摩擦桩的设计.doc

摩擦桩的设计摘 要 文章主要介绍了公路桥梁摩擦桩的设计方法，首先介绍现今的研究现状，具体介绍地基承载力的确定方法的演变、单桩轴向承载力容许值确定方法、弹性地基梁法等内容，同时指出桩基的抗震研究以及负摩阻力的相关理论正逐步深化。随后简要叙述桥梁的一般设计流程，着重介绍摩擦桩的概念以及设计方法，同时，点出了设计者在设计过程中的注意问题，以便更好地与施工实际情况相结合。关键词 摩擦桩 地基承载力 单桩轴向承载力 负摩阻力1 研究现状桩基础是一种历史悠久、应用广泛的深基础形式。随着工业化水平和工程建设水平的不断提高，如今国内外在桩基础方面的研究已经逐渐深入。首先体现在地基承载力的确定方法上，从容许承载力设计方法发展到可靠度理论设计方法，如今应用可靠度理论进行结构设计是当前国际的一种共同发展趋势，这是桩基础设计领域的根本性变革，可靠度设计分析又称概率极限设计1。其次，采用了按土的支撑力确定单桩轴向承载力容许值的方法。考虑地基土具有多变性、复杂性和地域性等特点，往往需要采用静载试验、经验公式、动测试桩、静力分析等几种方法综合分析，以准确确定单桩承载力容许值2。此外，关于桩的负摩阻力的大小已经可以根据经验公式进行计算，相关研究方法与理论正逐渐完善。同时，通过水平静载试验和分析计算两种途径确定的单桩横向承载力容许值满足工程要求；基于文克尔地基模型有效解决单排桩基桩内力与位移计算问题，确定了土的弹性抗力，发现了地基系数分布规律。这不仅解决了单排桩的内力与位移位移，还有效处理了多排桩、刚性桩、弹性桩的内力与位移。目前，基桩抗震设计很大程度依赖于经验，设计理论还不够成熟，各国科研工作者正积极探索。2 桥梁设计一般流程桥梁上部结构的设计首先进行截面设计，依据桥梁规模、环境等条件选取适当的形状与尺寸，且尺寸选择应满足构造要求3。然后进行横截面设计以便进行荷载组合，横截面设计主要解决梁体配筋问题，强度满足要求后进行斜截面设计。斜截面的抗弯、抗剪承载力满足要求后，进行抗裂验算与变形验算，均满足规范要求后进行支座设计计算。上部结构的设计完成后，便对下部结构进行设计。基础将上部结构荷载传递给地基，需要具有足够的稳定性、耐久性、强度，同时变形也应在允许的范围内，因此基础的设计与施工在整个桥梁建设中具有不可忽视的作用，而桩基础是现在桥梁基础工程中首选的深基础类型，桩基础如设计正确，施工得当具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀的特点。同时，在深水基础中具有好用材料少、施工简便等优点。3 摩擦桩设计方法结合本设计中所提供的水文地质资料，由于无坚实持力层，岩层埋置较深且受施工条件的限制，所以可采用摩擦桩作为桥梁基础。桩基础按承载性状分为竖向受荷桩和横向受荷桩，竖向受荷桩又可分为摩擦桩和端承桩4。桩穿过并支撑在各种压缩性土层中，在竖向荷载作用下，基桩所发挥的承载力以侧摩阻力为主时，统称为摩擦桩5。其中，以下几种情况均可视为摩擦桩：当桩端无坚实持力层且不扩底时6；当桩的长径比很大，即使桩端置于坚实持力层上，由于桩身直接压缩量过大，传递到桩端的荷载较小时；当预制桩沉桩过程中由于桩距小、桩数多、沉桩速度快，使已沉入桩上涌时，桩端阻力明显降低时。设计桩基础时，首先应收集必要的资料，包括上部结构形式与使用要求、荷载大小、地质和水文资料，以及使用的材料和施工条件等7。据此拟出具体设计方案，然后进行基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形检验，经过计算、比较、修改，确保承台、基桩和地基在强度、变形及稳定性方面满足安全和使用上的要求，同时考虑技术和经济上的可能性与合理性，最后确定理想的设计方案。3.1 拟定桩径、桩长桩径与桩长的设计，应综合考虑荷载的大小、土层性质与桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比以及施工设备与技术条件等因素后确定，力争做到既满足使用要求，又造价经济，最有效地利用和发挥地基土和桩身材料的承载性能。设计时首先拟定尺寸，然后通过基桩计算，验算所拟定的尺寸是否经济合理，再作最后确定8。桩径可根据各类桩的特点与常用尺寸选择确定，摩擦桩的桩长一般不应小于4 m9，为了保证发挥摩擦桩桩底土层支撑力，桩底端部应尽可能达到改土层的桩端阻力的临界深度，一般不宜小于1 m。3.2 确定基桩根数及平面布置一个基础所需桩的根数可根据承台底面上的竖向荷载和单桩承载力容许值确定，桩数的确定还需要考虑桩基础水平承载力的要求。此外桩数的确定与承台尺寸、桩长及桩间距的确定相关联，确定时应综合考虑。根数的估算是否合适，在验算各桩的受力状况后即可确定。