| 北京特希达交通勘察设计院有限公司东莞分公司 摘要：桥梁桩基是桥梁的重要组成部分，而桩基承载力计算是桥梁设计中非常重要的一项计算，本文首先从桥梁桩基的概述、分类、单桩轴向荷 载的传递机理等方面进行了简单的介绍，然后详细的论述了桥梁单桩承载力的计算，最后对桥梁桩基的破坏形式进行了概括。 关键词：桥梁；桩基础；单桩承载力； 一、前言： 1、近几年来随着公路建设事业的迅速发展，桥梁作为公路中的重 要结构物，在公路建设的设计、施工中有着举足轻重的地位。桥梁结构 中的所有恒载及人行、车辆等活载全部通过桥梁基础传递到地基中去。 因而桥梁桩基础设计显得尤为重要，在桥梁桩基础设计中，正确理解桥 梁桩基的工作原理以及掌握桥梁桩基承载力的计算是桥梁桩基础设计 中极为重要的一部分。 2、桩基础的概述 桩基础的使用有着悠久的历史，早在史前的建筑活动中，人类远祖 就已经在湖泊和沼泽地带采用木桩来支撑房屋。随着近代工业技术和科 学技术的发展，桩的材料、种类和桩基形式，桩的施工工艺和设备、桩 基设计计算理论和方法、桩的原型试验和检测方法等各方面都有了很大 的发展。桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀等特点，因 而桩基础被广泛的用于桥梁工程建设中。 3、桥梁桩基础的分类 桥梁桩基础按照承载性状可分为为：摩擦桩和端承桩，摩擦桩是指 桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，并考虑桩端阻力。端承桩是指桩顶荷载 主要由桩端阻力承受，并考虑桩侧阻力。端承桩又包括嵌岩桩和非嵌岩 桩。 二、单桩轴向荷载的传递机理： 在计算单桩轴向承载力时，先要了解施加于桩顶的竖向荷载是如何 通过桩- 土相互作用传递给地基以及单桩是怎样达到极限状态。 1、桩的荷载传递：桩在竖向荷载作用下，桩身材料会产生弹性压 缩变形，桩和桩侧土之间产生相对位移，因而桩侧土对桩身产生向上的 桩侧摩阻力。如果桩侧摩阻力不足与抵抗竖向荷载，一部分竖向荷载会 传递到桩底，桩底持力层也会产生压缩变形，桩底土会对桩端产生阻力。 通过桩侧摩阻力和桩端阻力，桩将荷载传递给土体。 2、桩侧负摩阻力：当桩侧土体因某种原因而下沉，且变形量大于 相应深度处桩的下沉量，即桩侧土相对于桩产生向下的位移，土体对桩 产生向下的摩擦力，这种摩擦力称为负摩阻力。负摩阻力是对桩的一种 不利因素，相当于在桩上施加了附加的向下拉荷载，它的存在降低了桩 基的承载力，并导致了桩基发生了过量的沉降。 3、桩的阻力影响因素：在竖向荷载作用下，桩侧阻力和桩端阻力 的发挥程度与多种因素有关，并且桩侧阻力和桩端阻力也是相互影响 的。桩侧阻力和桩端阻力并不是同时发生，更不是同时到达极限。桩端 阻力的发挥不仅滞后与桩侧阻力，而且充分发挥所需的桩侧位移值比桩 侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移大的多。桩端阻力的发挥程度与 桩端土的性质、桩的类型和施工方法等因素有关。 三、桥梁桩基单桩承载力计算： 1、桥梁桩基的计算按照下列规定进行： a. 承台底面以上的荷载假定全部由桩承受。 b. 桥台土压力可自填土前的原地面起算。 c. 在软土和软弱地基土层较厚、持力层较好的地基中，桩基计算 应考虑路基填土荷载或地下水位下降等因素引起负摩阻力的影响。 2、摩擦桩单桩承载力计算按照下列公式： 〔 R a 〕 = P r n ik i q A l q + Σ2 =1 1 ι μ [[ ] ( 3)] 0 0 2 2 q = m f + k r h − r a λ 其中 〔Ra〕----- 单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重 与置换土重的差值作为荷载考虑。 μ ---- 桩身周长（m）； Ap---- 桩端截面面积（m2）； n--- 土 的层数； i l ---- 承台底面或者局部冲刷线以下各土层的厚度（m）； ik q --- 与i l 对应的各土层与桩侧的摩阻力的标准值（Kpa）； r q ---- 桩端处土的承载力的容许值（Kpa）； [ ] a0 f ---- 桩端处土的承载力的基本容许值（Kpa）； h--- 桩端的埋置深度（m）； K2--- 容许承载力随深度的修正系数； 2 γ --- 桩端以上土层的加权平均值的重度（KN/m3）； λ - - -修正系数； 0 m --- 清底系数； 注：上式只适用于钻（挖）孔灌注桩，不能适用于沉桩承载力的计 算。由上式可以看出摩擦桩的单桩承载力主要由桩侧的摩阻力提供，并 考虑了桩端阻力。 3、端承桩单桩承载力计算按照下列公式： [ ] Σ Σ = = = + + n s ik m p rk i i rki Ra c A f c h f l q 1 1 1 2 2 1 ι ι ι μ ζ μ 其中 〔Ra〕----- 单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重 与置换土重的差值作为荷载考虑。 