铁路工程师论文发表简述桥梁桩基础设计应注意的问题

　　摘要：铁路桥梁桩基设计直接关系到铁路桥梁施工质量和工程造价。本文主要就铁路桥梁桩基设计中的一些问题进行初步探讨。

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　　根据2008年国务院调整的《中长期铁路网规划》，到2020年全国铁路营业里程达到12万km以上，建设客运专线1.6万km以上。2010年底全国铁路营业里程达到9󰀁1万km，我国已投入运营的高速铁路8358km。因此，可以预见未来10年我国高速铁路建设任务重大、高速铁路营业里程日新月异。高速铁路由于具有高速度、高舒适性、高安全性、高密度连续运营等特点，对其土建工程提出了极其严格的要求。由于速度大幅提高，高速列车对桥梁结构的动力作用远大于普通铁路桥梁，桥梁出现较大挠度会直接影响桥上轨道平顺性，造成结构物承受很大冲击力，旅客舒适度受到严重影响，轨道状态不能保持稳定，甚至危及列车运行安全。这些都对桥梁结构的刚度和整体性提出了严格的要求。因此，其设计是否得当，对工程造价、质量、工期及使用影响很大。本文主要对桥梁设计过程中应注意的问题做了初步的探讨。

　　一、应正确区分端承桩和摩擦桩等桩基类型

　　在铁路桥梁设计中，凡嵌岩桩必为端承桩，凡端承桩均不考虑土层侧阻力。实际上，大量现场结果表明：桩侧阻力、端阻力的发挥性状与上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质和嵌岩深径比、桩底沉渣厚度等因素有关。

　　一般情况下，上覆土层的侧阻力是可以发挥的，而且随着长径比l/d的增大，侧阻力也相应增大;只有短粗的人工挖孔嵌岩桩，端阻力先于土层侧阻力发挥，端阻力对桩的承载力起主要作用，属端承桩。对l/d>15-20的泥浆护壁钻(冲)孔嵌岩桩，无论是嵌入风化岩还是完整基岩中，桩侧阻力均先于端阻力发挥，表现出明显的摩擦型。对于l/d≥40，且覆盖土层不属于软弱土，嵌岩桩端的承载作用较小，此时桩基受力状态为摩擦桩，桩端嵌入强风化或中风化岩层中即可。在某些地区，泥质软岩嵌岩灌注桩l/d>45时，嵌岩段总阻力占总荷载比例小于20%;l/d>60时，嵌岩段端阻力占总荷载比例小于5%。究其原因，一方面由于嵌岩桩桩身的弹性压缩，导致桩顶沉降，这个弹性压缩量引发了桩周土体的剪应力，也即是土对桩的摩阻力。另一方面，钻孔桩的孔底残留的沉渣，形成一个可压缩的软垫，至使桩底也会产生沉降，这一沉降和上述桩本身的压缩导致桩身与土体、嵌岩段桩身与岩体产生相对位移，从而产生侧阻力。而这种桩身弹性压缩和桩底沉降是随着长径比l/d的增大而增大的，因而导致摩擦力和侧阻力的增大。

　　由此可见，端承桩和摩擦桩的区分，不能单纯从是否嵌岩来区分，要考虑上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质、嵌岩深径比和桩底沉渣厚度等因素。

