目 录
一、 桩基设计优化研究的背景.............................................................................. 1
1、桩基础的历史及发展趋势 .............................................................................. 1
2、桩基础在广乐高速公路工程中的应用 .......................................................... 3
二、 桩基设计的现状调查...................................................................................... 5
1、桩基础的分类 .................................................................................................. 5
2、桩基竖向力产生的原因及机理 ...................................................................... 8
3、新老规范端承桩桩长计算的差异 .................................................................. 9
4、当前公路桥梁桩基设计中存在的问题 ........................................................ 13
三、 桩长确定的原则............................................................................................ 14
1、桩基础类型的选择 ........................................................................................ 14
2、桩长计算 ........................................................................................................ 15
四、 端承桩嵌岩深度确定的原则........................................................................ 19
1、端承桩持力层的选择 .................................................................................... 19
2、柔性桩的嵌岩深度 ........................................................................................ 19
3、刚性桩的嵌岩深度 ........................................................................................ 20
4、嵌岩深度原则在广乐项目中的应用 ............................................................ 21
五、 桩基配筋原则................................................................................................ 23
1、桩身上段的配筋率 ........................................................................................ 23
2、摩擦桩桩身中、下段的配筋率 .................................................................... 24
3、端承桩桩身中、下段的配筋率 .................................................................... 26
4、桩身分段配筋的原则 .................................................................................... 26
5、配筋原则在广乐项目中的应用 .................................................................... 29
六、 岩溶路段桥梁桩基设计原则........................................................................ 31
1、岩溶桩基设计现状调查 ................................................................................ 31
2、广乐项目桥梁桩基溶洞处治原则 ................................................................ 32
3、串珠岩溶路段桥梁桩基设计原则 ................................................................ 33
七、
八、
本次桩基专题研究的主要结论.................................................................... 35 专题研究成果的应用与展望........................................................................ 36
一、 桩基设计优化研究的背景
桩基础是一种历史悠久而应用广泛的深基础形式。如设计正确、施工得当，桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小的特点；在深基础中具有耗用材料少、施工简便等特点。近代随着工业技术和工程建设的发展，桩的类型和成桩工艺、桩的设计理论和设计方法、桩的承载力与桩体结构的检测技术等诸方面均有迅速的发展，使桩基础的应用更为广泛，更具有生命力。
1、桩基础的历史及发展趋势
我国最早的桩基距今已有七千多年，据历史文物遗址的挖掘显示，我国历史上最早的桩是在浙江省宁波市余姚的河姆渡，作为古代干阑式木结构建筑的基础是由圆木桩、方木桩和板桩这三种木桩组成的桩基础。圆木桩直径一般在6cm～8cm 之间，板桩厚2cm～4cm，宽1Ocm～50cm，木桩均系下部削尖，人土深度最深达115cm。这是最早的桩的雏形，在世界上也属罕见。
桩基的使用经历了漫长的历史年代，但在水泥未问世以前，实际上能利用的桩型只是由天然材料做成的桩体如木桩和石桩。特别是木桩，迄今仍在个别地区使用着。19世纪中叶以后，由于水泥工业的出现和发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝土桩和钢筋混凝土桩。但在初期阶段，由于所采用的混凝土强度和钢筋强度都较低，钢筋混凝土的计算理论也尚未建立，钢筋混凝土桩，无论从桩型或桩基施工技术来看，都还是比较“低档”的。在2O 世纪2O 年代特别是第二次世界大战以后，桩基理论和技术才有了更大的发展，桩的应用范围也在不断扩大，出现了形形色色的、花样繁多的桩型，如预应力钢筋混凝土桩、高强度钢筋混凝土桩以及钢桩等。桩基从古老的简陋的形式发展成为现代桩基的各种不同体系过程中，桩的形式规格和工作机理都有了质的变化。 桩基技术在历史发展过程中，有五点情况是不容忽视，应特别指出：
（1) 桩基技术的发展受工业化的影响巨大，例如水泥工业的问世，现代钢铁工业的高速发展以及化学工业的崛起，都使桩基技术及其应用形成了一个独特的时期或阶段。
（2) 由于桩型及施工工艺不断推陈出新、千变万化，量变的结果导致了质变，无论是在桩基的有关理论概念还是桩的效用上都产生了许多实质性的变化，桩的应用及成桩工艺比过去更为多样化和复杂化。特别是在桩基设计和施工领域中提出了许多崭新的甚至是离经叛道的概念。
（3) 随着桩基技术的改良和发展，桩已不只是单独地被应用，在许多情况下，它与其他的基础形式或工艺联合应用，例如化学灌浆排桩联合护壁等，以适应上部构造的超重荷载深基坑开挖的需要。此外桩的发展趋势表明，桩身的超高强度、大桩径、超长、无公害成桩工艺以及完美的施工控制技术等已成为未来桩基改良和发展的重要内容。
（4) 桩基设计及施工规范化已受到工程界的高度重视，有关各种桩系的规范正在陆续制订和推出，规范的巨大作用和重要的工程意义已在现代的桩基实践中获得了充分的证明。
（5) 桩基的施工监测和检测应工程的需要已形成一套相当丰富有效的技术。动测方法经过十多年的科研与实践，认识逐步深化，低应变反射波法检验桩身完整性，高应变波动理论法检测承载力已成主流。
正是因为有了以上五个情况的出现、发展与创新，桩基技术在进人现代化阶段以后获得了迅速的发展。但同时也应该清醒地认识到，就桩基工程现状来看，它也存在并面临着两个方面的挑战：
（1) 由于竞争机制的引人，业主对桩基工程的造价、工程进度和工程质量的要求越来越高，使得桩基技术越来越重要，而对它的要求也就近乎苛求的程度。众所周知，事实上不可能有一种万能的桩型，不同的结构和地质条件要求用不同的桩型，而同一工程也有可能有几种桩型可以采用，谁的承载力大、工期短、造价低，谁就能在竞争中占据主动地位。
（2) 随着经济的发展和时代的进步，工程的规模和难度越来越大，对减小环境不良效应的要求越来越高，而且大多数地质条件恶劣。桩基设计人员往往可能面对这样一种情况：现有的各种桩型似乎没有一种适合当前的情况，所以或者放弃采用桩基，或者推陈出新，提出新奇的设想并战胜自己最初的抗拒心理而勇敢付之实施。在许多情况下，实施一个正确的桩基设计往往遇到的困难不少。首先是设备条件的限制，我国的桩工机械行业基础差，发展时间较短。桩工机械在
产品品种、规格、产量、质量及服务方面都未能充分满足桩基施工的广泛要求。“巧妇难为无米之炊”，如何解决产需矛盾是桩基技术发展面临的挑战。第二个方面，要加速桩工机械机、电、液一体化的进程，以改善和克服操作落后、准确度低、劳动强度大、施工过程显示记录控制落后、施工效率不高、施工过程安全保护装置落后、易发生安全事故等缺点。
桩基技术从古老的初期阶段发展到现代化阶段经历了漫长的过程，取得了今天的高速发展。但在发展的同时也面临着严峻的问题与挑战，因此必须要正视问题迎接挑战。
2、桩基础在广乐高速公路工程中的应用
高速公路是交通现代化的重要标志，也是国家现代化的重要标志。改革开放30多年来，我国高速公路建设经历了从无到有、从起步建设到初步拥有高速公路网络的巨大变化，实现了跨越式发展。
广乐高速公路是京港澳高速公路粤境段的复线，走向大致与京港澳高速公路平行，建成之后将成为继京港澳高速公路之后又一条连接湖南以及中部省市通往珠江三角洲的大动脉。广乐高速公路的建设将有效缓解京港澳高速公路粤境段的交通压力，大幅提升区域高速公路的整体服务水平和粤北地区公路交通抵御自然灾害的能力，同时对加快武广客运专线和京广铁路的客货集散有重大意义。
京港澳高速公路以其地缘优势和区位优势，成为习惯性的南北向交通主通道，随着近年广东经济的快速发展，通车以来南下北上车流量也急速增加，2007年1月26日一天韶关段的总车流量达7.5万辆，是有史以来最拥挤的一天，使其通行能力远远不能满足设计要求，已趋于饱和状态，无法满足省际交通快速增长的需求，严重制约了京港澳高速公路沟通南北、连通粤港澳的功能。同时由于京港澳高速公路部分路段存在先天性缺陷，其抗气象灾害能力十分脆弱，特别是在雨、雪（冰）、雾天气下，存在较大的交通安全问题，尤其是在2008年1月下旬，冰雪造成郴州至韶关段完全瘫痪，造成了严重的经济损失和不良的社会影响。
为缓解京港澳高速公路（京珠高速公路）粤境段的交通压力，彻底解决京港澳高速公路粤北段通行不畅、通行能力不足、交通事故较为频繁的问题，2007年6月，广东省交通厅主持召开并审查通过了《京珠高速公路（粤境段）复线及
相关路段路线规划报告》；广东省政府已同意将乐昌至广州高速公路纳入广东省高速公路网规划，并在“十一五”跨“十二五”由广东省组织实施。
