摩擦桩的设计
摘 要 文章主要介绍了公路桥梁摩擦桩的设计方法，首先介绍现今的研究现
状，具体介绍地基承载力的确定方法的演变、单桩轴向承载力容许值确定方法、弹性地基梁法等内容，同时指出桩基的抗震研究以及负摩阻力的相关理论正逐步深化。随后简要叙述桥梁的一般设计流程，着重介绍摩擦桩的概念以及设计方法，同时，点出了设计者在设计过程中的注意问题，以便更好地与施工实际情况相结合。
关键词 摩擦桩 地基承载力 单桩轴向承载力 负摩阻力
1 研究现状
桩基础是一种历史悠久、应用广泛的深基础形式。随着工业化水平和工程建设水平的不断提高，如今国内外在桩基础方面的研究已经逐渐深入。首先体现在地基承载力的确定方法上，从容许承载力设计方法发展到可靠度理论设计方法，如今应用可靠度理论进行结构设计是当前国际的一种共同发展趋势，这是桩基础设计领域的根本性变革，可靠度设计分析又称概率极限设计。
其次，采用了按土的支撑力确定单桩轴向承载力容许值的方法。考虑地基土具有多变性、复杂性和地域性等特点，往往需要采用静载试验、经验公式、动测试桩、静力分析等几种方法综合分析，以准确确定单桩承载力容许值[2]。此外，关于桩的负摩阻力的大小已经可以根据经验公式进行计算，相关研究方法与理论正逐渐完善。
同时，通过水平静载试验和分析计算两种途径确定的单桩横向承载力容许值满足工程要求；基于文克尔地基模型有效解决单排桩基桩内力与位移计算问题，确定了土的弹性抗力，发现了地基系数分布规律。这不仅解决了单排桩的内力与位移位移，还有效处理了多排桩、刚性桩、弹性桩的内力与位移。目前，基桩抗震设计很大程度依赖于经验，设计理论还不够成熟，各国科研工作者正积极探索。
[1]
2 桥梁设计一般流程
桥梁上部结构的设计首先进行截面设计，依据桥梁规模、环境等条件选取适
当的形状与尺寸，且尺寸选择应满足构造要求[3]。然后进行横截面设计以便进行荷载组合，横截面设计主要解决梁体配筋问题，强度满足要求后进行斜截面设计。斜截面的抗弯、抗剪承载力满足要求后，进行抗裂验算与变形验算，均满足规范要求后进行支座设计计算。
上部结构的设计完成后，便对下部结构进行设计。基础将上部结构荷载传递给地基，需要具有足够的稳定性、耐久性、强度，同时变形也应在允许的范围内，因此基础的设计与施工在整个桥梁建设中具有不可忽视的作用，而桩基础是现在桥梁基础工程中首选的深基础类型，桩基础如设计正确，施工得当具有承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀的特点。同时，在深水基础中具有好用材料少、施工简便等优点。
3 摩擦桩设计方法
结合本设计中所提供的水文地质资料，由于无坚实持力层，岩层埋置较深且受施工条件的限制，所以可采用摩擦桩作为桥梁基础。桩基础按承载性状分为竖向受荷桩和横向受荷桩，竖向受荷桩又可分为摩擦桩和端承桩[4]。桩穿过并支撑在各种压缩性土层中，在竖向荷载作用下，基桩所发挥的承载力以侧摩阻力为主时，统称为摩擦桩[5]。其中，以下几种情况均可视为摩擦桩：①当桩端无坚实持力层且不扩底时[6]；②当桩的长径比很大，即使桩端置于坚实持力层上，由于桩身直接压缩量过大，传递到桩端的荷载较小时；③当预制桩沉桩过程中由于桩距小、桩数多、沉桩速度快，使已沉入桩上涌时，桩端阻力明显降低时。
设计桩基础时，首先应收集必要的资料，包括上部结构形式与使用要求、荷载大小、地质和水文资料，以及使用的材料和施工条件等[7]。据此拟出具体设计方案，然后进行基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形检验，经过计算、比较、修改，确保承台、基桩和地基在强度、变形及稳定性方面满足安全和使用上的要求，同时考虑技术和经济上的可能性与合理性，最后确定理想的设计方案。
3.1 拟定桩径、桩长
桩径与桩长的设计，应综合考虑荷载的大小、土层性质与桩周土阻力状况、桩基类型与结构特点、桩的长径比以及施工设备与技术条件等因素后确定，力争做到既满足使用要求，又造价经济，最有效地利用和发挥地基土和桩身材料的承
载性能。设计时首先拟定尺寸，然后通过基桩计算，验算所拟定的尺寸是否经济合理，再作最后确定[8]。桩径可根据各类桩的特点与常用尺寸选择确定，摩擦桩的桩长一般不应小于4 m[9]，为了保证发挥摩擦桩桩底土层支撑力，桩底端部应尽可能达到改土层的桩端阻力的临界深度，一般不宜小于1 m。
3.2 确定基桩根数及平面布置
一个基础所需桩的根数可根据承台底面上的竖向荷载和单桩承载力容许值确定，桩数的确定还需要考虑桩基础水平承载力的要求。此外桩数的确定与承台尺寸、桩长及桩间距的确定相关联，确定时应综合考虑。根数的估算是否合适，在验算各桩的受力状况后即可确定。
为了避免桩基础施工可能引起土的松弛效应和挤土效应对相邻桩的不利影响，布桩时应根据桩的类型及施工工艺和排列方式确定桩的最小中心距。对于摩擦桩中锤击、静压沉桩，在桩端处的中心距不应小于桩径的三倍，对于软土地基宜适当增大；振动沉入砂土内的桩，在桩端处的中心距不应小于桩径的4倍；桩在承台底面处的中心距不应小于桩径的1.5倍[10]。桩数确定之后，可根据桩基受力情况选用单排桩或者多排桩。桩的排列形式常采用行列式和梅花式。此外，基桩布置还应考虑使承台受力较为有利。
3.3 桩基础设计计算与验算
根据拟定的桩基础设计方案应进行验算，即对桩基础的强度、变形和稳定性进行必要验算，以检验所拟方案是否合理[11]。因此，应该计算基桩与承台在与验算项目相应的最不利荷载组合下所受到的作用力及相应产生的的内力与位移，应该依次验算以下内容：单根基桩的承载力、群桩基础承载力和沉降量和承台强度。单根基桩验算包括单桩轴向承载力验算、横向承载力验算和水平位移及墩台顶水平位移验算，无论是按照地基土的支承反力，还是按桩身材料强度都可以确定和验算单桩承载力，对于按地基土的支承力确定和验算单桩轴向承载力而言，目前仍然采用容许应力法进行验算。
依据地质资料确定单桩轴向承载力容许值，检验单桩承载力容许值应以最不利作用效应组合计算出受轴向力最大的一根基桩进行验算[12]。对于按桩身材料强度确定和验算单桩承载力而言，验算时把桩作为一根压弯构件，按概率极限状态设计方法以承载能力极限状态验算桩身压屈稳定和截面强度，以正常使用极限状
摩擦桩的设计
