1、刍论公路桥梁大直径桩基础的设计摘要：近年来，在公路桥梁项目建设中，常用到大直径桩基础设计。长期以来，受到施工技术水平和设备等因素的影响，在进行桥梁基础施工时常以小直径群桩结构为主，大直径桩基础的应用，有效的缩短了工程工期、减少了成本投入。在今后桥梁工程基础部分施工时，应大力推广。 关键词：桥梁；大直径桩；问题；设计 中图分类号：U448.14 文献标识码： A 文章编号： 随着我国经济的发展，国家加大了对交通建设的投资力度，交通建设项目越来越多，这也是推动我们国家经济发展的重要举措。城市化进程的加快，城市规模越来越大，一些大型立交桥项目相继投入建设，并且多以斜交的形式为主。当实现跨越时桥梁建筑
2、高度就要增加，这样就会对桥梁的长度、填土高度产生影响。因此，为缩短桥跨，就会采用设置桥墩的形式，以降低桥梁高度。若采用小直径群桩结构，既不美观，又方便交通。所以大直径桩基础结构有效的解决了这一问题，也是当前桥梁基础工程施工的主要发展方向。 1 大直径桩基础设计应注意的问题 采用大直径桩基础要注意下列几个问题。 1.1 从设计上主要要注意:墩顶是否满足位移0.5式中 L 为跨径(m);桩的间距大，要注意盖梁或承台的刚性。在设计的时候要选择合适的桩基形式，桩基结构布局要合理。 1.2 从施工角度要注意:因大直径桩设计精度对整个基础影响较大，因此要满足单根桩施工的高精度要求;单根桩的钻孔时间长，塌孔
3、危险大;要考虑施工工艺及设备问题对工程的影响。 2 工程实例分析 2.1 地质情况分析 某高速公路上立交桥设计为互通式结构，桥位处地质概况：第一层为路基填土，厚 1.0m；第二层为可硬塑状亚粘土，厚 1.4m；第三层为碎石土，硬塑粘土亚粘土夹 10%碎石，厚 3.6m；第四层为棕红色强风化泥岩，已风化成土状，厚 3.5m；第五层为弱风化泥岩，棕红色，裂隙发育，间夹粉砂岩，厚 1.9m；第六层为弱风化粉砂质泥岩，棕红灰紫色，岩芯基本完整，厚 2.6m；第七层为微风化粉砂质泥岩，岩芯完整，有少量裂缝发育（见图 1） 。 图 1 岩层剖面图 2.2 桥梁工程设计要求 在该互通式立交设计中，匝道桥上跨
4、高速公路，上部结构为搭支架现浇的斜交预应力混凝土连续箱梁桥，斜度为 25，全长 105.06m，跨径组合为 20m+30m+30m+20m，匝道全长 3.09km，共设 3 座桥梁，13 道涵洞、通道，1 处匝道收费站。下部为柱式墩，挖孔桩基础、肋板式台、扩大基础（见图 2） 。其设计技术指标如下： 桥面宽度：双向车道，全宽 16m； 车辆荷载：汽车-超 20，挂-120； 地震烈度：基本烈度为 7 度，按 8 度设防； 桥下净空：按高速公路要求，净高 5.0m。 图 2 高速公路剖面图 3 对桩基础结构设计及特点 3.1 通过地质资料分析，对中墩及基础型式进行优化，提出了双柱墩、独柱墩、双排
5、桩基础、单排桩基础等型式，最终采用无承台大直径挖孔桩，桩径为 2.2m，独柱墩，柱径为 1.8m。这种型式在江苏尚为首例，在国内亦不多见。 3.2 本工程设计特点 与其他型式相比较，其主要特点如下： 3.2.1 无承台可节省承台及部分桩基础工程量（桩基受力更为明确） ，经济效益显著； 3.2.2 能减少开挖承台对已实施的高速公路路基的不良影响，有利于高速公路通讯管线的布置； 3.2.3 对司机视觉影响小，有利于高速行车； 3.2.4 桥下空间通透，外形比较美观。 3.3 桩基受力分析 独柱墩墩顶设固定支座，其余各墩、台均为活动支座，共考虑如下四种水平力： 3.3.1 温度及砼收缩、徐变影响 由
