不同工程地质环境中桩基设计方法分析

不同工程地质环境中桩基设计方法分析

詹明明

中交第三公路工程局有限公司河北雄安设计咨询分公司

摘要：桩基在不同地质环境中的布设需考虑具体的岩土参数，结合建筑物等级，选取桩基类型，并依据选用的桩基结构特点，选择恰当的设计程序。在特殊地质环境中，需先分析特殊岩土体参数性质，考虑特殊岩土体中的控制性因素，如基底软弱土层较厚时应验算桩基沉降；当存在湿陷性黄土时，应考虑负摩阻力的影响。

关键词：软弱土；岩溶；湿陷性黄土

0引言

随着我国基础设施建设在全国范围内的推进，地区差异下的工程地质环境复杂多样，在西部、西南地区，工程中频繁接触到特殊岩土，研究不同地质类别中桩基的布设方法有重要意义。不同地质类别中桩的结构形式和尺寸参数选取适当，可达到承载可靠、节约投资的目标。

1.软弱土层条件下桩基的设计

存在软弱土体时，桩基的布置过程大体如下，在此以济南黄河大桥的桩基布置为例，分析桩基设计过程。拟建工程沿线地貌主要为冲积平原地貌，土体结构类型复杂，以上层粘性土多层结构为主，下部粘性土与砂性土互层，以粘性土为主。粘性土以粉质粘土、粉土为主，砂性土以粉细砂为主，部分地区土层夹淤泥质土。主要工程地质问题为:局部软弱土易使桩基产生沉降。

具体设计过程分为以下步骤：

1）首先经查阅地质勘查资料，场区该位置处岩土层局部土层为含水量较大的软弱土层。在充分查阅地勘报告的基础上，进行下一步的设计，使设计结合实际，避免不必要的工程变更和损失。

2）依据桩位处基岩埋深较大的特点，基桩类型选取为摩擦桩，并结合场区综合条件，采用旋挖钻机反循环施工工艺。

3）根据桥梁上、下部方案确定承台顶面设计载荷，估算单桩承载力，初步拟定桩数、桩径，确定承台尺寸和桩间距等参数，承台尺寸、桩径以及桩间距的取值相互关联，在估算桩长后依据恰当的桩深径比选取桩径。基桩数量取值时一般参照如下公式。

式中: 估算的单桩轴向受压承载力特征值；

承台和承台上方土体重量。

通常桩数的取值要能使桩基对称排布，荷载均匀分布，避免基桩偏心受压。特殊情况下桩基存在偏心荷载，应验算桩基在偏心荷载下的承载力。

4）根据地勘报告中的土层参数，计算桩长。并完成基桩钢筋布设。截面计算参照混凝土结构设计规范。

5）验算基桩正截面受压承载力，当所受载荷为偏心载荷时，应考虑承载力附加弯矩的影响。当桩身或桩底范围内存在的软弱土体产生的沉降不可忽略时，应验算桩基沉降。

当存在软弱土体分布时桩基的布设应具体分析。当桩身段落内存在软弱土体时，相应土层范围内侧摩阻力很小，应确保桩长足够，承载能力满足要求。如果桩底范围内为软弱土层，桩基除满足承载力要求，还需验算桩基沉降，因为桩周土压力沿桩侧向下传递，桩端土层受压沉降。故当存在软弱土层时，应考虑穿过软弱土层，将桩端布置在参数较好的土体中。

本项目待建桩基为互通主线桥桩基，地勘ZK-31钻孔揭示埋深0～7.2米范围内为软弱土层，土体含水量较大，振摇反应迅速。此处桩基类型为承台桩基础，基桩对称布置，无偏心载荷，验算沉降满足要求。

当基岩埋深较浅或浅层软弱土层较厚时，宜采用端承桩。端承桩总体布设过程和摩擦桩相似，在承载方式和桩长控制条件上两者有区别。桩端嵌固深度应根据桩端岩土性质并结合持力层表面坡度确定。

