桩基设计研究

一、 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，采用规范公式“[]121112m n a p rk i i rkis i ik i i R c A f u c h f u l q ζ===++∑∑”进行验算。

在桩端所处持力层的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2OMPa ～60MPa ，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。

2.5h α≤式中：α－土中基础的变形系数，α= b 1－桩基计算宽度，对于单桩：b 1 =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=0.67E C I C ，其中464c D I =π，E C 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；图2 弹性桩与刚性桩的弯矩图因此，当覆盖层厚度 2.5h 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1.0D ～3.0D(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)。

《公路桥涵地基与基础设计规范》的第5.3.5条，明确了此类桩基嵌岩深度h 的计算公式：h =式中：M H －基岩顶面处桩身的弯矩（KN ·m ）；f rk －天然岩石的单轴极限抗压强度（KPa ）；D －基桩设计直径（m ）；β－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 3.0D ～5.0D ，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根据上文所述，当桩的入土深度 2.5h α≤时，将桩按刚性基础计算，反之按弹性基础计算。

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/α值。

2.5/α值计算表 表4通过对表4所列2.5/α值进行统计分析可看出，其值大多分布在对应桩径的5～7倍左右。

根据高速项目的地勘资料，其地基土的“m ”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/α的值按6D(D为桩径)控制。

当覆盖层厚度h≤4D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取4.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度4D<h≤6D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～4.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度6D<h≤8D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取2.0D～3.0D；当覆盖层厚度h>8D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/α的值按5.5D(D为桩径)控制。

当覆盖层厚度h≤3.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取4.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度3.5<h≤5.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～4.0D （小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度5.5D<h≤7.5D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取2.0D～3.0D；当覆盖层厚度h>7.5D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～2.0D。

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＝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frk22.5Mpa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按以上原则确定嵌岩深度时，需注意桩长需同时满足凌空面安全距离的要求。

二、 桩基配筋原则桩基的配筋应根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5.3.10条的规定进行。

也即对基桩应验算桩身强度、稳定性及裂缝宽度。

具体的验算方法可参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）有关章节进行。

对于钻（挖）孔灌注桩按照钢筋混凝土偏心受压构件的有关规定进行计算。

对于桩基稳定性验算是指在计算时应计入桩身纵向曲屈的因素，并予以考虑。

对于桩基裂缝宽度的验算一般情况下可不予进行，主要在构造上予以保证，仅当土或水对桩有侵蚀作用时才须进行验算。

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三个区段：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。

因此，严格来说不应将钻（挖）孔灌注桩的桩身全长范围内均视作钢筋混凝土偏心受压构件。

需要说明的是，这种将桩沿桩长方向分段的方式主要是根据桩身内力，并不是机械地将每根桩都分成三段。

对于有些桩长较短的桩来说，它可能只有“上段”和“中段”，没有“下段”，甚至只有“上段”，没有“中段”和“下段”。

1、桩身上段的配筋率根据桩基受力特点和构造的特点，不管是摩擦桩还是端承桩，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。

对于桩身上段的配筋，摩擦桩和端承桩并无本质的区别。

因为桩基受力的特点是以受压为主，就算在弯矩相对较大的上段，也是小偏心受压构件，弯矩与轴力相比非常小，接近于轴心受压。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）计算配筋时，一般都是按截面最小含筋率控制。

截面最小含筋率的定义为：截面配筋按最小含筋率μmin 配置的钢筋混凝土梁所能承受的弯矩M p （破坏弯矩），应不小于相同截面的素混凝土梁在刚开裂时所能承受的弯矩M f （开裂弯矩）。

对于矩形截面梁的最小含筋率μmin 的计算公式为：μmin =Ag/bh≥0.233R f/δg式中：Rf－混凝土的设计抗拉强度；δg－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》（JTG D62-2004）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μmin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α为土中基础的变形系数，α=计算时取：EI=0.67×3.0×107×4 64 Dπ（KN·m2）b1 =0.9(D+1)。

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α存在以下关系：L≈4/α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/α（α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等于零，可以不必进行配筋。

但是，实际上4/α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。