桩基设计研究

1、端承桩嵌岩深度确定的原则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。竖向荷载，主要是桥梁上、下部结构自重及活载作用，采用规范公进行验算。在桩端所处持力层的m1 n进行验算。在桩端所处持力层的“ R l = qApfrk uC2ihi f面 sUv liQiki 42 i 1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，嵌岩深度主要受水平荷载的影响。1、端承桩持力层的选择根据端承桩的定义，其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。部分设汁人员认为，端承桩就须嵌入新鲜、完整的基岩 或者是微风化

2、岩层上，完全忽视了岩石的强度。岩石按强度分为硬质岩、软质岩、 极软岩三种。岩石类型不同，其强度就不同，其不同风化程度的产物强度也有所 不同。对于一些硬质岩，即使是中风化层，其强度也可达2OMPa60MPa是可以满足端承桩基底强度的要求的。因此对中风化层厚度在5m以上，甚至十几米， 还要求穿过中风化层而嵌入微风化岩层上， 是不合理的，势必会增加施工难度和 工程造价，造成不必要的浪费。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，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

3、为端承桩的持力层。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 土层承担了大部分弯矩和剪力，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2(a)。根据公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)第5.3.9条规定，桩基内力计算主要采用“ 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满足下式条件时，将桩按刚性基础计算，反之按弹性基础计算2.5式中：a 式中：a 土中基础的变形系数，a=5bl 桩基计算宽度，对于单桩：bl =0.9(D+1) , D为桩径；EI 基础的计算刚度，对于基桩按弹性地基梁计算，EI=0.

4、67EcIc,其中D4, 一，一一， 一Ic = , Ec为桩基混凝土的弹性模量，按桥规取值。c 64m-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处的水平位移有关;图2弹性桩与刚性桩的弯矩图2 5因此，当覆盖层厚度h公时，在满足竖向承载力的前提下，理论上桩端a支承在基岩表面即可；考虑到基岩表面可能存在斜面，应预留一定的安全度，在 实际设计中嵌岩深度一般取1.0D3.0D(D为桩基直径)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 2(b) o公路桥涵地基与基础设计规范的第5.3.5条，明确

5、了此类桩基嵌岩深度h的计算公式:h .MH 0.0655- frkD式中：基岩顶面处桩身的弯矩（KNm；f rk-天然岩石的单轴极限抗压强度（KPa；D基桩设计直径（m）；B -根据岩层侧面构造，节理是否发育而定的系数；根据以往工程的经验，此类桩基嵌岩深度一般取3.0D5.0D,建议小桩径取大值，大桩径取小值。同时需注意，此类桩基嵌岩深度受岩石强度和完整程度 影响较大，在某些特殊情况须单独计算。4、嵌岩深度原则在高速项目中的应用2 5.根据上文所述，当桩的入土深度 hE25时，将桩按刚性基础计算，反之按ot弹性基础计算。表4中是高速项目常规的装配式桥梁桩基对应不同 m值的2.5/ a2.5/

6、口值计算表表4色径D（m）1.01.21.41.51.61.82.0m小-(巧/ 0c值(Kpa) 30007.08438.04198.94059.37109.790410.599511.373750006.39627.26098.07228.46098.83969.570110.2691100005.56826.32107.02727.36567.69538.33138.9397150005.13455.82866.47996.79197.09597.68238.2434通过对表4所列2.5/ 值进行统计分析可看出，具值大多分布在对应桩径的57倍左右。根据高速项目的地勘资料，其地基土的“ M

7、值大多在5000 10000之间。为了方便实际工程中应用，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，建议在高速项目 实际应用中按如下原则设计：桩径不大于1.5m的桩，其2.5/仪的值按6D（D为桩径）控制。当覆盖层厚度 h04D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取4.0D5.0D （小桩径取大值，大桩径取小 值）；当覆盖层厚度4Dh 6D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取 3.0D4.0D （小 桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度6Dh8D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D 2.0D。桩径大于1.5m的桩，其2.5/ 6的值按5.5D（D为桩径）控

8、制。当覆盖层厚度 h03.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取4.0D5.0D （小桩径取大值，大桩径取 小值）；当覆盖层厚度3.5h05.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取 3.0D4.0D （小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度5.5D7.5D时，按柔性桩设计，嵌岩深 度取1.0D2.0D。以上刚性桩的嵌岩深度控制原则，是根据持力层岩石的单轴极限抗压强度 frk = 22.5Mpa的情况统计分析而来的。当持力层岩石的单轴极限抗压强度不等于 22.5Mpa时，应相应调整嵌岩深度。具体调整方式为：将按上述原则算出的嵌岩 深度值，乘以一个调整系数g, g的值可根据持力层岩石的单轴极限抗压强度的