为了避免桩基础施工可能引起土的松弛效应和挤土效应对相邻桩的不利影响，布桩时应根据桩的类型及施工工艺和排列方式确定桩的最小中心距。对于摩擦桩中锤击、静压沉桩，在桩端处的中心距不应小于桩径的三倍，对于软土地基宜适当增大；振动沉入砂土内的桩，在桩端处的中心距不应小于桩径的4倍；桩在承台底面处的中心距不应小于桩径的1.5倍10。桩数确定之后，可根据桩基受力情况选用单排桩或者多排桩。桩的排列形式常采用行列式和梅花式。此外，基桩布置还应考虑使承台受力较为有利。3.3 桩基础设计计算与验算根据拟定的桩基础设计方案应进行验算，即对桩基础的强度、变形和稳定性进行必要验算，以检验所拟方案是否合理11。因此，应该计算基桩与承台在与验算项目相应的最不利荷载组合下所受到的作用力及相应产生的的内力与位移，应该依次验算以下内容：单根基桩的承载力、群桩基础承载力和沉降量和承台强度。单根基桩验算包括单桩轴向承载力验算、横向承载力验算和水平位移及墩台顶水平位移验算，无论是按照地基土的支承反力，还是按桩身材料强度都可以确定和验算单桩承载力，对于按地基土的支承力确定和验算单桩轴向承载力而言，目前仍然采用容许应力法进行验算。依据地质资料确定单桩轴向承载力容许值，检验单桩承载力容许值应以最不利作用效应组合计算出受轴向力最大的一根基桩进行验算12。对于按桩身材料强度确定和验算单桩承载力而言，验算时把桩作为一根压弯构件，按概率极限状态设计方法以承载能力极限状态验算桩身压屈稳定和截面强度，以正常使用极限状态验算桩身裂缝宽度13。对单桩轴向承载力的验算，如果不能满足要求，则应增加桩数或者调整桩的平面布置，也可加大桩的截面尺寸，重新确定桩数、桩长和布置方案，直到符合验算要求为止。对于单桩横向承载力验算，当有水平静载试验资料时，可以直接验算桩的水平承载力容许值是否满足地面处水平力的要求14；当无水平静载试验资料时，均应验算桩身截面强度。对于预制桩还应验算桩起吊、运输时的桩身强度15；对于桩的水平位移验算现行规范并未提及，但是规范规定需要对墩台的水平位移做验算。在荷载作用下，墩台水平位移值的大小，不仅与墩台本身材料受力变化有关，还与桩柱的水平位移和转角有关，所以墩台顶水平位移验算包含了对单桩水平位移的检验。当摩擦型群桩基础的基桩中心距小于6倍桩径时，需验算群桩基础的地基承载力，包括桩底持力层承载力验算及软弱下卧层的强度验算；必要时还需要验算基桩沉降量，包括总沉降量和相邻墩台沉降差16。最后进行承台强度检验，一般进行局部受压、抗冲切、抗弯和抗剪强度验算。3.4 设计注意问题在设计过程中应正确选择桩基设置深度，基桩设置深度是指桩基设置在原河床或海底泥面以下的深度。它包含两个深度，一是基础周围土层的最大冲刷深度（一般冲刷加局部冲刷），二是桩基础稳定性与变形所要求的基桩有效深度17。同时要对基桩配筋进行合理的布置，基桩各截面的钢筋，理论上应根据内力布置。钢筋的布置方式在实际的设计中主要有两种18。第一，配筋依据为最大弯矩处。从桩的上部到最大弯矩处下一定的锚固长位置，减少一半配筋在一直伸至弯矩为零下一定锚固长位置，再下为素混凝土段。对于软基，桩主筋最好穿过软土层。另一种是将基桩主筋一半部分一直伸至桩底。从桩体受力、造价等方面来看，前一种更为合理。因为第一种方式的桩基较长一段不设钢筋，比后者节省部分钢筋，再者底部断桩时，钢筋笼拔出后可原位再钻，减少扁担桩发生机率。但是，第二种配筋方式可以减少施工难度，易于固定钢筋笼。4 结论总之，本文从摩擦桩的研究现状入手，其次说明桥梁设计一般流程与思路，结合工程实际详细介绍摩擦桩的概念、设计流程以及设计过程中的注意事项。设计者在设计过程中，要善于结合工程实际分析问题、解决问题。根据场区的地质状况以及桩基本身的各项指标，运用合理的计算分析手段，准确的确定桩基承载力，以达到既经济又安全的设计效果。参 考 文 献1王晓某.基础工程M.北京:人民交通出版社,2010.2陈方晔.基础工程M.北京:人民交通出版社,2008.3叶见曙.结构设计原理M.北京:人民交通出版社,2004.4易经武.基础工程M.北京:人民交通出版社,2007.5周景星.基础工程M.北京:清华大学出版社,2006.6刘自明.桥梁深水基础M.北京:人民交通出版社,2003.7许长节.地基基础设计M.北京:机械工业出版社,2007.8陈书书.浅谈公路桥梁的桩基设计J.科技资讯,2008，（20）.9吴振宇.探讨公路桥梁桩基设计应注意的问题M.黑龙江科技信息,2009（28）.10中华人民共和国行业标准.JTG D63-2007 公路桥涵地基与基础设计规范s.北京:人民交通出版社，2007.11黄良正.关于桥梁嵌岩桩设计的探讨J.公路科技杂志,2003（1）.12王协群，章宝华.基础工程M.北京:北京大学出版社,2006.13武建中.浅谈公路桥梁桩基设计中的若干问题J