1 c --- 根据清孔情况，岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数； p A ---- 桩端截面面积（m2）； rk f --- 桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（Kpa）, 当rk f 小于 2Mpa 时按照摩擦桩计算（ rk i f 为第i 层的rk f 值）； i c2 --- 根据清孔情况、岩石破损程度等因素而定的i 层岩层侧阻 发挥系数； μ ---- 各土层或各岩层部分的桩身周长（m）； ι h --- 桩嵌入各岩层部分的厚度（m）, 不包括强风化和全风化层； m--- 岩层的层数，不包括强风化和全风化层； s ζ --- 覆盖层土的侧阻力发挥系数；根据桩端rk f 确定； i l ---- 各土层的厚度（m）； ik q --- 桩侧第i 层土的侧阻力的标准值（Kpa）； n---- 土层的层数，强风化和全风化按照土层考虑。 注：上式适用钻（挖）孔灌注桩和沉桩的承载力的计算。由上式可 以看出适用桩的单桩承载力主要由桩端阻力承受，并考虑桩侧阻力。 按照以上公式计算的单桩轴向承载力容许值〔Ra〕，应根据桩的受 荷阶段及受荷情况乘以相应的抗力系数，抗力系数的取值请参考《公路 桥涵地基与基础设计规范》等规范有关章节取值。 四、桥梁桩基单桩的破坏模式 桥梁桩基在竖向荷载作用下，其破坏模式主要取决于桩周土的抗 剪强度、桩端支撑情况、桩的尺寸以及桩的类型等条件。桩基的破坏形 式有以下三种模式；一、前言： 1、近几年来随着公路建设事业的迅速发展，桥梁作为公路中的重 要结构物，在公路建设的设计、施工中有着举足轻重的地位。桥梁结构 中的所有恒载及人行、车辆等活载全部通过桥梁基础传递到地基中去。 因而桥梁桩基础设计显得尤为重要，在桥梁桩基础设计中，正确理解桥 梁桩基的工作原理以及掌握桥梁桩基承载力的计算是桥梁桩基础设计 中极为重要的一部分。 2、桩基础的概述 桩基础的使用有着悠久的历史，早在史前的建筑活动中，人类远祖 就已经在湖泊和沼泽地带采用木桩来支撑房屋。随着近代工业技术和科 学技术的发展，桩的材料、种类和桩基形式，桩的施工工艺和设备、桩 基设计计算理论和方法、桩的原型试验和检测方法等各方面都有了很大 的发展。桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀等特点，因 而桩基础被广泛的用于桥梁工程建设中。 3、桥梁桩基础的分类 桥梁桩基础按照承载性状可分为为：摩擦桩和端承桩，摩擦桩是指 桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，并考虑桩端阻力。端承桩是指桩顶荷载 主要由桩端阻力承受，并考虑桩侧阻力。端承桩又包括嵌岩桩和非嵌岩 桩。 二、单桩轴向荷载的传递机理： 在计算单桩轴向承载力时，先要了解施加于桩顶的竖向荷载是如何 通过桩- 土相互作用传递给地基以及单桩是怎样达到极限状态。 1、桩的荷载传递：桩在竖向荷载作用下，桩身材料会产生弹性压 缩变形，桩和桩侧土之间产生相对位移，因而桩侧土对桩身产生向上的 桩侧摩阻力。如果桩侧摩阻力不足与抵抗竖向荷载，一部分竖向荷载会 传递到桩底，桩底持力层也会产生压缩变形，桩底土会对桩端产生阻力。 通过桩侧摩阻力和桩端阻力，桩将荷载传递给土体。 2、桩侧负摩阻力：当桩侧土体因某种原因而下沉，且变形量大于 相应深度处桩的下沉量，即桩侧土相对于桩产生向下的位移，土体对桩 产生向下的摩擦力，这种摩擦力称为负摩阻力。负摩阻力是对桩的一种 不利因素，相当于在桩上施加了附加的向下拉荷载，它的存在降低了桩 基的承载力，并导致了桩基发生了过量的沉降。 3、桩的阻力影响因素：在竖向荷载作用下，桩侧阻力和桩端阻力 的发挥程度与多种因素有关，并且桩侧阻力和桩端阻力也是相互影响 的。桩侧阻力和桩端阻力并不是同时发生，更不是同时到达极限。桩端 阻力的发挥不仅滞后与桩侧阻力，而且充分发挥所需的桩侧位移值比桩 侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移大的多。桩端阻力的发挥程度与 桩端土的性质、桩的类型和施工方法等因素有关。 三、桥梁桩基单桩承载力计算： 1、桥梁桩基的计算按照下列规定进行： a. 承台底面以上的荷载假定全部由桩承受。 b. 桥台土压力可自填土前的原地面起算。 c. 在软土和软弱地基土层较厚、持力层较好的地基中，桩基计算 应考虑路基填土荷载或地下水位下降等因素引起负摩阻力的影响。 