9、不同，由表5中的值内插得出。刚性桩嵌岩深度调整系数g值表5岩石类别坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩frk(MPa)f rk 6060frk3030f rk1515f rk5frk 0,233Rf/ 6 g式中：R 混凝土的设计抗拉强度；九-钢筋的设计抗拉强度；公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)第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,当混凝土强度等级C50及以上时不应小于0.6;同时，一侧钢筋的配筋百分率不 应小于0.2.当大偏心受拉构件的受压区配置按计算需要受压钢筋时，其配筋百 分率不应小于0.2”。各国对仙min

10、的规定并不一致，一般在 0.4%1.0%之间。我 国规范取0.5%,属比较低的。根据以上分析，桩身上段配筋率在满足按强度配筋的要求的同时， 不应小于 0.5%。考虑到我国规范规定的最小配筋率值和各国规范相比取的是低值， 且在设 计中应考虑到施工误差等因素，尽量不用规范中的限值，以预留一定的安全度。2、摩擦桩桩身中、下段的配筋率摩擦桩一般属弹性桩，根据公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007) 的规定，其桩身弯矩采用 m法计算。“m法的基本假定是认为桩侧土为文克尔离散线性弹簧，不考虑桩土之间 的粘着力和摩阻力，桩作为弹性构件考虑。当桩受到水平外力作用后，桩土协调 变形，任一深度处所产

11、生的桩侧土水平抗力与该点水平位移成正比，且地基系数与深度成正比增长。下面采用高速高速公路工程中典型的桥梁桩基的数据，按照公路桥涵地基 与基础设计规范(JTG D63-2007)附录P中的相关要求，采用“桩柱墩台空间 计算软件”计算桩身弯矩，并输出桩身弯矩反弯点距地面的距离L,结果如表6所示。表5中对应的a为土中基础的变形系数，0f-樗1, 7 兀 D42计算时取：EI=0.67 X3.0 X 10 X (KN m)64b1 =0.9(D+1)。桩径D(m)1.01.51.61.82.0m 值(Kpa)CtLCtLaLOfLaL30000.3511.450.2714.030.2614.690.2

12、416.470.2217.9150000.3910.300.3012.890.2813.460.2614.900.2416.04100000.458.720.3411.590.3212.190.3013.030.2813.89150000.497.800.3710.450.3511.020.3312.030.3012.74桩身弯矩反弯点距地面的距离L值计算表表6对表6进行统计分析，可看出L与对应的存在以下关系：L= 4/cc此结论与公路桥涵地基与基础设计规范 (JTG D63-2007)附录P中的说 明一致。因此，对于桩身中段，在 4/ (口为土中基础的变形系数)以下理论上桩身的弯矩和剪力已经

13、等于零，可以不必进行配筋。但是，实际上4/口的理论弯矩零点并非十分肯定，由于土的比例系数m值在不同水平力作用下将会发生变异， 而桩基存在初偏心的因素(轴力的不对中)、截面重心的几何不对中因素、物理 不对中以及施工中的误差不对中等因素。 因此，在桩身中段的截面一般还有一定数量的弯矩和剪力存在，在配筋设计时构造上仍必须布置一定数量的钢筋。在实 际设计中一般采用上段配筋数量的 50%这样配置的钢筋数量，在含筋量上可能 不能满足最小含筋率的要求，因而属于少筋混凝土结构的范畴。桩身的下段由于弯矩值已经很小很小，采用混凝土轴心受压构件作为计算假 定应属合理。因此当摩擦桩较长时，桩底部一般为素混凝土。3、端

14、承桩桩身中、下段的配筋率相对于摩擦桩来说，端承桩一般较短。因此，按照前文根据桩身内力将桩长 分段的方法，端承桩一般只有“上段”和“中段”，没有“下段”；个别情况下端 承桩或许有“下段”，但都很短。因此，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%这样配置的钢筋数量，在含筋量上 可能不能满足最小含筋率的要求，因而属于少筋混凝土结构的范畴。4、桩身分段配筋的原则根据前文所述，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、半筋段及素混凝土段（相对摩擦桩来说）各多长的问题。（1）全筋段长度的确定根据法的计算结果，4/ （口为土中基础的变形系数）是