乐昌至广州高速公路是京港澳高速公路粤境段的复线，走向大致与京港澳高速公路平行，建成之后将成为继京港澳高速公路之后又一条连接湖南以及中部省市通往珠江三角洲的大动脉。乐广高速公路A1合同段和现有的京港澳高速公路粤境北段，都是以过境交通为主，并承担大比例的载重交通。
本项目的建设，将进一步加强粤北地区与珠三角地区的经济联系，不仅是完善广东省南北高速公路网的需要，同时对缓解京港澳高速公路粤北段的交通压力，加快武广客运专线和京广铁路人货集散有重大意义，并能大幅度提升南北大通道的抵抗自然灾害的能力。
广乐高速公路位于粤北山区，并穿越南岭山脉大瑶山西翼，沿线自然环境恶劣，地形、地质情况独特，桥隧集中。以坪石至桂头段为例，初步设计主线推荐方案路线全长73.331km（以右线计），桥梁全长16691.68 m /59座，桥长占路线总长达22.8%。
广乐高速公路沿线覆盖层普遍较厚，桥梁基础大多采用桩基础。桩基础工程量非常大，是本项目工程规模及工期的控制性因素之一。因此，优化桩基设计，能大大降低本项目的投资规模，缩短工期，取得良好的社会效益和经济效益。
二、 桩基设计的现状调查
当前我国公路桥梁桩基础的设计一般依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007，以下简称07规范）进行。本规范于2007年9月29日发布，于2007年12月1日开始实施。在此之前，我国公路桥梁桩基础的设计一般依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024-85，以下简称85规范）进行。
1、桩基础的分类
在《公路桥涵地基与基础设计规范》（07规范和85规范）中，将桩基按承载性状分为两类:摩擦桩和端承桩。
当桩基础穿过土层，桩端支承在坚硬土层或岩层上，上部荷载主要靠桩端处硬土层或岩层提供的反力来支承，桩侧摩阻力很小，可忽略不计，这种桩称为端承桩。当土层很厚。桩端达不到硬土层或岩层上，桩的荷载主要靠桩身与周围土层之间的摩擦力来承担，桩端处土层或岩层反力很小，这种桩称为摩擦桩。实际的桩通常是介于上述两种情况之间，桩基竖向力由摩擦力和桩端力共同提供，只是两个力所占的比例不同。
当采用端承桩时，如覆盖层（指地面或河床底或最大冲刷线至岩面的层厚）较薄，或桩的横向荷载或弯矩较大时，应将桩底嵌入基岩中一定深度，以增加桩基的稳定性和承载能力，这种端承桩又称为嵌岩桩。为保证嵌岩桩在横向荷载作用下的稳定性，需嵌入基岩的深度与桩嵌固处的内力及桩固岩石强度有关，应分别考虑轴向力和弯矩的要求，由两者最不利者控制设计深度。
（1）以轴向力控制嵌岩深度，则按端承桩的单桩承载力公式计算：
[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik 2i =1
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
C 1 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
，黏土质岩取天然湿度单轴f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa）
抗压强度标准值，当f rk 小于2MPa 时按摩擦桩计算；
C 2i －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i 层侧阻发挥系数，
按表3采用；
u－各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；
h i －桩嵌入各岩层部分厚度（m），不包括强风化层和全风化层；
m－岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；
l i －各土层的厚度（m）；
q ik －桩侧第i 层土的侧阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻力试验值，当
无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按07规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按07规范表5.3.3-4选用；
n－土层的层数，强风化层和全风化层按土层考虑；
ξs －覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端f rk 确定。当2MPa≤frk
时，ξs =0.8；当15MPa≤frk 30MPa时，ξs =0.2；
（2）以弯矩控制设计嵌岩深度时，圆柱形的嵌岩最小深度h 可按下列公式
计算：
h = 式中：h－桩嵌入基岩中（不计强风化和全风化层）的有效深度（m），不应小于0.5m；
M H －在基岩顶面处的弯矩（kN·m）；
，黏土质岩取天然湿度单轴f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa）
抗压强度标准值；
β－系数，β=0.5～1.0,根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值；
d－桩身直径；
b－垂直于弯矩作用平面桩的边长（m）；
（3）摩擦桩桩长计算
摩擦桩的桩长不宜太短，因为桩长过短则达不到把荷载传递到深层和减小基础下沉量的目的；并且桩长过短必然增加桩数，导致承台尺寸扩大，这往往是不
够经济合理的。
摩擦桩桩长的确定主要根据钻孔灌注桩单桩轴向容许承载力公式进行计算：
1⎛n ⎞ [R a ]=⎜u ∑q ik l i ⎟+A p q r 2⎝i =1⎠
q r =m 0λ[[f a 0]+k 2γ2(h −3) ]
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
u－桩身周长（m）；
，对于扩底桩，取扩底截面面积； A p －桩端截面面积（m）
n－土层的层数；
l i －承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m），扩孔部分不计；
q ik －与l i 对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻
力试验值，当无试验条件时按07规范表5.3.3-1选用；
q r －桩端处土的承载力容许值（KPa）； 2
[f a 0]－桩端处土的承载力基本容许值（KPa），按07规范第3.3.3条确定； h－桩端的埋置深度（m）对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对于无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；h的计算值不大于40m，当大于40m 时按40m 计算；
k 2－容许承载力随深度的修正系数，根据桩端处持力层土类按07规范表
3.3.4选用；
γ2－桩端以上各土层的加权平均厚度（kN/m3），若持力层在水位以下且不透水时，不论桩端以上各土层的透水性如何，一律取饱和重度；当持力层透水时则水中部分土层取浮重度；
λ－修正系数，按07规范表5.3.3-2选用；
m 0－清底系数，按07规范表5.3.3-3选用；
2、桩基竖向力产生的原因及机理
桩与土之间的位移是桩基承载力发挥的必要条件。桩基在自重及上部荷载的作用下，桩基产生向下的位移，土体受剪时产生摩阻力，摩阻力随剪应变的增加而不断增大，当摩阻力达到最大值时，继续增加剪应变，摩阻力不再增加，之后增加的荷载将由桩端力提供，这就是一般桩基的受力特征。
摩阻力的发挥程度与桩土相对位移有关，通常将它们之间的关系称作传递函数。传递函数曲线的形状比较复杂，它与土层性质、埋深、施工工艺和桩径大小有关，根据土性不同，曲线形式大致有如下三种，即加工硬化型（非密实砂、粉土、粉质粘土等），加工软化型（密实砂、粉土、高结构性黄土、高灵敏度软土），理想塑性型。
传递函数的主要特征参数为极限摩阻力和极限位移。试验表明：发挥极限侧阻位移，主要与土类土性有关。对钻孔灌注桩，还与桩径大小、施工工艺有关。桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，在粘性土中约为桩底直径的25%，在砂性土中约为8%～10%，对于钻孔桩，由于孔底虚土、沉渣压缩的影响，发挥端阻极限值所需位移更大。而桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥，具体数量目前认识尚不能有一致意见，但一般认为粘性土为4～6mm，砂性土为6～10mm。对大直径的钻孔灌注桩，如果孔壁呈凹凸形，发挥侧摩阻力需要的极限位移较大，可达20mm 以上，甚至40mm，约为桩径的2.2%，如果孔壁平直光滑，发挥侧摩阻力需要的极限位移值较小，小至只有3～4mm。
桩与土之间的位移主要由桩身的压缩变形、桩底的沉降变形和桩基周围土体的沉降变形三部分组成。一般来讲，桩底的沉降变形、桩基周围土体的沉降变形所占比例较大，桩身自身压缩变形很小。以上构为20m 空心板，桩长25m、桩径
1.2m 的桩基为例进行计算，其桩身压缩变形量约为2mm，可见其所占比例甚小。桩底的沉降变形主要与目前国内的施工方法有关。国内最常采用的钻孔桩，由于清孔不彻底，一般都会残留5cm～20cm厚的沉渣，形成软弱层，在桩基自重、墩柱及上部荷载作用下，软弱层不断受压变形，桩基产生下沉，其累计变形可达(0.1～0.2)D，D为桩基直径。特殊情况采用的人工挖孔桩，桩底清孔彻底，桩基沉降量就大为减小。
3、新老规范端承桩桩长计算的差异
在端承桩的设计中，设计人员往往忽视桩周覆盖土层的作用，不管基岩(未风化层)埋置深度，而过分保守地使桩尖伸入基岩的深度等于或数倍于桩径，仅有效桩长(地面或局部冲刷线以下的桩长)就达20m 以上，这在很大程度上造成材料的浪费，增加了桥梁工程的造价。
此种情况的出现与1985年交通部公路规划设计院制定的《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)第4.3.4条嵌岩桩单桩轴向容许承载力计算式及其有关基岩的定义直接相关。85规范对嵌岩桩垂直承载力的计算，有很多值得探讨的地方。
由嵌岩桩的试桩实验得知，嵌岩桩的实际垂直极限承载力P 往往远大于85规范中的计算值。《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)的颁布和实施，完善、修订了桩基础设计的有关规定，其中包括对嵌岩桩的单桩轴向受压容许承载力公式的修正。
下面就新、老基础规范计算公式的不同之处进行探讨。
1）85规范对端承桩计算的规定
按85规范的规定，支承在基岩上或嵌入基岩内的单桩，其轴向受压容许承载力取决于桩底处岩石的强度和嵌入基岩的深度，可按下式计算：
[P ]=(c 1A +c 2Uh ) R a -------------公式1
式中：Ra－天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（KPa），试件直径为7cm～10cm，试件高度与试件直径相等；
h－桩嵌入基岩深度（m），不包括风华层；
U－桩嵌入基岩部分的横截面周长(m)，按设计直径计算；
A－桩底截面面积（m2）；
C 1 、C2 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的系数，按表1采用。
系数C 1 、C 2值 表1 条件
良好
一般
较差 C 1 0.6 0.5 0.4 C 2 0.05 0.04 0.03
注：①当h≤0.5m时，C 1采用表列数值的0.75倍，C 2=0；
②对于钻孔桩，C 1 、C2取表值的0.8倍。
2）85规范计算公式值得思考的问题
85规范计算公式中有三个值得商榷的地方，导致了桩长计算结果偏保守。
（1）公式1中未考虑新鲜基岩以上覆盖层的侧阻力
显然，这对于埋置较深的桩基不经济。在清孔绝对干净、桩底处于理想支撑状态、桩底岩石完整且强度很高时，桩的竖向位移很微小，公式1合理、适用。但近年来大量的实践资料表明，当桩的长径比L／d>15～20的泥浆护壁钻（挖）孔嵌岩桩时，无论是嵌入风化岩还是完整的基岩，其荷载传递都具有摩擦桩的特征，即桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来，桩端分担的荷载不大，属于摩擦桩。一般情况下，其桩侧阻力分担的荷载超过60％；当长径比L／d>35时，在覆盖层不太软弱的情况下，其桩侧阻力分担的荷载将超过95％，端阻力分担的荷载不足5％，几乎可以忽略不计。这是由于对嵌岩桩而言，一方面，即使桩身不下滑，其桩顶的弹性压缩变形是必然存在的，即使桩尖沉降△h=0，桩身有弹性压缩△，桩顶沉降△0=△。弹性压缩量△引发了桩周土体的剪应力τ，即土对桩的摩阻力。剪应力与剪切变形成正比，表层剪应力τ，底层剪应力τ=0，呈三角形分布。当桩顶荷载P 增大时，△逐渐增大，表层剪应力τ达到极限值[τ]，此时荷载仍由桩侧摩阻力承担。如果荷载继续增大，则荷载增大部分全部由桩尖岩体的支承力承担，直至达到桩尖土层的极限承载力[P]，此时，桩侧摩阻力和桩尖支承力均达到极限状态。
