[摘要] 本文结合1孔35米刚架天桥设计实例，分析了特殊地形地质条件下，大跨径桥梁的桩顶竖向力较大时，通过扩底桩满足工程要求、降低工程造价。通过计算确定扩底桩直径，并对扩底桩在应该中应注意的问题进行了简单探讨。
关键词： 扩底桩 工作特性 计算 应用探讨
一、工程概况
某高速公路深挖方路段设计一座1孔35m刚架天桥。该工程所处路段两侧均为粉砂土及黄土，边坡陡峭（坡度达到1:0.3），地下水位较高，因此，选择合适的基础形式对工程的施工、造价及边坡稳定都有着很大的影响。通过综合的技术经济分析，设计决定采用大直径人工挖孔扩底桩基础。其优点如下：
1、施工机具简单,解决了采用钻孔桩时钻孔机具进出场地困难以及施工空间过于狭小、边坡稳定不安全因素较大等问题；
2、承载力高，解决了天然地基不能满足承载力要求的问题，亦解决了采用非扩底桩时桩长过长，从而造成桩底高程深入地下水位过多所带来的施工困难等问题；
3、施工工艺简单，沉降值小，便于管理和控制施工质量；
4、施工速度快，造价低，同钻孔灌注桩相比，造价要低15%左右。
图1 桥梁立面图
二、扩底桩的设计计算
1、设计数据：
用GQJS分析软件对上部结构进行内力分析计算，得出桥台所受到的水平力、竖向力及弯矩。本设计通过加长加厚承台等方法，既保证了仅仅台底摩擦力和台后静土压力的值即可用来抵消台前拱身所传来的水平力，又保证了台后土压力的合力作用点与斜腿支撑所传来的水平力作用点竖向坐标基本一致，从而，保证了传到桩顶的水平力和弯矩值都很小，设计可仅以桩顶的竖向力值进行控制。经计算分析，本桥单桩的桩顶竖向力设计值为4080kN。
2、工作特性分析：
大直径扩底桩随着端径的增加，端阻力要进行折减。折减的原因，目前大部分论点认为是为了控制下沉变形过大而折减，至于桩子持力层强度，那是按土质条件给定的值，所以不应是对持力层强度的折减，折减系数是按控制变形确定的。诚然，直径越大，受压层越深，压缩下沉量越大，沉降差也越大，必须要控制下沉变形而折减。但是，仅按控制变形折减桩端阻力的考虑显然是不全面的。因为任何一种结构，在桥梁设计中都必须满足极限承载能力和正常使用状态两方面的要求，即按强度和变形双项控制进行设计，桩基础当然也不应例外。而且大直径扩底桩的特殊工作特性，也决定了持力层的强度应随端径增加而折减。
例如本工程中的砂土质土层，当其作为中小直径（d≤0.8m）桩的持力层时,强度要比同样条件下大直径桩的高的多。这是因为桩子受力后,桩子周边的摩阻力扩散下传到桩子持力层水平,如同桩子周围的土柱一样,同样约束桩子持力层的稳定性,提高持力层的强度（简要的说，可以理解为摩阻力的扩散下传相当于增加了持力面积）。中小直径桩的压缩层厚度薄，极限压缩下沉量与桩侧摩阻剪移极限变形量相近，所以中小直径桩随荷载增加呈刺入式破坏。而对于深度超过5m的大直径桩，桩子持力层的压缩层厚度大，桩底土体在荷载作用下，以竖向变形为主，随着荷载的增加，桩底土呈渐进式破坏；试验表明，桩底阻力的充分发挥需要较大的位移值，在粘性土中约为桩径的25﹪，在砂性土中约为8﹪～10﹪；而桩侧阻力只需要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分发挥，一般认为粘性土为４～６mm，砂性土为6～10mm。这两种桩土极限相对位移不同，受力压缩下沉量大于摩阻剪移极限变形量，因而受力后桩端扩头周围易产生拉应力区，随着荷载增加继而出现拉裂缝。桩径越大下沉量越大，裂缝呈伞状向周围扩展延伸，桩端肩上出现临空面，扩大成为脱空区（详见图2：大直径扩底桩工作状态），这时摩阻力扩散下传和桩子周围土柱对持力层的约束作用逐渐减小甚至消失，因此持力层的强度必须折减。