2、摩擦桩单桩承载力计算按照下列公式： 〔 R a 〕 = P r n ik i q A l q + Σ2 =1 1 ι μ [[ ] ( 3)] 0 0 2 2 q = m f + k r h − r a λ 其中 〔Ra〕----- 单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重 与置换土重的差值作为荷载考虑。 μ ---- 桩身周长（m）； Ap---- 桩端截面面积（m2）； n--- 土 的层数； i l ---- 承台底面或者局部冲刷线以下各土层的厚度（m）； ik q --- 与i l 对应的各土层与桩侧的摩阻力的标准值（Kpa）； r q ---- 桩端处土的承载力的容许值（Kpa）； [ ] a0 f ---- 桩端处土的承载力的基本容许值（Kpa）； h--- 桩端的埋置深度（m）； K2--- 容许承载力随深度的修正系数； 2 γ --- 桩端以上土层的加权平均值的重度（KN/m3）； λ - - -修正系数； 0 m --- 清底系数； 注：上式只适用于钻（挖）孔灌注桩，不能适用于沉桩承载力的计 算。由上式可以看出摩擦桩的单桩承载力主要由桩侧的摩阻力提供，并 考虑了桩端阻力。 3、端承桩单桩承载力计算按照下列公式： [ ] Σ Σ = = = + + n s ik m p rk i i rki Ra c A f c h f l q 1 1 1 2 2 1 ι ι ι μ ζ μ 其中 〔Ra〕----- 单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重 与置换土重的差值作为荷载考虑。 1 c --- 根据清孔情况，岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数； p A ---- 桩端截面面积（m2）； rk f --- 桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（Kpa）, 当rk f 小于 2Mpa 时按照摩擦桩计算（ rk i f 为第i 层的rk f 值）； i c2 --- 根据清孔情况、岩石破损程度等因素而定的i 层岩层侧阻 发挥系数； μ ---- 各土层或各岩层部分的桩身周长（m）； ι h --- 桩嵌入各岩层部分的厚度（m）, 不包括强风化和全风化层； m--- 岩层的层数，不包括强风化和全风化层； s ζ --- 覆盖层土的侧阻力发挥系数；根据桩端rk f 确定； i l ---- 各土层的厚度（m）； ik q --- 桩侧第i 层土的侧阻力的标准值（Kpa）； n---- 土层的层数，强风化和全风化按照土层考虑。 注：上式适用钻（挖）孔灌注桩和沉桩的承载力的计算。由上式可 以看出适用桩的单桩承载力主要由桩端阻力承受，并考虑桩侧阻力。 按照以上公式计算的单桩轴向承载力容许值〔Ra〕，应根据桩的受 荷阶段及受荷情况乘以相应的抗力系数，抗力系数的取值请参考《公路 桥涵地基与基础设计规范》等规范有关章节取值。 四、桥梁桩基单桩的破坏模式 桥梁桩基在竖向荷载作用下，其破坏模式主要取决于桩周土的抗 剪强度、桩端支撑情况、桩的尺寸以及桩的类型等条件。桩基的破坏形 式有以下三种模式； 1. 压屈破坏：当桩底支撑在坚硬的土层或者岩层上，桩周土层为 软弱，桩身无约束或者侧向抵抗力。在轴向荷载作用下，就如同一细长 压杆出现纵向压屈破坏。 2. 整体剪切破坏：当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层， 到达抗剪强度较高的土层，且桩的长度不大时，在轴向荷载作用下，由 于桩底下部土层不能阻止滑动土块的形成，桩底土体形成滑动面而出现 整体剪切破坏。 3. 刺入破坏：当桩的入土深度较大或者桩周土侧层抗剪强度较均 匀时，在轴向荷载作用下将出现刺入破坏，此时桩顶荷载主要由桩侧摩 阻力承担，桩端阻力极微，桩的沉降量较大。 五、结语： 总之，对桥梁桩基设计，首先要对桩基的荷载传递机理、承载力计 算、破坏模式要有详细的了解。否则会造成计算不准确，从而影响设计 方面的失误，严重时会影响桥梁结构的安全。在桩基设计过程中除了对 承载力计算外，还要对桩身强度、稳定性及裂缝宽度进行验算。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。 参考文献： [1] 莫海鸿、杨小平 《基础工程》中国建筑工业出版社，2003 [2]《公路桥涵地基与基础设计规范》 JTG D63-2007 [3] 姚玲森 《桥梁工程》人民交通出版社，2008.5 [4]《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004 [5]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62- 2004a |
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