另一方面，钻孔桩的孔底会残留一部分沉渣，这些沉渣将形成可压缩的软垫，导致桩底产生沉降，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，而端阻力由于“软垫”效应，不能完全发挥出来；此外，桩身轴力由于桩项荷载在沿桩身向下传递过程中，必须不断地克服桩侧阻力，使桩身轴力随深度逐渐减小，传至桩底的轴力即桩底反力，等于桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力。以上几点表明，不考虑桩的长径比，忽视桩侧阻力的作用既不符合实际情况又不经济。
（2）对公式1中参数“h”的探讨
公式1中对“h”的要求是“桩嵌入基岩的深度，不包括风化层” ，设计人员一般理解是桩必须嵌入新鲜基岩，而不论其上面风化岩层的强度如何，这也是值得思考的问题。
由对岩石按强度分类的规定(见表2)可知，岩石极限抗压强度可相差6倍以上，有的强风化硬质岩(如花岗岩)，其极限强度可超过10MPa 而大于极软岩新鲜基岩的强度。这说明一般硬质岩的微弱风化层、甚至强风化层的强度都相当高，不考虑这些层次的嵌岩深度，一律要求嵌入新鲜基岩显然是不合理的。在风化层很厚的情况下，嵌岩很深，必然导致工程量增大、计算承载力远小于桩基的实际极限承载能力值。
岩石的分类 表2 类 别
坚硬岩、较硬岩
较软岩
软质岩
机软岩 单轴极限抗压强度（MPa） > 30 15～30 12～10
（3）对公式1中参数“Ra”的探讨
公式1中对岩石单轴极限抗压强度的定义存在偏差，设计人员一般采用钻孔试件的平均强度值。事实上，当岩石强度随深度增加时，将导致桩的计算承载能力偏低，从而使桩基的计算长度比实际承载力需要的长，造成浪费。
3）07规范对端承桩计算的规定
按07规范的规定，支承在基岩上或嵌入基岩内的单桩，其轴向受压容许承
载力取决于桩底处岩石的强度和嵌入基岩的深度，可按下式计算：
[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik -------------公式2 2i =1
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
C 1 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按表3
采用；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa），黏土质岩取天然湿度单轴
抗压强度标准值，当f rk 小于2MPa 时按摩擦桩计算；
C 2i －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i 层侧阻发挥系数，
按表3采用；
系数C 1 、C 2值 表3 岩层情况
完整、较完整
较破碎
破碎、机破碎 C 1 0.6 0.5 0.4 C 2 0.05 0.04 0.03
注：①当h≤0.5m时，C 1采用表列数值的0.75倍，C 2=0；
②对于钻孔桩，C 1 、C 2取表值的0.8倍；桩端沉渣厚度t 应
满足以下要求：桩径d≤1.5m时，t≤50mm；d>1.5m时，t≤100mm。
③对于中风化层作为持力层的情况，C 1 、C 2应分别乘以0.75
的折减系数。
u－各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；
h i －桩嵌入各岩层部分厚度（m），不包括强风化层和全风化层；
m－岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；
l i －各土层的厚度（m）；
，宜采用单桩摩阻力试验值，当q ik －桩侧第i 层土的侧阻力标准值（KPa）
无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按07规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按07规范表5.3.3-4选用；
n－土层的层数，强风化层和全风化层按土层考虑；
ξs －覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端f rk 确定。当2MPa≤frk
时，ξs =0.8；当15MPa≤frk 30MPa时，ξs =0.2；
4）07规范计算公式的经济效益
85规范计算公式中未考虑基岩上覆土层与桩的摩阻作用，且基岩的定义局限于未风化层，这将导致桩的长度主要由基岩的埋置深度决定。端承桩的工作原理与桩的长细比、桩底岩土与桩周土的刚性比以及桩的成孔工艺均有很大关系。计算中采用的桩的受力模式仅适合支承于基岩表面或嵌入基岩的短粗桩，并不符合一般桥梁桩基的实际工作原理。通过对照O7新规范和85规范，可以发现07新规范针对85规范的上述不足，对嵌岩桩单桩轴向受压容许承载力值计算公式进行了修正。O7规范规定嵌岩桩单桩轴向受压容许承载力值由桩周土总极限侧阻力、嵌岩段总极限阻力和总极限端阻力组成。采用07新规范计算大大缩短了桩的长度，降低了桩基工程量，同时加快了工程的施工进度。
4、当前公路桥梁桩基设计中存在的问题
85年发布的《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024-85）在中国实施了二十多年，影响非常深远。其总体上偏保守的设计思想影响了一代桥梁工程师。特别是2004年新《桥规》发布实施后，设计人员发现设计荷载总体上有所提升，自然而然地认为桩基础也应该相应更保守。
加之基础设计有其特殊性：1、地质情况千差万别，存在很多不确定因素；2、桩基计算理论上还不是太完善。目前我国公路桥梁桩基内力计算主要采用“m”法，“m”法的计算理论主要基于文克尔假定，而文克尔假定在力学体系上是不严密的；3、基础在整个桥梁结构中的关键地位。一旦基础工作状态发生问题，要进行加固改造将十分困难。
种种原因，导致当前我国桥梁工程师在桩基设计中偏于保守，造成了一些不必要的浪费。这是当前国内公路桥梁桩基设计中存在的主要问题。
三、 桩长确定的原则
当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满足结构物对地质强度、变形和稳定性方面的要求时，往往需要采用深基础，桩基础是一种常用的深基础。钻（挖）孔灌注桩基础由于施工设备简单、操作方便，适用于各种砂性土、粘性土，也适用于碎、卵石类土层和岩层。因此桩基础在广乐高速公路工程中被广泛采用。
广乐高速公路桥梁桩基基本都是采用的钻（挖）孔灌注桩。从承载性桩来看，主要分为两类：摩擦桩和端承桩。
1、桩基础类型的选择
摩擦桩和端承桩都是桥梁工程中经常采用的桩基础类型。《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5.1.5条规定，“在同一桩基中，除特殊设计外，不宜同时采用摩擦桩和端承桩”。具体什么情况下采用摩擦桩，什么情况下采用端承桩，并无明确规定。
一般认为，端承桩的承载能力大，沉降比摩擦桩小。如覆盖层很浅，应采用端承桩。
但摩擦桩如设计正确、施工得当，其沉降也不会超出桥梁的容许范围，并不影响其承载性能。
因此，选用摩擦桩还是端承桩，主要还是依据桥位处的地质情况。特别是在覆盖层很厚的地方，可能桩长就是取几十米甚至一百多米，桩端也无法达到基岩，在这种情况下，端承桩就不适用了，必须采用摩擦桩。
在实际的工程实践中，桩位处覆盖厚度很可能不是那么典型。以广乐高速公路为例，有的地方覆盖层厚度有三、四十米，既不是浅到让设计人员毫不犹豫地采用端承桩，也不是深到必须采用摩擦桩。
在这种情况下，设计人员应该分别按摩擦桩和端承桩的计算公式计算桩长。结果可能有三种情况：
（1）按摩擦桩算出来的桩长大于使桩基嵌入基岩所需的长度，则桩基应按端承桩设计。
（2）按摩擦桩算出来的桩长远远小于使桩基嵌入基岩所需的长度，则桩基．．．．
应按摩擦桩设计，不必非要使桩基嵌入基岩。
（3）按摩擦桩算出来的桩长小于使桩基嵌入基岩所需的长度，但相差小于．．
5m。在这种情况下，虽然按摩擦桩设计可能更经济,但考虑到节省的造价有限，且端承桩具有沉降量小的优点，因此建议还是按端承桩设计。
2、桩长计算
桩长的计算应按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）的相关规定进行。
（1）端承桩的桩长计算公式
以轴向力控制嵌岩深度，则按端承桩的单桩承载力公式计算：
[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik 2i =1
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
C 1 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa），黏土质岩取天然湿度单轴
抗压强度标准值，当f rk 小于2MPa 时按摩擦桩计算；
C 2i －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i 层侧阻发挥系数，
按表3采用；
u－各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；
h i －桩嵌入各岩层部分厚度（m），不包括强风化层和全风化层；
m－岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；
l i －各土层的厚度（m）；
q ik －桩侧第i 层土的侧阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻力试验值，当
无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按07规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按07规范表5.3.3-4选用；
n－土层的层数，强风化层和全风化层按土层考虑；
ξs －覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端f rk 确定。当2MPa≤frk
时，ξs =0.8；当15MPa≤frk 30MPa时，ξs =0.2；
以弯矩控制设计嵌岩深度时，圆柱形的嵌岩最小深度h 可按下列公式计算：
h = 式中：h－桩嵌入基岩中（不计强风化和全风化层）的有效深度（m），不应小于0.5m；
M H －在基岩顶面处的弯矩（kN·m）；
f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa），黏土质岩取天然湿度单轴
抗压强度标准值；
β－系数，β=0.5～1.0,根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值；
d－桩身直径；
b－垂直于弯矩作用平面桩的边长（m）；
（2）摩擦桩的桩长计算公式
摩擦桩长的确定主要根据钻孔灌注桩单桩轴向容许承载力公式进行计算：
1⎛n ⎞[R a ]=⎜U ∑q ik l i ⎟+A p q r 2⎝i =1⎠
q r =m 0λ[[f a 0]+k 2γ2(h −3) ]
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
u－桩身周长（m）；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
n－土层的层数；
l i －承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m），扩孔部分不计；
q ik －与l i 对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻
力试验值，当无试验条件时按07规范表5.3.3-1选用；
q r －桩端处土的承载力容许值（KPa）；
[f a 0]－桩端处土的承载力基本容许值（KPa），按07规范第3.3.3条确定；