15、桩身弯矩的 零点，理论上弯矩零点以下的桩身弯矩与剪力可认为等于零，可不再配置钢筋。 因此建议全筋段长度L1采用：L1 = 4/久 公式3式中：G 土中基础的变形系数，1a=5 jmg；bl 桩基计算宽度，对于单桩：bl =0.9（D+1） , D为桩径；EI 基础的计算刚度，对于基桩按弹性地基梁计算，EI=0.67EcIc,其中Ic冗DIc冗D464,Ec为桩基混凝土的弹性模量，按桥规取值。m-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处的水平位移有关;按公式3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/o（大，也没有必要将L1值加大。因为至

16、4/ a处仅截断主筋 的50%,还有50%的主筋是通过4/a处截面而继续向下延伸的。（2）半筋段长度的确定单桩水平承载力较常用的计算方法有“ m法、c”法以及“k”法等。前两 种方法是公路桥涵地基与基础设计规范采用或明确推荐采用的方法。这些方法的不同之处主要在与地基系数随深度变化的不同形式，因而计算出的桩的内力值以及分布形式也就各异。用这些计算值与实测值比较，“k”法与m法的最大弯矩计算值比实测值大，其位置比实测的低，“C”法的计算值与实测值较为接近。 从试桩实测弯矩分布图形来看，实测的最大弯矩值较小，而曲线收敛较慢，影响 深度最大。“K”法计算弯矩值最大，但收敛最快，所以第一弯矩零点位置最高

17、（离 地面或最大冲刷线最近），法次之，“C”法的收敛点约在5/a处，较m 法深，比实测值小。因此，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4/0（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/口深度以下仍存 在有弯矩。这就需要在4/ a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 5.989/ 以上。另外，建筑地基基础设计规范规 定“桩径大于600mmi勺钻孔（灌注桩）构造钢筋的长度不宜小于桩长的2/3”。由于目前公路桥梁在桩的试验中，着重于桩的垂直承载力而很少甚至没有对桩的

18、 水平承载力进行测试。故在现有的基础上，为了安全起见，建议半筋段长度L2采用：L2 6/ a -L1= 2/ 公式 4式中：a 土中基础的变形系数，aj普；L1 全筋段长度，L1=4/ ；（3）摩擦桩素混凝土段长度的确定根据前文所述，端承桩的配筋建议采用：全长都设“全筋”（针对较短的需嵌入基岩的端承桩）或分两段按“全筋”加“半筋”（针对较长的支承在基岩表 面的端承桩）两种方式配置。但对于摩擦桩来说，因桩基总长较长，其“下段” 一般为素混凝土段。有关的调查资料显示，目前国内桩基设计中，素混凝土段长度的设置比较随意。那么素混凝土段到底设置多长为好呢？在现行规范中找不到明确的规定。下面对素混凝土段合

19、理长度进行探讨。考虑到钻孔时可能出现倾斜，公路桥涵施工技术规范要求成孔倾斜度小于1%。如取最不利成孔的倾斜度为 1%,成桩后在桩底允许承载力巳的作用下， 以控制素混凝土段不出现拉应力为条件，并略去素混凝土段桩周土介质作用的有 利因素后可以得到：P 0.01PL3、cS1=-N0 S1AcWc式中：L3素混凝土段长度；P桩底容许承载力;*D2*D3丁（D为桩基设计直径）, W- 1r6 i-桩身由于P作用在素混凝土与配筋混凝土交界截面上所引起的拉 应力。现令6 1-0,即可得到：L3 12.5D由于素混凝土作为偏心受压构件受力时，其桩侧的土抗力肯定要起有利的作 用；另外在实际桩基工程中尚未见有因

20、桩尖素混凝土段被折断而造成工程事故的 实例，即使在唐山等处的大地震中，也未见有此类报导。因而建议素混凝土段长 度计算的安全系数取1.5,素混凝土段长度L3可采用下式计算：L3 12.5D =8D 公式 61.5式中：D基桩设计直径（项；按公式6计算出的素混凝土段长度，应属比较安全的。但在素混凝土段也应 该设置35根通长的竖向主筋，以方便施工过程中确认桩长，以及固定桩基检 测管的需要。5、配筋原则在高速项目中的应用规范中地基土的比例系数 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，具值从淤泥层到密实卵石夹粗砂层的变化为：从30005000KN/m到 80000120000 KN/

21、吊。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/m来计算口值，使口值最小。这样算得的 4/a、2/a值就相对较大， 即桩身的全筋段长L1、半筋段长L2就较大。基桩按这样的考虑配置钢筋，即使存在桩的偏心等不利因素，对于基桩的受 力安全应该是有保证的。根据高速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a值如表7所示。a值计算表表7拉彳5 D(m)m值 0c值(Kpa) 1.01.21.41.51.61.82.030000.35