6、于结构对称，近似认为中墩受温度、砼收缩、徐变等影响，所受水平力 H1=0； 3.3.2 汽车制动力 考虑最不利情况，活动支座均已滑动，制动力由中墩承受，按四车道布载，求得制动力 H2=330kN； 3.3.3 汽车撞击力 由于波形护栏离墩较近，汽车撞击力较大，参照国外有关规定，考虑汽车撞击力 H3=500kN，作用点距地面 1.2m； 3.3.4 顺桥向地震力 本地区基本烈度为 7 度，按 8 度设防，最不利情况为活动支座滑动，连续梁随固定支座的桥墩振动，但须考虑墩顶活动支座的摩擦阻尼对地震力的折减，可得 H4=410kN。 由此可得桩顶总水平力 H=1240kN，弯矩 M=4474kN?m。
7、墩顶垂直力用空间梁格法，支座采用桁架单元模拟求得。中墩处恒载反力为 8696kN，最大活载反力为 1235kN。 桩身内力采用 m 法，计算模式如下页图 3 所示，桩柱顶假设为铰接，采用 m 法计算桩身截面内力。现行规范中取地面以下 h=2（d+1）m 深度内各层土的平均 m 值作为整个深度的 m 值（d 为桩径） 。但当大直径桩及桩侧各层土的力学性质有很大变化时，应按多层地基考虑。将桩按其刚度不同划分为 n 层，使各层具有相同的地基系数及抗弯刚度，建立桩的挠曲微分方程： （1） 式中， （EI）i 为第 i 个桩基处的刚度；Xi 为第 i 个桩基处的水平位移；Zi4 为第 i 个桩基处的垂直
8、位移；qi 为第 i 个桩基处水平应力。 将桩尖矩阵 Xn=Fn?Fn-1FiF2?F1?X0=E?X0 展开为（推导过程略）： （2） 图 3 计算模式示意图 式中，X0、0、M0、Q0 分别为桩地面处位移、转角、弯矩和水平力，Xn、n、Mn、Qn 为桩底处水平位移、转角、弯矩和水平力。Q0、M0 可按结构力学方法算得，由桩底边界条件： Xn=0，n=0 可求得桩最大弯矩 M=6952kN?m，桩顶的水平位移为 0.78cm，最大水平压应力为 246kPa，均满足要求。桩身弯矩如图 4 所示，据此对偏心受压构件进行桩柱配筋设计及强度验算。 图 4 桩身弯矩图 设计桩长时，考虑到第六层为软质岩
9、石，遇水极易软化，而岩石软化会使桩端阻力及桩侧摩阻力显著降低，因此设计中将第七层作为桩端持力层。由桩身内力可得桩在岩层表面处弯矩值 MH，作如图 5 所示假设，即忽略嵌固处水平剪力的影响，桩在岩层表面处弯矩 MH 作用下，绕嵌入深度 h 的 1/2 处转动；不计桩底与岩石的摩阻力；不考虑桩底抵抗弯矩，MH 由桩侧岩层产生的水平抗力平衡。同时考虑到桩侧为圆柱状曲面，其四周受力不均匀，假定最大应力为平均应力的 1.27 倍。根据静力平衡条件（M=0） ，便可得出下式： （3） (4) 图 5 受力示意图 为了保证桩在岩层中嵌固牢靠，要求桩体对桩周岩层产生的最大侧向压应力 max 不应超过岩石的侧向
10、容许抗力（其中 K 为安全系数，且K=2） ，得圆形截面柱嵌入岩层最小深度的计算公式如下： （5） 式中， 为抗压强度折减系数；Rc 为天然湿度的岩石单轴极限抗压强度。 由于桩顶水平力较大，故设计桩底嵌岩深度为 3.0m，以增加桩基的稳定性和承载能力。 4 结语 该互通立交已竣工，高大的混凝土桥墩稳健地托起平缓舒展、看上去薄如蝉翼的桥面板，反映了内部力的传递顺序，表达了结构与外形的统一，具有良好的真实感。由于设计手段的完善，施工技术的发展，具有显著优点的无承台大直径桩基础正在悄然兴起。上述计算方法应用在互通式立交桥中取得了良好的效果。 参考文献 1凌治平.基础工程M.北京：人民交通出版社，1986. 2匡文起.结构矩阵分析和程序设计M.北京：高等教育出版社，1991. 3JTJ024-85，公路桥涵地基与基础设计规范S.4胡人礼.桥梁桩基础分析和设计M.北京：中国铁道出版社，1987. 4施颖，王劲.大直径桩基础设计与应用实例J浙江建筑.2002 年增刊.