h－桩端的埋置深度（m）对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对于无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；h的计算值不大于40m，当大于40m 时按40m 计算；
k 2－容许承载力随深度的修正系数，根据桩端处持力层土类按07规范表
3.3.4选用；
γ2－桩端以上各土层的加权平均厚度（kN/m3），若持力层在水位以下且不透水时，不论桩端以上各土层的透水性如何，一律取饱和重度；当持力层透水时则水中部分土层取浮重度；
λ－修正系数，按07规范表5.3.3-2选用；
m 0－清底系数，按07规范表5.3.3-3选用；
（3）桩基位于陡坡时桩长设计需特殊考虑的问题
广乐高速公路穿过粤北山区，地形十分复杂，很多桥梁的桩基位于陡峭的山坡上。在这种情况下，桩长的确定不仅取决于桥梁上构传给桩基的反力大小，同时也要考虑到桩基所在山体的稳定性。桩底距凌空面需保证一定的安全距离。
图1 位于陡峭山坡上的桩基
如图1所示，桩端距山坡地面线的水平距离L，必须保证一定的安全襟边。如地质勘察报告中对L 值有要求时，按地勘报告取值；如地勘报告中无要求时，对于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁，建议按如下原则执行：
对于边坡比较稳定的山坡，根据国内多条山区高速公路实践的经验，建议L 不小于30m。如L 小于
30m，就算计算桩长满足承载力要求，也必须加大桩长。
对于边坡不稳定的山坡，或岩石完整度不高，或为顺层时，L的取值需专门进行评估，以确保桥梁的安全。
四、 端承桩嵌岩深度确定的原则
端承桩嵌岩深度与桩基所承受的荷载有关。桥梁桩基荷载主要分为竖向荷载和水平荷载。竖向荷载，主要是桥梁上、下部结构自重及活载作用，采用规范公式“[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik ”进行验算。在桩端所处持力层的2i =1
岩石单轴极限抗压强度较高的情况下，竖向荷载对桩基的嵌岩深度一般不会起决定性的作用，嵌岩深度主要受水平荷载的影响。
1、端承桩持力层的选择
根据端承桩的定义，其承载力主要由桩端阻力来提供。因此，要求桩端伸入一个足够强度的持力层。部分设汁人员认为，端承桩就须嵌入新鲜、完整的基岩或者是微风化岩层上，完全忽视了岩石的强度。岩石按强度分为硬质岩、软质岩、极软岩三种。岩石类型不同，其强度就不同，其不同风化程度的产物强度也有所不同。对于一些硬质岩，即使是中风化层，其强度也可达2OMPa～60MPa，是可以满足端承桩基底强度的要求的。因此对中风化层厚度在5m 以上，甚至十几米，还要求穿过中风化层而嵌入微风化岩层上，是不合理的，势必会增加施工难度和工程造价，造成不必要的浪费。因此，在端承桩设计中，对桩端持力层的岩石强度需区别对待，不仅要考虑岩石的风化程度，更要考虑岩石的完整情况(裂隙是否发育)，岩石的强度等细节，只要可以满足桩基所需的竖向力要求，即使是中风化层、甚至是强风化层都可以作为端承桩的持力层。
2、柔性桩的嵌岩深度
当岩层以上土体较厚，桩基的弯矩值最大区段一般落在覆盖土层中，由覆盖土层承担了大部分弯矩和剪力，对基底端承桩的握裹作用就降低了很多，其受力形态为柔性桩，见图2(a)。
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5.3.9条规定，桩基内力计算主要采用“m”法计算，根据刚性桩与弹性桩的判别式，当桩的入
土深度h 满足下式条件时，将桩按刚性基础计算，反之按弹性基础计算。
h ≤2.5
α
式中：α
－土中基础的变形系数，α= b1－桩基计算宽度，对于单桩：b 1 =0.9(D+1)，D为桩径；
EI－基础的计算刚度，对于基桩按弹性地基梁计算，EI=0.67EC I C ，其中
πD 4
I c =，EC 为桩基混凝土的弹性模量，按《桥规》取值。 64
m－地基土的比例系数，与地基土的性质有关，也与桩在地面或冲刷线处的水平位移有关；
图2 弹性桩与刚性桩的弯矩图
2.5
α
支承在基岩表面即可；考虑到基岩表面可能存在斜面，应预留一定的安全度，在实际设计中嵌岩深度一般取1.0D～1.5D(D为桩基直径)。 因此，当覆盖层厚度h ≥时，在满足竖向承载力的前提下，理论上桩端
3、刚性桩的嵌岩深度
当覆盖层很薄，基岩埋深很浅或者是水中桩受冲刷影响，此时所有水平荷载全部靠嵌岩深度提供，受力模式为刚性桩，见图2(b)。
《公路桥涵地基与基础设计规范》的第5.3.5条，明确了此类桩基嵌岩深度
h 的计算公式：
h =式中：MH －基岩顶面处桩身的弯矩（KN·m）；
f rk－天然岩石的单轴极限抗压强度（KPa）；
D－基桩设计直径（m）；
β－根据岩层侧面构造，节理是否发育而定的系数；
根据以往工程的经验，此类桩基嵌岩深度一般取3.0D～5.0D，建议小桩径取大值，大桩径取小值。同时需注意，此类桩基嵌岩深度受岩石强度和完整程度影响较大，在某些特殊情况须单独计算。
4、嵌岩深度原则在广乐项目中的应用
时，将桩按刚性基础计算，反之按α
弹性基础计算。表4中是广乐项目常规的装配式桥梁桩基对应不同m 值的2.5/α值。 根据上文所述，当桩的入土深度h ≤2.5
2.5/α值计算表 表4
通过对表4所列2.5/α值进行统计分析可看出，其值大多分布在对应桩径的5～7倍左右。根据广乐项目的地勘资料，其地基土的“m”值大多在5000～10000之间。为了方便实际工程中应用，并保证一定的安全度，在通过计算满足承载力要求的前提下，对于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁，建议在广乐项目
实际应用中按如下原则设计:
桩径不大于1.5m 的桩，其2.5/α的值按6D(D为桩径)控制。当覆盖层厚度h≤6D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥6D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
桩径大于1.5m 的桩，其2.5/α的值按5.5D(D为桩径)控制。当覆盖层厚度h≤5.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥5.5D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
按以上原则确定嵌岩深度时，需注意桩长需同时满足凌空面安全距离的要求。
五、 桩基配筋原则
桩基的配筋应根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第
5.3.10条的规定进行。也即对基桩应验算桩身强度、稳定性及裂缝宽度。具体的验算方法可参照《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。对于钻（挖）孔灌注桩按照钢筋混凝土偏心受压构件的有关规定进行计算。对于桩基稳定性验算是指在计算时应计入桩身纵向曲屈的因素，并予以考虑。对于桩基裂缝宽度的验算一般情况下可不予进行，主要在构造上予以保证，仅当土或水对桩有侵蚀作用时才须进行验算。
对于较长的钻（挖）孔灌注桩，根据桩身内力的情况，可以将桩沿桩长方向分成三个区段：上段桩身弯矩较大，为钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件；中段桩身弯矩很小，为少筋混凝土或钢筋混凝土圆形截面轴心受压构件；下段桩身仅受轴力，为素混凝土圆形截面轴心受压构件。因此，严格来说不应将钻（挖）孔灌注桩的桩身全长范围内均视作钢筋混凝土偏心受压构件。
需要说明的是，这种将桩沿桩长方向分段的方式主要是根据桩身内力，并不是机械地将每根桩都分成三段。对于有些桩长较短的桩来说，它可能只有“上段”和“中段”，没有“下段”，甚至只有“上段”，没有“中段”和“下段”。
1、桩身上段的配筋率
根据桩基受力特点和构造的特点，不管是摩擦桩还是端承桩，在桩身上段应严格按照钢筋混凝土圆形偏心受压构件进行配筋。 对于桩身上段的配筋，摩擦桩和端承桩并无本质的区别。
因为桩基受力的特点是以受压为主，就算在弯矩相对较大的上段，也是小偏心受压构件，弯矩与轴力相比非常小，接近于轴心受压。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）计算配筋时，一般都是按截面最小含筋率控制。
截面最小含筋率的定义为：截面配筋按最小含筋率μmin 配置的钢筋混凝土梁
所能承受的弯矩M p （破坏弯矩），应不小于相同截面的素混凝土梁在刚开裂时所
。对于矩形截面梁的最小含筋率μmin 的计算公式为： 能承受的弯矩M （开裂弯矩）f
μmin =Ag /bh0 ≥ 0.233R f /δg
式中：Rf －混凝土的设计抗拉强度；
δg －钢筋的设计抗拉强度；
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第9.1.12条规定，“轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋百分率不应小于0.5, 当混凝土强度等级C50及以上时不应小于0.6；同时，一侧钢筋的配筋百分率不应小于0.2.当大偏心受拉构件的受压区配置按计算需要受压钢筋时，其配筋百分率不应小于0.2”。各国对μmin 的规定并不一致，一般在0.4%～1.0%之间。我
国规范取0.5%，属比较低的。
根据以上分析，桩身上段配筋率在满足按强度配筋的要求的同时，不应小于．．
0.5%。考虑到我国规范规定的最小配筋率值和各国规范相比取的是低值，且在设计中应考虑到施工误差等因素，尽量不用规范中的限值，以预留一定的安全度。
2、摩擦桩桩身中、下段的配筋率
摩擦桩一般属弹性桩，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）的规定，其桩身弯矩采用“m”法计算。
“m”法的基本假定是认为桩侧土为文克尔离散线性弹簧，不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力，桩作为弹性构件考虑。当桩受到水平外力作用后，桩土协调变形，任一深度处所产生的桩侧土水平抗力与该点水平位移成正比，且地基系数与深度成正比增长。
下面采用广乐高速公路工程中典型的桥梁桩基的数据，按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）附录P 中的相关要求，采用“桩柱墩台空间计算软件”计算桩身弯矩，并输出桩身弯矩反弯点距地面的距离L，结果如表5所示。
表5中对应的α
为土中基础的变形系数，α=πD 4
计算时取：EI=0.67×3.0×10×（KN·m2） 647b 1 =0.9(D+1)。
桩身弯矩反弯点距地面的距离L 值计算表 表5 桩径D(m)
m 值(Kpa)
3000
5000
10000
15000 1.0 1.5 L 1.6 L 1.8 L 2.0 L α α α α α
L 0.35 11.45 0.27 14.03 0.26 14.69 0.24 16.47 17.91 0.39 10.30 0.30 12.89 0.28 13.46 0.26 14.90 16.04 0.45 0.34 11.59 0.32 12.19 0.30 13.03 13.89 0.49 0.37 10.45 0.35 11.02 0.33 12.03 12.74
对表5进行统计分析，可看出L 与对应的α存在以下关系：
L≈4/α
此结论与《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）附录P 中的说明一致。
因此，对于桩身中段，在4/α（α为土中基础的变形系数）以下理论上桩身的弯矩和剪力已经等于零，可以不必进行配筋。但是，实际上4/α的理论弯矩零点并非十分肯定，由于土的比例系数m 值在不同水平力作用下将会发生变异，而桩基存在初偏心的因素（轴力的不对中）、截面重心的几何不对中因素、物理不对中以及施工中的误差不对中等因素。因此，在桩身中段的截面一般还有一定
数量的弯矩和剪力存在，在配筋设计时构造上仍必须布置一定数量的钢筋。在实际设计中一般采用上段配筋数量的50%，这样配置的钢筋数量，在含筋量上可能不能满足最小含筋率的要求，因而属于少筋混凝土结构的范畴。
桩身的下段由于弯矩值已经很小很小，采用混凝土轴心受压构件作为计算假定应属合理。因此当摩擦桩较长时，桩底部一般为素混凝土。
3、端承桩桩身中、下段的配筋率
相对于摩擦桩来说，端承桩一般较短。因此，按照前文根据桩身内力将桩长分段的方法，端承桩一般只有“上段”和“中段”，没有“下段”；个别情况下端承桩或许有“下段”，但都很短。因此，端承桩的“中段”和“下段”（如果有的话）的配筋率一般采用上段配筋数量的50%。这样配置的钢筋数量，在含筋量上可能不能满足最小含筋率的要求，因而属于少筋混凝土结构的范畴。