端承桩布设过程如下：

1）查阅地质勘查资料，了解土层参数，桩端持力层埋深等地质情况；

2）选取桩型和桩基施工工艺；

3）根据设计桩基承载力，估算单桩承载力，并根据持力层埋深和桩底端嵌固深度估算桩长，在此基础上初步拟定桩数、桩径，确定承台尺寸和桩间距等参数；

4）完成基桩钢筋布设和截面计算；

5）验算桩基承载和沉降是否满足要求。

2.湿陷性土层条件下桩基的设计

湿陷性较大的土层会产生较大的负摩阻力，极可能使桩基产生较大沉降。通常湿陷性黄土地基自地面20米深度范围内是可能发生湿陷的，而大量的地基处置局限在10米的深度，当下部土体表现出湿陷性时，按照正常土体参数设计的基础沉降指标必然是不满足要求的。因此在干旱、半干旱地区或者地下埋藏潜在湿陷性土体时，应充分勘察地质情况。在桩基设计过程中，负摩阻力的影响应充分考虑。通常对桩基沉降应按最不利情况确定桩基设计参数，以确保桩基沉降在可控范围内。

湿陷性黄土地质条件下桩基的布设过程和软弱土层相似，在计算桩基承载力和沉降量时应将负摩阻力计入附加的下拉荷载。当采用摩擦桩时，应根据地质勘察报告中各土层的参数，拟定桩基参数，并应确保桩基穿过的优良土层厚度满足要求，当采用端承桩时，应选取合格的桩径，以保证桩基稳定性。

3.岩溶地质条件下桩基的设计

岩溶的作用使桩基受力特点出现变化，主要分两种情况对桩基产生影响，一种是当桩身或桩侧范围分布溶洞时，桩基周边岩土压力下降使桩侧摩阻力较小，从而降低桩基承载力；其次是当桩底存在溶洞时，桩端以下溶洞顶板厚度或桩端嵌固深度需要达到要求。溶洞地质条件下桩基布设过程如下：

1）查阅地质勘查资料，了解岩土层参数，桩端持力层埋深等地质情况；

2）选取桩型和桩基施工工艺；

3）根据工程方案估算桩基承载力，在此基础上初步拟定桩数、桩径，确定承台尺寸和桩间距等参数，并根据岩土层参数和持力层埋深估算桩长；

4）完成基桩钢筋布设和截面计算，验算桩基承载是否满足要求；

5）根据临近桩基的施工情况获取更详细的地质信息，并根据需要更改桩基设计方案。

当桩侧存在溶洞时，桩径不宜过小，确保桩基有足够稳定性。溶洞的存在使桩周土压力或围岩压力变小，为使桩基有较高的承载水平，应采取加长桩基等措施提高冗余承载。当桩端以下存在溶洞时，嵌岩桩在满足嵌固深度的基础上尚需判断桩端以下溶洞顶板厚度是否足够，通常桩端以下溶洞顶板厚度不小于5米。此外还要考虑溶洞顶板承载能力，当顶板跨度较大时，需验算作为持力层的顶板的承载力，一般来说，顶板跨度越小，承载力越大。在溶洞分布不连续时，为了提高桩基整体承载水平，可在桩顶部位通过加劲横梁将桩基连接为整体。

4.结论

不同工程地质环境中桩基的一般设计程序需分析特殊岩土体的工程性质和力学参数，分析不良因素对桩基承载水平、沉降量以及稳定性的影响，进而形成有技术可行的桩基设计方案。软弱土层、湿陷性土层和岩溶地区根据岩土工程性质的差异，设计验算要求不尽相同。因为各工程岩土性质差异较大，比如当溶洞内存在腐蚀性水流时，需采取相关的措施应对。

此外，工程上存在其他种种不良地质，总体设计思路和以上方法大同小异，需根据地质的差异制定对策。本文通过分析不同地质环境下适用的桩基类型和重点设计控制因素，并提供相应的应对策略。在查阅大量相关资料的基础上，结合典型项目的桩基础过程，提出桩基设计的一般程序和特殊岩土中应考虑的因素。

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