　　二、应科学计算桩基承载力

　　桩基承载力的计算是桥梁设计的重要内容。支承在基岩上或嵌入基岩内的钻(挖)桩，其单桩轴向受压容许承载力[[P]，可按下式计算：

　　[P]=(c1A+c2U h)Ra

　　Ra——天然湿度的岩石单轴极限抗压强度

　　h——桩嵌入基岩深度，不包括风化层。

　　U——桩嵌入基岩部分的横截面周长，按设计直径计算。

　　A——桩底截面面积

　　c1、c2——根据清孔情况、岩石破碎程度等因素确定的系数。 、

　　公式表明：嵌岩桩的单桩轴向受压容许承载力[P]，仅取决于桩底处岩石的强度和嵌入基岩的深度，以及清孔情况、岩石破碎程度等因素。根据规范描述，通常认为只要是嵌岩桩，就是端承桩，就适用于这个公式。实际上，只有在嵌岩桩在清孔绝对干净，桩底处于理想支撑，桩底岩石完整且强度很高时，桩的竖向位移很微小，桩基才表现为典型的端承桩，公式的使用是无可争议的。实际工程中，只有当桩基长径比较小，土层侧阻力占比例不大时，桩基主要表现为端承桩的特征，公式才可使用。

　　工程试验证明，当岩面较平整，桩的嵌岩深度h>2d时，桩侧嵌固力约占总荷载50%以上。随着嵌固深度增加，承载力也随之增大。但嵌固深度h>3d时，承载力增长不大。公式中没有对h规定限值，也没有随h值增大而设定相关的折减系数。因此，在桩基设计实践中，当桩基承载力需要通过较大的嵌岩深度来提高时，不妨考虑加大桩径。

　　三、准确确定嵌岩深度及桩端持力层厚度

　　在铁路桥梁工程桩基设计中，经常会遇到两软弱岩层之间穿越强度很高的一定厚度的岩层(夹层)，或者有些地区溶洞比较发育。如果这种夹层厚度不够承载厚度要求，钻孔桩就需要穿越夹层，以达到持力层，这对施工机械和施工进度都是极大的考验。

　　对桩底基岩厚度的确定，主要有三个条件：

　　(1)不考虑桩身周围覆盖土层侧阻力，嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化、微风化、中风化硬质岩体的最小深度，按构造要求0.5m;

　　(2)要求桩底以下3倍桩径范围内无软弱夹层、断裂带、洞隙分布;

　　(3)在桩端应力扩散范围内无岩体临空面。对于一般夹层，只要满足前两个条件即可作为持力层。对岩溶地区桩基，由于岩体形状奇特多变，岩溶洞隙的分布毫无规律，现有勘探手段难以事先查明它的准确位置及大小，导致工期延长、工程费用增加。基于计算所需的边界条件十分复杂，而岩溶地基比一般岩石地基影响因素更多，以前通常要求桩端下有4m、5m或5倍桩径持力层厚度，对于不同桩径、不同的单桩承载力，如果同样要求基桩端面以下有5m完整基岩，两者的可靠度是不尽相同的。为使桩基设计经济合理?应根据经验值和试算数值相结合的方法来确定嵌岩深度及桩端持力层厚度。

　　四、采取合理的桩基配筋布置

　　基桩各截面的配筋，理论上应根据桩基内力进行计算布置。桩基内力可采用“m”法或其他有可靠依据的方法计算。按“m”法计算桩基时，桩身弯矩有四个特点：

　　(1)弯矩分布规律近于一条自顶向下衰减的波形曲线，且衰减很快。

　　(2)桩身最大弯矩发生在第一个非完整波形内，一般在地面以下约3m位置。

　　(3)桩身弯矩在第一个弯矩零点以下很小，可以忽略不计，其下桩身主要起传递竖向力作用。(4)第一个弯矩零点位置在桩入土深度h=4/αh处。

　　在设计中通常有两种钢筋布置方式。一种是根据最大弯矩处进行配筋。从桩顶一直伸到最大弯矩一半处下一定锚固长位置，减少一半配筋再一直伸至弯矩为零下一定锚固长位置，再下为素混凝土段，对于软基，桩主筋最好穿过软土层。另一种是将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。从桩体受力和节省工程费用以及发生事故处理的难度来看，前一种更合理。这是因为，由于桩基较长一段不设钢筋，比后者节省了部分钢筋，底部断桩时，钢筋笼拔出后，可原孔再钻，减少扁担桩发生机率。但是，第二种配筋方式可以减小施工难度，桩基灌注混凝土时，钢筋笼的定位是十分重要的，钢筋布置到桩底，易于固定钢筋笼。