4、桩身分段配筋的原则
根据前文所述，桩身的分段，其实就代表桩基钢筋配筋率的分段，也就是决定全筋段、半筋段及素混凝土段（相对摩擦桩来说）各多长的问题。
（1）全筋段长度的确定
根据“m”法的计算结果，4/α（α为土中基础的变形系数）是桩身弯矩的零点，理论上弯矩零点以下的桩身弯矩与剪力可认为等于零，可不再配置钢筋。因此建议全筋段长度L1采用：
L1 = 4/α -------------公式3
式中：α
－土中基础的变形系数，α= b1－桩基计算宽度，对于单桩：b 1 =0.9(D+1)，D为桩径；
EI－基础的计算刚度，对于基桩按弹性地基梁计算，EI=0.67EC I C ，其中
πD 4
I c =，EC 为桩基混凝土的弹性模量，按《桥规》取值。 64
m－地基土的比例系数，与地基土的性质有关，也与桩在地面或冲刷线处
的水平位移有关；
按公式3确定的全筋段长度应属比较安全的，就算实际的弯矩零点距地面线或冲刷线的距离比4/α大，也没有必要将L1值加大。因为至4/α处仅截断主筋的50％，还有50％的主筋是通过4/α处截面而继续向下延伸的。
（2）半筋段长度的确定
单桩水平承载力较常用的计算方法有“m”法、“C”法以及“K”法等。前两种方法是公路桥涵地基与基础设计规范采用或明确推荐采用的方法。这些方法的不同之处主要在与地基系数随深度变化的不同形式，因而计算出的桩的内力值以及分布形式也就各异。用这些计算值与实测值比较，“K”法与“m”法的最大弯矩计算值比实测值大，其位置比实测的低，“C”法的计算值与实测值较为接近。从试桩实测弯矩分布图形来看，实测的最大弯矩值较小，而曲线收敛较慢，影响深度最大。“K”法计算弯矩值最大，但收敛最快，所以第一弯矩零点位置最高（离地面或最大冲刷线最近），“m”法次之，“C”法的收敛点约在5/α处，较“m”法深，比实测值小。因此，各计算方法的弯矩零点位置都比实测值高，这说明理论上的弯矩零点并不是实际的弯矩零点，例如“m”法中的弯矩零点在4/α处，理论上认为在该点以下可以不配置钢筋。但实事上，桩身在4/α深度以下仍存在有弯矩。这就需要在4/α深度以下一定距离内布置一些钢筋。就“K”法来说，它的弯矩影响深度较大，可达5.989/α以上。另外，建筑地基基础设计规范规定“桩径大于600mm 的钻孔（灌注桩）构造钢筋的长度不宜小于桩长的2/3”。由于目前公路桥梁在桩的试验中，着重于桩的垂直承载力而很少甚至没有对桩的水平承载力进行测试。故在现有的基础上，为了安全起见，建议半筋段长度L2采用：
L2 ≥ 6/α-L1= 2/α -------------公式4
式中：α
－土中基础的变形系数，α= L1－全筋段长度，L1=4/α；
（3）摩擦桩素混凝土段长度的确定
根据前文所述，端承桩的配筋建议采用：全长都设“全筋”（针对较短的需嵌入基岩的端承桩）或分两段按“全筋”加“半筋”（针对较长的支承在基岩表
面的端承桩）两种方式配置。但对于摩擦桩来说，因桩基总长较长，其“下段”一般为素混凝土段。
有关的调查资料显示，目前国内桩基设计中，素混凝土段长度的设置比较随意。那么素混凝土段到底设置多长为好呢？在现行规范中找不到明确的规定。下面对素混凝土段合理长度进行探讨。
考虑到钻孔时可能出现倾斜，公路桥涵施工技术规范要求成孔倾斜度小于1％。如取最不利成孔的倾斜度为1％，成桩后在桩底允许承载力[P]的作用下，以控制素混凝土段不出现拉应力为条件，并略去素混凝土段桩周土介质作用的有利因素后可以得到： δ1=[P ]0.01[P ]L 30 -------------公式5 −A C W C
式中：L3－素混凝土段长度；
[P] －桩底容许承载力；
πD 2πD 3
AC = （D为桩基设计直径），WC = ； 432
δ1－桩身由于[P]作用在素混凝土与配筋混凝土交界截面上所引起的拉
应力。
现令δ1=0，即可得到：
L3 ≤ 12.5D
由于素混凝土作为偏心受压构件受力时，其桩侧的土抗力肯定要起有利的作用；另外在实际桩基工程中尚未见有因桩尖素混凝土段被折断而造成工程事故的实例，即使在唐山等处的大地震中，也未见有此类报导。因而建议素混凝土段长度计算的安全系数取1.5，素混凝土段长度L3可采用下式计算： L3 ≤ 12.5D ≈8D -------------公式6 1.5
式中：D－基桩设计直径（m）；
按公式6计算出的素混凝土段长度，应属比较安全的。但在素混凝土段也应该设置３～５根通长的竖向主筋，以方便施工过程中确认桩长，以及固定桩基检测管的需要。
5、配筋原则在广乐项目中的应用
规范中地基土的比例系数m 的值是以桩在地面处最大水平位移不大于6mm 的条件下取得的，其值从淤泥层到密实卵石夹粗砂层的变化为：从3000～5000KN/m4到80000～120000 KN/m4。
考虑到实际工程的某些情况，如一联桥的长度较大时桥台基桩，或承受弯矩和水平力较大的基桩，其桩在地面或冲刷线处的最大水平位移可能超过6mm，这时m 值就要降低。
因此，为安全起见，建议在计算桩基配筋长度时，可近似按最小的m=3000KN/m4来计算α值，使α值最小。这样算得的4/α、2/α值就相对较大，即桩身的全筋段长L1、半筋段长L2就较大。
基桩按这样的考虑配置钢筋，即使存在桩的偏心等不利因素，对于基桩的受力安全应该是有保证的。
根据广乐高速公路的典型桥梁桩基及地质情况，按不同m 值和不同桩径（D）分别计算α值如表6所示。
α值计算表 表6
7πD 4注：表中计算时取EI=0.67×3.0×10×（KN·m2）； 64
b 1 =0.9(D+1)。
对应的4/α值如表7所示。
4/α值计算表 表7
通过对表7所列4/α值进行统计分析可看出，其值大多分布在对应桩径的10倍左右。为了方便实际工程中应用，并保证一定的安全度，建议4/α的值取10D(D为桩径)，即全筋段长度取10D，对应的半筋段长度取5D。
考虑到广乐项目的地质情况，其覆盖层厚度均不是特别厚，桩长很少有超过50m 的；因此建议在广乐项目中，摩擦桩也不设素混凝土段，下段也采用半筋。
六、 岩溶路段桥梁桩基设计原则
岩溶地貌是因具有溶蚀力的水对可溶性岩石产生溶蚀等作用而形成的地表和地下形态的总称，又称喀斯特地貌。岩溶问题是岩溶地区工程建设的突出问题。中国岩溶地貌分布广、面积大，广乐高速公路所在区域就有很长的路段属于岩溶地貌。
1、岩溶桩基设计现状调查
目前，国内岩溶地基设计施工常用的桩基类型包括灌注桩、钻孔桩、预应力管桩、群桩、夯扩桩、复合地基及其他形式，各种桩基适用地质条件不一样。 可根据不同的地质条件分别运用不同的桩基。例如钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩适用于多数地下岩溶多层溶洞发育、洞穴小、上部洞穴顶板薄的地质情况；地下有孤石夹层分布，且岩溶表面不平的情况可用钻孔桩；地下有淤泥、土洞、流砂，地下溶洞连通暗河等情况可使用预应力管桩；在极其复杂的岩面条件下，只要桩端体的压力泡能有效覆盖坚硬的基岩面下卧层即可使用群桩；夯扩桩的特点是避软就硬，可有效充填处理土洞而不会危及地面安全；复合地基用于建筑荷载较小、土层较厚、土洞较多和岩面起伏大的情况，可避免直接应用天然地基时的沉降量大和承载力小的问题；其他如用削散荷载法来减轻桩基承受的压力，为增大桩端接触面，采用扩底桩来分散应力等等。桩基设计中，常常视地质条件的变化选用有效的桩基础。
虽然桩基设计施工方法已经形成了规范，但仍然存在一些不合理之处，对桩基的工作特性研究需要进行试验探索。我国对岩溶地区桩基的力学详细工作特性研究仍处于探索阶段，例如岳强进行了非均匀地基中单桩和群桩的线性及非线性分析，王哲进行了大直径灌注筒桩承载性状研究，胡学元进行了嵌岩桩承载力的计算与探讨；许多桩基力学特性需要进行实验研究，王革立针对岩溶地基嵌岩桩桩基特性进行了试验与分析研究，为桩基设计研究和实践提供了可靠参数和情景模拟。
2、广乐项目桥梁桩基溶洞处治原则
广乐高速公路沿线桥梁桩基础均采用钻孔灌注桩或人工挖孔灌注桩。
广乐项目桥梁桩基溶洞处治主要采用充填封闭法、钢护筒施工法以及预应力管桩法等进行处理。
对于桥梁桩基经过岩溶区域，首先需要仔细分析地质钻探资料，根据溶洞高度、宽度对溶洞进行分类，不同类型的溶洞，桩基施工时采取不同的方法。
（1）充填封闭法
对于规模较小的溶洞，采用充填封闭法填充溶洞，充填物根据地质钻孔揭示的溶洞情况确定。填充后按正常施工方法施工钻孔灌注桩。
（2）钢护筒施工法
对于规模较大的溶洞一般采用钢护筒施工法，其中又分单层钢护筒施工法和多层钢护筒施工法。单层钢护筒施工法具体步骤如下：
①先预埋开孔护筒，准备优质水泥浆、编织袋填装的粘土包和片石。 ②冲进钻孔，在溶洞内冲进时，抛填粘土袋和片石。
③下放钢护筒至岩面，继续冲进，如溶洞漏浆，则继续抛填粘土袋和片石，并将钢护筒继续跟进至岩面。
④安放内护筒。
⑤施工封底混凝土。
⑥在钢护筒和内护筒之间分段注浆，最后终孔。
当溶洞特别大时，需采用多层钢护筒施工法。多层钢护筒施工法具体方法步骤与单层钢护筒施工法相同，由于溶洞高度大，要分多段通过溶洞区，所以预埋钢护筒、钢护筒、内护筒需采用多层，外径比下一层钢护筒大。
（3）预应力管桩法
预应力管桩法是利用群桩基础代替原有桩基的一种施工方法。一般适用于覆盖层较厚，桩基为摩擦桩的情况。预应力管桩桩长比原设计桩长短，桩底可以不通过溶洞，或者通过溶洞，但溶洞下方岩层风化破碎严重，容易通过，靠桩侧土摩阻力来抵抗桩顶垂直力。
（4）施工时如果实际溶洞分布与设计时采用的地质资料溶洞描述不符，应及时上将实际地质情况报业主及设计单位，对桩长进行调整。
广乐高速速公路桩基设设计优化专题题研究
3、串珠岩岩溶路段桥桥梁桩基基设计原原则
串珠岩溶溶路段的桥梁梁桩基有一一定的特殊性性。有时桩基基已按上述述的处理原则则穿过上上层的溶洞，且嵌岩深深度已满足受受力要求，但在桩端的
的底下一定
定范围内还有有溶洞存存在。如果要求桩穿过过底下所有的溶洞，则则桩将非常长长，很不经经济；如桩不不穿过下下层溶洞，为保证基桩为桩的安全，则要求桩底则底到下层溶洞洞之间的顶顶板厚度必须须满足一一定要求。若顶板厚度度过小，则在在上部荷载载长期作用下下，易造成成顶板破坏，，从而使使桥梁产生生过大沉降或或不均匀沉沉降，甚至发发生倒塌。 溶岩地区桩基设计中中，常采用溶溶洞顶板安安全厚度是5倍桩径，这厚度略显显保守。在工程实践践中，常因顶顶板厚度不不能达到这一一要求而被被迫增加桩长长、打穿溶洞洞，不仅仅增加了施施工难度，而而且增加了工程造价。
确定岩溶溶地区桩基持持力岩层的的安全厚度，一般采用的计算模型型(见图3)是是将
图3 串珠岩溶路路段的桩基基
持力力层视为一一刚性底板，其上作用垂垂直荷载，按钢筋混凝凝土板受冲冲切构件公式式计算所所需持力层层顶板厚度。根据《公公路钢筋混凝凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规规范》第5.6.15条的规定：
公式7 γ0F ld ≤(0.7βh f td +0.15σpc , m
) U m h 0 -------------公
式中中：F ld －最最大集中反力力设计值，此处为桩底底处竖向力力设计值；
βh －截截面高度影响
响系数；
持力层岩石的抗拉强度
度设计值； f td －持
σpc , m －设有预应力钢筋的板的截面上，由预加力引起的混凝土有效平均
压应力，此处为零；
U m －距集中反力作用面h/2处破坏锥体截面面积的周长，当传递冲切力的构件为圆形截面时，可将其换算为边长等于0.8倍直径的方形截面再取U m ； d －桩基设计直径；
h －顶板的有效厚度；
γ0－结构重要性系数，此处取1.0；
根据广乐高速公路沿线的地质情况，偏安全取f td =0.8MPa，应力扩散角α=45°，截面高度影响系数βh 偏安全取0.85。
在计算桩底处竖向力设计值时，偏安全不计持力层灰岩以上覆盖层的侧阻力，桩底处灰岩的极限抗压强度按30MPa 计，则桩底竖向力设计值
F ld =30×πd2/4 (MN)
将以上参数代入公式7,求解可得
H ≥ 2.8d
考虑到溶洞顶板可能存在倾斜的情况，对于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁，建议桩底距下伏溶洞顶之间的顶板厚度不小于3d 。
七、 本次桩基专题研究的主要结论
本次桩基专题研究通过理论分析及广泛调研，得出的主要结论如下（适用于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁）：
（1）当覆盖层较厚，按摩擦桩验算桩端不伸入基岩即可满足承载力要求时，应按摩擦桩设计；但如按摩擦桩设计仅比按端承桩设计的桩长减短在5m 以内时，建议按端承桩设计。 （2）当端承桩的入土深度h ≤2.5
