４／α处仅为截断主筋的５０％，还有５０％的主筋是通过４／α处截面而继续向下延伸的。

２．２半筋段长度的确定单桩水平力计算方法主要有“Ｋ”、“ｍ”和“Ｃ”法。

相关研究表明，各计算方法的弯矩零点位置都比实测值高，这说明理论上的弯矩零点并不是实际的弯矩零点，例如“ｍ”法中的弯矩零点在４／α处，理论上认为在该点以下可以不配置钢筋。

但实事上，桩身在４／α深度以下仍存在有弯矩。

这就需要在４／α深度以下一定距离内布置一些钢筋。

就“Ｋ”法来说，它的弯矩影响深度较大，可达５．５８９／α以上。

为了安全起见，建议半筋段长度取Ｌ２≥６／α－Ｌ１＝２／α。

２．３端承桩所采用的配筋原则规范中地基土比例系数ｍ的值是以桩在地面处最大水平位移不大于６ｍｍ的条件下取得的，其值从淤泥层到密实卵石夹粗砂层的变化为：３０００～５０００ｋＮ／ｍ４到８００００～１２００００ｋＮ／ｍ４。

考虑到实际工程的某些情况，如一联桥的长度较大时桥台基桩或承受弯矩和水平力较大的基桩，其桩在地面或冲刷线处的最大水平位移可能超过６ｍｍ，这时ｍ值就要降低。

因此，为了安全起见，建议在计算桩基配筋长度时，可近似按最小的ｍ＝３０００ｋＮ／ｍ４来计算值，使值最小。

这样算得全筋段长Ｌ１、半筋段长Ｌ２就较大。

根据该高速公路的典型桥梁桩基及地质情况，按不同ｍ值和不同桩径Ｄ分别计算４／α值，如表３、表４所列。

通过对表３、表４所列４／α值进行统计分析可以看出，其值大多为桩径的１０倍左右。

为了方便实际工程中应用，并保证一定的安全度，建议４／α的值取１０Ｄ（Ｄ为桩基直径），即全筋段长度取１０Ｄ，对应的半筋段长度取５Ｄ。

但当有软土时，全筋段应穿过软土层。

３结论（１）当端承桩的入土深度ｈ≤２．５／σ时，应按刚性桩设计，嵌岩深度应根据实际岩石单轴极限抗压强度及覆盖层厚度计算确定。

（２）当端承桩的入土深度ｈ≤２．５／σ时，建议按柔性桩设计。

其中，当桩径不大于１．５ｍ的端承桩其覆盖层厚度ｈ≥６Ｄ时，其嵌岩深度可取１．０～１．５Ｄ（大桩径取小值、小桩径取大值）；当桩径大于１．５ｍ其覆盖层厚度ｈ≥５．５Ｄ时，其嵌岩深度可取１．０～１．５Ｄ。

（３）桩身上段配筋率应根据桥梁结构受力及地质情况等因素计算确定，但桩基构造配筋率为０．５％。

（４）刚性端承桩应按全筋通长设置，柔性端承桩及摩擦桩分全筋段及半筋段设计，不设素混凝土段。

分段配筋的桩基其全筋段长度取１０Ｄ（Ｄ为桩基直径），全筋段以下半筋到底。

注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开。