桩基础设计计算

第四章桩基础的设计和计算

桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降变形小、抗震能力强，以及能适应各种复杂地质条件的显著优点，是桥梁工程的常用基础结构。

在受到上部结构传来的荷载作用时，桩基础通过承台将其分配给各桩，再由桩传递给周围的岩土层。当为低承台桩基础时，承台同时也将部分荷载传递给承台周边的土体。由于桩基础的埋置深度更大，与岩土层的接触界面和相互作用关系更为复杂，所以桩基础的设计计算远比浅基础繁琐和困难。

本章主要依据《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB 10002.5-2005（以下简称《铁路桥涵地基规范》）的相关规定介绍铁路桥涵桩基础的设计与计算。

第一节桩基础的设计原则

设计桩基础时，应先根据荷载、地质及水文等条件，初步拟定承台的位置和尺寸、桩的类型、直径、长度、桩数以及桩的排列形式等，然后经过反复试算和比较将其确定下来。在上述设计过程中，设计者必须注意遵守相关设计规范的基本原则和具体规定，因此，在讨论设计计算方法之前，先将桩基础的设计原则介绍如下。

一、承台座板底面高程的确定

低承台桩基和高承台桩基在计算原理及方法上没有根本的不同，但将影响到施工难易程度和桩的受力大小，故在拟定承台座板底面高程时，应根据荷载的大小、施工条件及河流的地质、水文、通航、流冰等情况加以决定。一般对于常年有水且水位较高，施工时不易排水或河床冲刷深度较大的河流，为方便施工，多采用高承台桩基。若河流不通航无流冰时，甚至可以把承台座板底面设置在施工水位之上，使施工更加方便。但若河流航运繁忙或有流冰时，应将承台座板适当放低或在承台四周安设伸至通航或流冰水位以下一定深度的钢筋混凝土围板，以避免船只、排筏或流冰直接撞击桩身。对于有强烈流冰的河流，则应将承台底面置于最低流冰层底面以下且不少于0.25m处。低承台桩基的稳定性较好，但水中施工难度较大，故多用于季节性河流或冲刷深度较小的河流。若承台位于冻胀性土中时，承台座板底面应置于冻结线以下不少于0.25m处。

若从桩的受力方面考虑，当桩基上的水平外力及力矩较大，或桩侧土较差时，为了缩短桩的长度并减小桩身的弯矩和剪力，承台的座板底面宜适当降低。

二、桩和桩基类型的选择

桩和桩基的类型可根据基础受力情况及地质和施工条件选择。一般地，打入桩适用于中密、稍松的砂类土和可塑性黏土，震动下沉桩一般适用于砂类土、黏性土和碎石类土；钻孔桩可适用于各类土层和岩层；挖孔桩一般用于无水或地下水较少的土层；管柱基础一般用于深水、无覆盖层或有覆盖层、岩面起伏不平等困难条件下，可支承于较密实的土层或新鲜岩

层内。管柱基础对施工技术、机具设备和电力供应等要求较高，故多用于深水江河中的重要桥梁及地质条件复杂的情况。

可根据地质条件，主要视岩层埋藏的深浅来选用摩擦桩或柱桩。但在同一个桩基中不应同时采用摩擦桩和柱桩，也不宜采用不同材料，不同直径和长度相差过大的桩。当采用摩擦桩时，桩的长度不宜太短，以利于较充分地发挥桩基础能减小沉降量的优势。

可根据外力的组合情况及桩径的大小来考虑是否采用带斜桩的桩基。但钻（挖）孔灌注桩做成斜桩尚有困难，故目前都将其设计为竖直桩。

由于铁路桥梁墩台的荷载大而集中，横向外力也较大，故绝大多数桩基都设计为群桩基础，但当桥跨较短和桥梁高度较小时，也可采用单排排架式桩基，如图4-1所示，这种桩基由于取消了实体墩身，故既节省了圬工，又减少了竖向自重荷载。

图4-1 单排桩桩基

三、设计荷载的确定

作用在桩基承台底面处的外荷载，包括竖向力、水平力及力矩，应按下述原则进行荷载组合，即分别按主力，主力加附加力以及主力加特殊力三种方式进行荷载组合，不考虑主力加附加力加特殊力这种组合方式，进行主力加附加力组合时，仅考虑主力与一个方向的附加力（顺桥向或横桥向）相组合。对于不同的检算项目，应选取相应的最不利荷载组合。

四、土的横向抗力

所谓横向抗力，是指基础在外力作用下发生侧移挤压土体时，基础侧面的土体对基础的抗力。横向抗力具有抵抗外荷载的作用，而且随着基础埋置深度的加大其作用也愈加明显。对于桩基、管柱和沉井等深基础，因基础的埋置深度大，该项抗力将构成基础抵抗横向荷载的主体，故在计算时应予以考虑，以使设计结果更为经济合理。

桥梁墩台桩基的设计经验表明，地面处的水平位移若超过1cm，则墩台顶面的横向位移将太大。而实际上基础的允许侧移量是较小的，故在确定横向抗力时，可假设基础侧面的土体处于弹性状态，将其视为弹性变形介质，并假设横向抗力的大小与横向位移成正比。由此，土体的横向抗力也称为弹性抗力。

五、桩基础的计算模式及主要检算项目

（一）力学计算模式

1．单桩（含单排桩桩基）

由单根桩构成的桩基，或由与水平外力相垂直的平面内的n根桩构成的单排桩桩基（图4-1），且承台为刚性，外力作用在桩基对称面上时，各桩的受力情况相同，故上述两种情况的力学计算模式均如图4-2所示。通常，在计算时又进一步将其分解为横向受力情况和轴向受力情况，如图4-3。为方便分析，具体计算时认为作用在桩顶的横向力（剪力和弯矩）主要使桩发生横向位移和挠曲，计算时考虑桩侧土的横向抗力，而轴向力主要使桩产生轴向位移。桩身内力也分别按这两种受力情况进行计算。

图4-2 单桩的受力和变形图4-3 横向受力桩和轴向受力桩

2．群桩基础

群桩基础即包含多根桩的基础，其力学计算模式可表示为图4-4。由于承台板的刚度一般都远大于桩的刚度，桩与承台的联结也大多处理为刚性，故可将桩基视为一个带有刚性承台板的超静定刚架。又由于桥梁桩基中桩的布置一般都比较规则，往往具有一个或两个竖直对称面，当外力也可简化为作用于对称面内的等效力系时，桩基便可简化为平面刚架进行计算。

群桩基础的计算要比单桩复杂得多，须先求解刚架的整体位移和桩顶内力，然后才能求解桩身的内力并进行相关检算。在进行刚架的位移计算时，通常以采用结构力学中的位移法最为简便，因为对于具有刚性承台的平面刚架，用位移法求解时的独立未知数只有三个，故比采用力法方便得多。