α(α为土中基础的变形系数)时，按刚性桩
设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（D为桩基直径），建议小桩径取大值，大桩径取小值；反之按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
针对广乐项目的具体情况，在桩基承载力满足规范要求的前提下，为方便实际设计中应用，建议:
桩径不大于1.5m 的端承桩，当覆盖层厚度h≤6D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥6D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
桩径大于1.5m 的端承桩，当覆盖层厚度h≤5.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥5.5D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
（3）桩身上段配筋率应不小于0.5％，刚性端承桩按全筋通长设置；柔性端承桩分全筋段及半筋段，不设素砼段；摩擦桩分全筋段、半筋段及素砼段。
针对广乐项目的具体情况，为确保结构安全，建议:
刚性端承桩按全筋通长设置；柔性端承桩及摩擦桩分全筋段及半筋段，不设素砼段。
（4）分段配筋的桩基，其全筋段长度建议为4/α(α为土中基础的变形系数)，半筋段长度建议不小于2/α，素砼段长度建议不大于8D(D为桩基直径)。
针对广乐项目的具体情况，为方便实际设计中应用及确保结构安全，建议: 分段配筋的桩基，其全筋段长度取10D，全筋段以下半筋到底。
（5）串珠岩溶路段的桥梁桩基,桩底距下伏溶洞顶之间的顶板厚度不小于3d (d为桩基直径)。
八、 专题研究成果的应用与展望
本次桩基优化设计专题研究结合广乐高速公路的工程实践，对当前公路桥梁桩基设计中过于保守的问题进行了探讨。通过理论分析和广泛调研，对广乐高速公路桥梁桩基优化设计提供了理论依据，并提出了既经济、可操作性又强的桩长确定原则、端承桩嵌岩深度确定原则、桩基配筋原则以及岩溶路段桥梁桩基设计原则。在实际设计中应用这些原则，将可大大降低桩基工程造价，缩短工期，取得良好的经济效益与社会效益。
本次专题研究受时间及经费的限制，主要基于理论分析，相关数据主要取材于广乐高速公路工程的勘察设计资料。下阶段如有条件，可结合工程实践进行相关的试桩试验，对理论分析成果进行验证。
为了方便在实际设计中应用，本次专题研究成果均总结出了可操作性强、简明扼要的设计原则。为了方便实际应用，使设计原则适用于普遍的情况，必然会牺牲一定的经济性。下阶段如有条件，可根据本次专题研究的成果，开发“桩基设计成套技术”软件。设计人员只要输入桩顶反力、桩径、地质参数后，软件自动判定是采用端承桩还是摩擦桩，计算桩长、配筋等，最后自动生成桩基钢筋设计图。
这样相对于传统桩基设计有以下优势：
（1）每根桩均精确计算，比按经验公式计算桩长及配筋更经济；
（2）设计成果标准化，便于业主控制桩基设计的经济指标和安全度；
（3）桩基设计自动化，提高设计质量；
（4）提高桩基设计效率，节省工期。
目 录
一、 桩基设计优化研究的背景.............................................................................. 1
1、桩基础的历史及发展趋势 .............................................................................. 1
2、桩基础在广乐高速公路工程中的应用 .......................................................... 3
二、 桩基设计的现状调查...................................................................................... 5
1、桩基础的分类 .................................................................................................. 5
2、桩基竖向力产生的原因及机理 ...................................................................... 8
3、新老规范端承桩桩长计算的差异 .................................................................. 9
4、当前公路桥梁桩基设计中存在的问题 ........................................................ 13
三、 桩长确定的原则............................................................................................ 14
1、桩基础类型的选择 ........................................................................................ 14
2、桩长计算 ........................................................................................................ 15
四、 端承桩嵌岩深度确定的原则........................................................................ 19
1、端承桩持力层的选择 .................................................................................... 19
2、柔性桩的嵌岩深度 ........................................................................................ 19
3、刚性桩的嵌岩深度 ........................................................................................ 20
4、嵌岩深度原则在广乐项目中的应用 ............................................................ 21
五、 桩基配筋原则................................................................................................ 23
1、桩身上段的配筋率 ........................................................................................ 23
2、摩擦桩桩身中、下段的配筋率 .................................................................... 24
3、端承桩桩身中、下段的配筋率 .................................................................... 26
4、桩身分段配筋的原则 .................................................................................... 26
5、配筋原则在广乐项目中的应用 .................................................................... 29
六、 岩溶路段桥梁桩基设计原则........................................................................ 31
1、岩溶桩基设计现状调查 ................................................................................ 31
2、广乐项目桥梁桩基溶洞处治原则 ................................................................ 32
3、串珠岩溶路段桥梁桩基设计原则 ................................................................ 33
七、
八、
本次桩基专题研究的主要结论.................................................................... 35 专题研究成果的应用与展望........................................................................ 36
一、 桩基设计优化研究的背景
桩基础是一种历史悠久而应用广泛的深基础形式。如设计正确、施工得当，桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降量小的特点；在深基础中具有耗用材料少、施工简便等特点。近代随着工业技术和工程建设的发展，桩的类型和成桩工艺、桩的设计理论和设计方法、桩的承载力与桩体结构的检测技术等诸方面均有迅速的发展，使桩基础的应用更为广泛，更具有生命力。
1、桩基础的历史及发展趋势
我国最早的桩基距今已有七千多年，据历史文物遗址的挖掘显示，我国历史上最早的桩是在浙江省宁波市余姚的河姆渡，作为古代干阑式木结构建筑的基础是由圆木桩、方木桩和板桩这三种木桩组成的桩基础。圆木桩直径一般在6cm～8cm 之间，板桩厚2cm～4cm，宽1Ocm～50cm，木桩均系下部削尖，人土深度最深达115cm。这是最早的桩的雏形，在世界上也属罕见。
桩基的使用经历了漫长的历史年代，但在水泥未问世以前，实际上能利用的桩型只是由天然材料做成的桩体如木桩和石桩。特别是木桩，迄今仍在个别地区使用着。19世纪中叶以后，由于水泥工业的出现和发展，钢筋混凝土在建筑工程中开始应用，于是出现了混凝土桩和钢筋混凝土桩。但在初期阶段，由于所采用的混凝土强度和钢筋强度都较低，钢筋混凝土的计算理论也尚未建立，钢筋混凝土桩，无论从桩型或桩基施工技术来看，都还是比较“低档”的。在2O 世纪2O 年代特别是第二次世界大战以后，桩基理论和技术才有了更大的发展，桩的应用范围也在不断扩大，出现了形形色色的、花样繁多的桩型，如预应力钢筋混凝土桩、高强度钢筋混凝土桩以及钢桩等。桩基从古老的简陋的形式发展成为现代桩基的各种不同体系过程中，桩的形式规格和工作机理都有了质的变化。 桩基技术在历史发展过程中，有五点情况是不容忽视，应特别指出：
（1) 桩基技术的发展受工业化的影响巨大，例如水泥工业的问世，现代钢铁工业的高速发展以及化学工业的崛起，都使桩基技术及其应用形成了一个独特的时期或阶段。
（2) 由于桩型及施工工艺不断推陈出新、千变万化，量变的结果导致了质变，无论是在桩基的有关理论概念还是桩的效用上都产生了许多实质性的变化，桩的应用及成桩工艺比过去更为多样化和复杂化。特别是在桩基设计和施工领域中提出了许多崭新的甚至是离经叛道的概念。
（3) 随着桩基技术的改良和发展，桩已不只是单独地被应用，在许多情况下，它与其他的基础形式或工艺联合应用，例如化学灌浆排桩联合护壁等，以适应上部构造的超重荷载深基坑开挖的需要。此外桩的发展趋势表明，桩身的超高强度、大桩径、超长、无公害成桩工艺以及完美的施工控制技术等已成为未来桩基改良和发展的重要内容。
（4) 桩基设计及施工规范化已受到工程界的高度重视，有关各种桩系的规范正在陆续制订和推出，规范的巨大作用和重要的工程意义已在现代的桩基实践中获得了充分的证明。
（5) 桩基的施工监测和检测应工程的需要已形成一套相当丰富有效的技术。动测方法经过十多年的科研与实践，认识逐步深化，低应变反射波法检验桩身完整性，高应变波动理论法检测承载力已成主流。
正是因为有了以上五个情况的出现、发展与创新，桩基技术在进人现代化阶段以后获得了迅速的发展。但同时也应该清醒地认识到，就桩基工程现状来看，它也存在并面临着两个方面的挑战：