　　五、桥梁在设计时安全性和耐久性的问题

　　1、安全性和耐久性差的原因

　　1.1设计时的方案不合理

　　对于工程的结构设计，设计出经济合理的方案是结构设计的最重要的任务，在对结构的解析以及各结构连接设计时，要依据国家规定的安全性要求和一些安全指标来保证设计时的安全性。但是，在对桥梁进行设计时，许多专业的人员只是一味去满足规范上和一些规定对结构的安全度的需求，而忽略了结构的材料、耐久性等特点，和在设计施工时出现的一些人为的因素，如果忽略了这些因素，对桥梁的安全性将会有很大的隐患。比如说，有的结构在计算时受力方向不是很明确，就会导致桥梁的某些部位收到的压力过大。对于某些混凝土，它的强度不是很好，某些钢筋的直径太细、截面太薄等等，这些因素都会影响到结构的安全性和耐久性。现如今我们建造好的铁路桥梁虽然都符合了规范所要求的强度，但是一般使用5-10年就会出现各种各样的问题。

　　1.2设计时理论不完善

　　国内的设计人员，对桥梁铁路进行设计时，大多只考虑强度而忽略了铁路桥梁结构的耐久性。考虑强度的极限值而忽略了使用时的极限值，而对于铁路桥梁来说，使用时的质量是最重要的。只看重对结构的建造，而忽略了对结构的维护。在实际的设计时，大家对于结构的耐久性的设计只是被当为一种概念而受到大家的注意。同时，在这一领域，也没有对使用年限提出准确的要求，对结构也没有进行专业的耐久性方面的设计。这些思想上的偏差，就直接影响到工程的质量和使用情况等。

　　2、提高铁路桥梁的安全性和耐久性的设计方法

　　2.1要提高设计人员对那就行设计的重视，设计时还要兼顾混凝土的耐久性的要求。而提高铁路桥梁耐久性的最基本的就是要提高工程所使用的混凝土的耐久性。同时，还要考虑应该怎样设计来提高耐久性，要如何选用施工人员容易操作的方式来提高耐久性。

　　2.2对于钢筋的保护层要加大厚度，加强配筋的强度，尽可能的阻止混凝土出现裂痕。如果桥梁是混凝土结构的，提高它的耐久性的最基本的方法就是增加保护层的厚度，同时也是为了防止钢筋生锈，在强度上产生变化。然而对于裂痕的避免，就要按照相关的规定安全操作，尽量控制和减少施工及操作时产生的裂痕，同时还要采用某些构造措施，尽可能的避免在使用时产生的裂痕。

　　2.3对桥梁的表面要加装防水保护层。比如说，采用在混凝土中混入水泥结晶材料，都会起到很好的防水成效。同时还应该安装泄水管道，设计时要注意泄水管接缝处的密封性，防止水进入梁内，对桥梁产生极大影响。

　　2.4尽量的避免桥梁超负荷使用。如果桥梁超载，将会造成桥梁的疲劳感，而且会对桥梁的内部产生不可恢复的破坏，这些对桥梁的安全系数都会有影响。所以，对于桥梁在使用时，我们要尽可能地避免桥梁的超载，有关的相关部门要加强管理，制定一些相关的法律规定。

　　六、结束语

　　近几年，我国对铁路桥梁的建设也越来越快，使我国的交通系统也迅速发展起来。所以我们更要重视铁路桥梁的安全性和耐久性。只要我们在对桥梁进行设计时要不断地创新和总结经验，避免我国的铁路桥梁出现问题，保证人们的安全。

　　参考文献：

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　　[2] 黄良正.关于桥梁嵌岩桩设计的探讨[J].公路科技杂志，2003.

　　[3] 铁科院铁建所.高速铁路线桥结构与技术条件(标准)的研究[R].2006.