对此，本例以强度和变形双项控制来确定端阻力的折减，进行桩的竖向承载能力的计算。同时，鉴于目前还没有此类桩型的设计规范，计算参照已有的建筑规范和公路规范进行设计。
则：D≥3.32(m) (6)
N——桩顶竖向承载力
其它字母意义参见《公路桥涵地基与基础设计规范》
5、根据上面的计算，综合选取扩底桩桩头直径D=350cm。桩身材料强度亦能满足要求。
通过计算得扩底桩的最终沉降量为1.21(cm)，满足设计上和使用上的要求。
三、扩底桩设计中应该注意的问题
1、由于扩底桩的设计仍无现成规范可寻,因此,在参照《建筑桩基技术规范》或《公路桥涵地基与基础设计规范》进行计算时，需要进行一些条件的假定，该假定要结合桩基的直径、长度、桩距、数量以及所处的地质条件综合进行考虑，务求全面、合理。例如：桩基间距过小时，要考虑群桩效应；桩径过大时，要考虑大直径桩（d≥0.8m）的尺寸效应，桩底为弱风化岩石时，可不进行深度修正及端阻力折减修正等等。
2、根据《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）第8.6.2条：扩底桩的直径不宜大于三倍桩身直径。设计时应注意满足这条规定，同时其相对于铅垂线的夹角，视地质条件确定，当在强风化岩内成孔时，不宜大于30°，当在土层内成孔时，不宜大于15°。
2、在根据建筑方面规范进行桩的竖向承载力计算时，大直径桩和小直径桩的计算公式不同，设计时应予以注意。
4、若桩底地质情况良好，受荷后桩的沉降量很小，则桩侧阻力不能充分发挥作用，桩的竖向承载力只考虑桩端作用。此时，尚应注意验算桩身的材料强度。
5、大直径扩底桩随端径增加，端阻力必定要进行折减。如前文所述，笔者建议按强度和下沉变形双项进行控制；同时，考虑到《建筑地基基础设计规范》和《公路桥涵地基与基础设计规范》在扩底端计算方法上的差异，扩底端直径D值可按两规范分别进行计算，取其大值。
6、扩底桩的成孔方法很多，除挖孔以外，目前已有多种设备可直接进行扩底桩的钻孔施工。此外，桩端型式也多种多样（详见图3：扩底桩桩端型式）。具体采用何种施工方案，可综合考虑决定，不必拘泥。
图3 扩底桩桩端型式
7、为保证设计及施工质量，必要时可对桩基进行静载和动载试验，试验内容及桩基检验比例依据实际工程项目的要求而定。
四、结束语
很多情况下，大直径扩底桩不失为一种理想的桩型，在目前的建筑界尤其是高层建筑中应用十分广泛，但将之应用于桥梁工程，实例还不多见，很多文献也在继续探讨其工作机理和较合理的设计方法。希望此文能为今后桥梁工程的地基基础设计提供某些借鉴。文中论述欠妥之处，还望同行专家们批评指正。
参考文献：
[1]建筑桩基技术规范JGJ94-94，北京：中国建筑工业出版社，1994
[2]大直径扩底桩承载力及沉降变形计算，建筑结构学报，何颐华,1993
[3]《基础工程》凌治平，易经武著，北京：人民交通出版社，1997
[4]公路桥涵地基与基础设计规范JTJ024-85，北京：人民交通出版社，1989
[5]公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63-2007，北京：人民交通出版社，2007
[6]大直径扩底桩随端径增加端阻力折减的讨论,《工程力学》,王明恕,2001
论文作者:张庆华,冯潇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/11
标签：直径论文; 阻力论文; 强度论文; 桩基论文; 承载力论文; 桥涵论文; 设计规范论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;