（1) 由于竞争机制的引人，业主对桩基工程的造价、工程进度和工程质量的要求越来越高，使得桩基技术越来越重要，而对它的要求也就近乎苛求的程度。众所周知，事实上不可能有一种万能的桩型，不同的结构和地质条件要求用不同的桩型，而同一工程也有可能有几种桩型可以采用，谁的承载力大、工期短、造价低，谁就能在竞争中占据主动地位。
（2) 随着经济的发展和时代的进步，工程的规模和难度越来越大，对减小环境不良效应的要求越来越高，而且大多数地质条件恶劣。桩基设计人员往往可能面对这样一种情况：现有的各种桩型似乎没有一种适合当前的情况，所以或者放弃采用桩基，或者推陈出新，提出新奇的设想并战胜自己最初的抗拒心理而勇敢付之实施。在许多情况下，实施一个正确的桩基设计往往遇到的困难不少。首先是设备条件的限制，我国的桩工机械行业基础差，发展时间较短。桩工机械在
产品品种、规格、产量、质量及服务方面都未能充分满足桩基施工的广泛要求。“巧妇难为无米之炊”，如何解决产需矛盾是桩基技术发展面临的挑战。第二个方面，要加速桩工机械机、电、液一体化的进程，以改善和克服操作落后、准确度低、劳动强度大、施工过程显示记录控制落后、施工效率不高、施工过程安全保护装置落后、易发生安全事故等缺点。
桩基技术从古老的初期阶段发展到现代化阶段经历了漫长的过程，取得了今天的高速发展。但在发展的同时也面临着严峻的问题与挑战，因此必须要正视问题迎接挑战。
2、桩基础在广乐高速公路工程中的应用
高速公路是交通现代化的重要标志，也是国家现代化的重要标志。改革开放30多年来，我国高速公路建设经历了从无到有、从起步建设到初步拥有高速公路网络的巨大变化，实现了跨越式发展。
广乐高速公路是京港澳高速公路粤境段的复线，走向大致与京港澳高速公路平行，建成之后将成为继京港澳高速公路之后又一条连接湖南以及中部省市通往珠江三角洲的大动脉。广乐高速公路的建设将有效缓解京港澳高速公路粤境段的交通压力，大幅提升区域高速公路的整体服务水平和粤北地区公路交通抵御自然灾害的能力，同时对加快武广客运专线和京广铁路的客货集散有重大意义。
京港澳高速公路以其地缘优势和区位优势，成为习惯性的南北向交通主通道，随着近年广东经济的快速发展，通车以来南下北上车流量也急速增加，2007年1月26日一天韶关段的总车流量达7.5万辆，是有史以来最拥挤的一天，使其通行能力远远不能满足设计要求，已趋于饱和状态，无法满足省际交通快速增长的需求，严重制约了京港澳高速公路沟通南北、连通粤港澳的功能。同时由于京港澳高速公路部分路段存在先天性缺陷，其抗气象灾害能力十分脆弱，特别是在雨、雪（冰）、雾天气下，存在较大的交通安全问题，尤其是在2008年1月下旬，冰雪造成郴州至韶关段完全瘫痪，造成了严重的经济损失和不良的社会影响。
为缓解京港澳高速公路（京珠高速公路）粤境段的交通压力，彻底解决京港澳高速公路粤北段通行不畅、通行能力不足、交通事故较为频繁的问题，2007年6月，广东省交通厅主持召开并审查通过了《京珠高速公路（粤境段）复线及
相关路段路线规划报告》；广东省政府已同意将乐昌至广州高速公路纳入广东省高速公路网规划，并在“十一五”跨“十二五”由广东省组织实施。
乐昌至广州高速公路是京港澳高速公路粤境段的复线，走向大致与京港澳高速公路平行，建成之后将成为继京港澳高速公路之后又一条连接湖南以及中部省市通往珠江三角洲的大动脉。乐广高速公路A1合同段和现有的京港澳高速公路粤境北段，都是以过境交通为主，并承担大比例的载重交通。
本项目的建设，将进一步加强粤北地区与珠三角地区的经济联系，不仅是完善广东省南北高速公路网的需要，同时对缓解京港澳高速公路粤北段的交通压力，加快武广客运专线和京广铁路人货集散有重大意义，并能大幅度提升南北大通道的抵抗自然灾害的能力。
广乐高速公路位于粤北山区，并穿越南岭山脉大瑶山西翼，沿线自然环境恶劣，地形、地质情况独特，桥隧集中。以坪石至桂头段为例，初步设计主线推荐方案路线全长73.331km（以右线计），桥梁全长16691.68 m /59座，桥长占路线总长达22.8%。
广乐高速公路沿线覆盖层普遍较厚，桥梁基础大多采用桩基础。桩基础工程量非常大，是本项目工程规模及工期的控制性因素之一。因此，优化桩基设计，能大大降低本项目的投资规模，缩短工期，取得良好的社会效益和经济效益。
二、 桩基设计的现状调查
当前我国公路桥梁桩基础的设计一般依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007，以下简称07规范）进行。本规范于2007年9月29日发布，于2007年12月1日开始实施。在此之前，我国公路桥梁桩基础的设计一般依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024-85，以下简称85规范）进行。
1、桩基础的分类
在《公路桥涵地基与基础设计规范》（07规范和85规范）中，将桩基按承载性状分为两类:摩擦桩和端承桩。
当桩基础穿过土层，桩端支承在坚硬土层或岩层上，上部荷载主要靠桩端处硬土层或岩层提供的反力来支承，桩侧摩阻力很小，可忽略不计，这种桩称为端承桩。当土层很厚。桩端达不到硬土层或岩层上，桩的荷载主要靠桩身与周围土层之间的摩擦力来承担，桩端处土层或岩层反力很小，这种桩称为摩擦桩。实际的桩通常是介于上述两种情况之间，桩基竖向力由摩擦力和桩端力共同提供，只是两个力所占的比例不同。
当采用端承桩时，如覆盖层（指地面或河床底或最大冲刷线至岩面的层厚）较薄，或桩的横向荷载或弯矩较大时，应将桩底嵌入基岩中一定深度，以增加桩基的稳定性和承载能力，这种端承桩又称为嵌岩桩。为保证嵌岩桩在横向荷载作用下的稳定性，需嵌入基岩的深度与桩嵌固处的内力及桩固岩石强度有关，应分别考虑轴向力和弯矩的要求，由两者最不利者控制设计深度。
（1）以轴向力控制嵌岩深度，则按端承桩的单桩承载力公式计算：
[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik 2i =1
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
C 1 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
，黏土质岩取天然湿度单轴f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa）
抗压强度标准值，当f rk 小于2MPa 时按摩擦桩计算；
C 2i －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i 层侧阻发挥系数，
按表3采用；
u－各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；
h i －桩嵌入各岩层部分厚度（m），不包括强风化层和全风化层；
m－岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；
l i －各土层的厚度（m）；
q ik －桩侧第i 层土的侧阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻力试验值，当
无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按07规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按07规范表5.3.3-4选用；
n－土层的层数，强风化层和全风化层按土层考虑；
ξs －覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端f rk 确定。当2MPa≤frk
时，ξs =0.8；当15MPa≤frk 30MPa时，ξs =0.2；
（2）以弯矩控制设计嵌岩深度时，圆柱形的嵌岩最小深度h 可按下列公式
计算：
h = 式中：h－桩嵌入基岩中（不计强风化和全风化层）的有效深度（m），不应小于0.5m；
M H －在基岩顶面处的弯矩（kN·m）；
，黏土质岩取天然湿度单轴f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa）
抗压强度标准值；
β－系数，β=0.5～1.0,根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值；
d－桩身直径；
b－垂直于弯矩作用平面桩的边长（m）；
（3）摩擦桩桩长计算
摩擦桩的桩长不宜太短，因为桩长过短则达不到把荷载传递到深层和减小基础下沉量的目的；并且桩长过短必然增加桩数，导致承台尺寸扩大，这往往是不
够经济合理的。
摩擦桩桩长的确定主要根据钻孔灌注桩单桩轴向容许承载力公式进行计算：
1⎛n ⎞ [R a ]=⎜u ∑q ik l i ⎟+A p q r 2⎝i =1⎠
q r =m 0λ[[f a 0]+k 2γ2(h −3) ]
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
u－桩身周长（m）；
，对于扩底桩，取扩底截面面积； A p －桩端截面面积（m）
n－土层的层数；
l i －承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m），扩孔部分不计；
q ik －与l i 对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻
力试验值，当无试验条件时按07规范表5.3.3-1选用；
q r －桩端处土的承载力容许值（KPa）； 2
[f a 0]－桩端处土的承载力基本容许值（KPa），按07规范第3.3.3条确定； h－桩端的埋置深度（m）对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对于无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；h的计算值不大于40m，当大于40m 时按40m 计算；
k 2－容许承载力随深度的修正系数，根据桩端处持力层土类按07规范表
3.3.4选用；
γ2－桩端以上各土层的加权平均厚度（kN/m3），若持力层在水位以下且不透水时，不论桩端以上各土层的透水性如何，一律取饱和重度；当持力层透水时则水中部分土层取浮重度；
λ－修正系数，按07规范表5.3.3-2选用；
m 0－清底系数，按07规范表5.3.3-3选用；
2、桩基竖向力产生的原因及机理
桩与土之间的位移是桩基承载力发挥的必要条件。桩基在自重及上部荷载的作用下，桩基产生向下的位移，土体受剪时产生摩阻力，摩阻力随剪应变的增加而不断增大，当摩阻力达到最大值时，继续增加剪应变，摩阻力不再增加，之后增加的荷载将由桩端力提供，这就是一般桩基的受力特征。
摩阻力的发挥程度与桩土相对位移有关，通常将它们之间的关系称作传递函数。传递函数曲线的形状比较复杂，它与土层性质、埋深、施工工艺和桩径大小有关，根据土性不同，曲线形式大致有如下三种，即加工硬化型（非密实砂、粉土、粉质粘土等），加工软化型（密实砂、粉土、高结构性黄土、高灵敏度软土），理想塑性型。
传递函数的主要特征参数为极限摩阻力和极限位移。试验表明：发挥极限侧阻位移，主要与土类土性有关。对钻孔灌注桩，还与桩径大小、施工工艺有关。桩底阻力的充分发挥需要有较大的位移值，在粘性土中约为桩底直径的25%，在砂性土中约为8%～10%，对于钻孔桩，由于孔底虚土、沉渣压缩的影响，发挥端阻极限值所需位移更大。而桩侧摩阻力只要桩土间有不太大的相对位移就能得到充分的发挥，具体数量目前认识尚不能有一致意见，但一般认为粘性土为4～6mm，砂性土为6～10mm。对大直径的钻孔灌注桩，如果孔壁呈凹凸形，发挥侧摩阻力需要的极限位移较大，可达20mm 以上，甚至40mm，约为桩径的2.2%，如果孔壁平直光滑，发挥侧摩阻力需要的极限位移值较小，小至只有3～4mm。
桩与土之间的位移主要由桩身的压缩变形、桩底的沉降变形和桩基周围土体的沉降变形三部分组成。一般来讲，桩底的沉降变形、桩基周围土体的沉降变形所占比例较大，桩身自身压缩变形很小。以上构为20m 空心板，桩长25m、桩径
1.2m 的桩基为例进行计算，其桩身压缩变形量约为2mm，可见其所占比例甚小。桩底的沉降变形主要与目前国内的施工方法有关。国内最常采用的钻孔桩，由于清孔不彻底，一般都会残留5cm～20cm厚的沉渣，形成软弱层，在桩基自重、墩柱及上部荷载作用下，软弱层不断受压变形，桩基产生下沉，其累计变形可达(0.1～0.2)D，D为桩基直径。特殊情况采用的人工挖孔桩，桩底清孔彻底，桩基沉降量就大为减小。
3、新老规范端承桩桩长计算的差异
在端承桩的设计中，设计人员往往忽视桩周覆盖土层的作用，不管基岩(未风化层)埋置深度，而过分保守地使桩尖伸入基岩的深度等于或数倍于桩径，仅有效桩长(地面或局部冲刷线以下的桩长)就达20m 以上，这在很大程度上造成材料的浪费，增加了桥梁工程的造价。
此种情况的出现与1985年交通部公路规划设计院制定的《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)第4.3.4条嵌岩桩单桩轴向容许承载力计算式及其有关基岩的定义直接相关。85规范对嵌岩桩垂直承载力的计算，有很多值得探讨的地方。
由嵌岩桩的试桩实验得知，嵌岩桩的实际垂直极限承载力P 往往远大于85规范中的计算值。《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)的颁布和实施，完善、修订了桩基础设计的有关规定，其中包括对嵌岩桩的单桩轴向受压容许承载力公式的修正。
下面就新、老基础规范计算公式的不同之处进行探讨。
1）85规范对端承桩计算的规定
按85规范的规定，支承在基岩上或嵌入基岩内的单桩，其轴向受压容许承载力取决于桩底处岩石的强度和嵌入基岩的深度，可按下式计算：
[P ]=(c 1A +c 2Uh ) R a -------------公式1
式中：Ra－天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（KPa），试件直径为7cm～10cm，试件高度与试件直径相等；
h－桩嵌入基岩深度（m），不包括风华层；
U－桩嵌入基岩部分的横截面周长(m)，按设计直径计算；
A－桩底截面面积（m2）；
C 1 、C2 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的系数，按表1采用。
系数C 1 、C 2值 表1 条件
良好
一般
较差 C 1 0.6 0.5 0.4 C 2 0.05 0.04 0.03
注：①当h≤0.5m时，C 1采用表列数值的0.75倍，C 2=0；
②对于钻孔桩，C 1 、C2取表值的0.8倍。
2）85规范计算公式值得思考的问题
85规范计算公式中有三个值得商榷的地方，导致了桩长计算结果偏保守。
（1）公式1中未考虑新鲜基岩以上覆盖层的侧阻力
显然，这对于埋置较深的桩基不经济。在清孔绝对干净、桩底处于理想支撑状态、桩底岩石完整且强度很高时，桩的竖向位移很微小，公式1合理、适用。但近年来大量的实践资料表明，当桩的长径比L／d>15～20的泥浆护壁钻（挖）孔嵌岩桩时，无论是嵌入风化岩还是完整的基岩，其荷载传递都具有摩擦桩的特征，即桩侧阻力先于桩端阻力发挥出来，桩端分担的荷载不大，属于摩擦桩。一般情况下，其桩侧阻力分担的荷载超过60％；当长径比L／d>35时，在覆盖层不太软弱的情况下，其桩侧阻力分担的荷载将超过95％，端阻力分担的荷载不足5％，几乎可以忽略不计。这是由于对嵌岩桩而言，一方面，即使桩身不下滑，其桩顶的弹性压缩变形是必然存在的，即使桩尖沉降△h=0，桩身有弹性压缩△，桩顶沉降△0=△。弹性压缩量△引发了桩周土体的剪应力τ，即土对桩的摩阻力。剪应力与剪切变形成正比，表层剪应力τ，底层剪应力τ=0，呈三角形分布。当桩顶荷载P 增大时，△逐渐增大，表层剪应力τ达到极限值[τ]，此时荷载仍由桩侧摩阻力承担。如果荷载继续增大，则荷载增大部分全部由桩尖岩体的支承力承担，直至达到桩尖土层的极限承载力[P]，此时，桩侧摩阻力和桩尖支承力均达到极限状态。
另一方面，钻孔桩的孔底会残留一部分沉渣，这些沉渣将形成可压缩的软垫，导致桩底产生沉降，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，而端阻力由于“软垫”效应，不能完全发挥出来；此外，桩身轴力由于桩项荷载在沿桩身向下传递过程中，必须不断地克服桩侧阻力，使桩身轴力随深度逐渐减小，传至桩底的轴力即桩底反力，等于桩顶荷载减去全部桩侧摩阻力。以上几点表明，不考虑桩的长径比，忽视桩侧阻力的作用既不符合实际情况又不经济。
（2）对公式1中参数“h”的探讨
公式1中对“h”的要求是“桩嵌入基岩的深度，不包括风化层” ，设计人员一般理解是桩必须嵌入新鲜基岩，而不论其上面风化岩层的强度如何，这也是值得思考的问题。
由对岩石按强度分类的规定(见表2)可知，岩石极限抗压强度可相差6倍以上，有的强风化硬质岩(如花岗岩)，其极限强度可超过10MPa 而大于极软岩新鲜基岩的强度。这说明一般硬质岩的微弱风化层、甚至强风化层的强度都相当高，不考虑这些层次的嵌岩深度，一律要求嵌入新鲜基岩显然是不合理的。在风化层很厚的情况下，嵌岩很深，必然导致工程量增大、计算承载力远小于桩基的实际极限承载能力值。
岩石的分类 表2 类 别
坚硬岩、较硬岩
较软岩
软质岩
机软岩 单轴极限抗压强度（MPa） > 30 15～30 12～10
（3）对公式1中参数“Ra”的探讨
公式1中对岩石单轴极限抗压强度的定义存在偏差，设计人员一般采用钻孔试件的平均强度值。事实上，当岩石强度随深度增加时，将导致桩的计算承载能力偏低，从而使桩基的计算长度比实际承载力需要的长，造成浪费。
3）07规范对端承桩计算的规定
按07规范的规定，支承在基岩上或嵌入基岩内的单桩，其轴向受压容许承
载力取决于桩底处岩石的强度和嵌入基岩的深度，可按下式计算：
[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik -------------公式2 2i =1
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
C 1 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按表3
采用；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa），黏土质岩取天然湿度单轴
抗压强度标准值，当f rk 小于2MPa 时按摩擦桩计算；
C 2i －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i 层侧阻发挥系数，
按表3采用；
系数C 1 、C 2值 表3 岩层情况
完整、较完整
较破碎
破碎、机破碎 C 1 0.6 0.5 0.4 C 2 0.05 0.04 0.03
注：①当h≤0.5m时，C 1采用表列数值的0.75倍，C 2=0；
②对于钻孔桩，C 1 、C 2取表值的0.8倍；桩端沉渣厚度t 应
满足以下要求：桩径d≤1.5m时，t≤50mm；d>1.5m时，t≤100mm。
③对于中风化层作为持力层的情况，C 1 、C 2应分别乘以0.75
的折减系数。
u－各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；
h i －桩嵌入各岩层部分厚度（m），不包括强风化层和全风化层；
m－岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；
l i －各土层的厚度（m）；
，宜采用单桩摩阻力试验值，当q ik －桩侧第i 层土的侧阻力标准值（KPa）
无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按07规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按07规范表5.3.3-4选用；
n－土层的层数，强风化层和全风化层按土层考虑；
ξs －覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端f rk 确定。当2MPa≤frk
时，ξs =0.8；当15MPa≤frk 30MPa时，ξs =0.2；
4）07规范计算公式的经济效益
85规范计算公式中未考虑基岩上覆土层与桩的摩阻作用，且基岩的定义局限于未风化层，这将导致桩的长度主要由基岩的埋置深度决定。端承桩的工作原理与桩的长细比、桩底岩土与桩周土的刚性比以及桩的成孔工艺均有很大关系。计算中采用的桩的受力模式仅适合支承于基岩表面或嵌入基岩的短粗桩，并不符合一般桥梁桩基的实际工作原理。通过对照O7新规范和85规范，可以发现07新规范针对85规范的上述不足，对嵌岩桩单桩轴向受压容许承载力值计算公式进行了修正。O7规范规定嵌岩桩单桩轴向受压容许承载力值由桩周土总极限侧阻力、嵌岩段总极限阻力和总极限端阻力组成。采用07新规范计算大大缩短了桩的长度，降低了桩基工程量，同时加快了工程的施工进度。
4、当前公路桥梁桩基设计中存在的问题
85年发布的《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ 024-85）在中国实施了二十多年，影响非常深远。其总体上偏保守的设计思想影响了一代桥梁工程师。特别是2004年新《桥规》发布实施后，设计人员发现设计荷载总体上有所提升，自然而然地认为桩基础也应该相应更保守。
加之基础设计有其特殊性：1、地质情况千差万别，存在很多不确定因素；2、桩基计算理论上还不是太完善。目前我国公路桥梁桩基内力计算主要采用“m”法，“m”法的计算理论主要基于文克尔假定，而文克尔假定在力学体系上是不严密的；3、基础在整个桥梁结构中的关键地位。一旦基础工作状态发生问题，要进行加固改造将十分困难。
种种原因，导致当前我国桥梁工程师在桩基设计中偏于保守，造成了一些不必要的浪费。这是当前国内公路桥梁桩基设计中存在的主要问题。
三、 桩长确定的原则
当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满足结构物对地质强度、变形和稳定性方面的要求时，往往需要采用深基础，桩基础是一种常用的深基础。钻（挖）孔灌注桩基础由于施工设备简单、操作方便，适用于各种砂性土、粘性土，也适用于碎、卵石类土层和岩层。因此桩基础在广乐高速公路工程中被广泛采用。
广乐高速公路桥梁桩基基本都是采用的钻（挖）孔灌注桩。从承载性桩来看，主要分为两类：摩擦桩和端承桩。
1、桩基础类型的选择
摩擦桩和端承桩都是桥梁工程中经常采用的桩基础类型。《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5.1.5条规定，“在同一桩基中，除特殊设计外，不宜同时采用摩擦桩和端承桩”。具体什么情况下采用摩擦桩，什么情况下采用端承桩，并无明确规定。
一般认为，端承桩的承载能力大，沉降比摩擦桩小。如覆盖层很浅，应采用端承桩。
但摩擦桩如设计正确、施工得当，其沉降也不会超出桥梁的容许范围，并不影响其承载性能。
因此，选用摩擦桩还是端承桩，主要还是依据桥位处的地质情况。特别是在覆盖层很厚的地方，可能桩长就是取几十米甚至一百多米，桩端也无法达到基岩，在这种情况下，端承桩就不适用了，必须采用摩擦桩。
在实际的工程实践中，桩位处覆盖厚度很可能不是那么典型。以广乐高速公路为例，有的地方覆盖层厚度有三、四十米，既不是浅到让设计人员毫不犹豫地采用端承桩，也不是深到必须采用摩擦桩。
在这种情况下，设计人员应该分别按摩擦桩和端承桩的计算公式计算桩长。结果可能有三种情况：
（1）按摩擦桩算出来的桩长大于使桩基嵌入基岩所需的长度，则桩基应按端承桩设计。
（2）按摩擦桩算出来的桩长远远小于使桩基嵌入基岩所需的长度，则桩基．．．．
应按摩擦桩设计，不必非要使桩基嵌入基岩。
（3）按摩擦桩算出来的桩长小于使桩基嵌入基岩所需的长度，但相差小于．．
5m。在这种情况下，虽然按摩擦桩设计可能更经济,但考虑到节省的造价有限，且端承桩具有沉降量小的优点，因此建议还是按端承桩设计。
2、桩长计算
桩长的计算应按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）的相关规定进行。
（1）端承桩的桩长计算公式
以轴向力控制嵌岩深度，则按端承桩的单桩承载力公式计算：
[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik 2i =1
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
C 1 －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa），黏土质岩取天然湿度单轴
抗压强度标准值，当f rk 小于2MPa 时按摩擦桩计算；
C 2i －根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i 层侧阻发挥系数，
按表3采用；
u－各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；
h i －桩嵌入各岩层部分厚度（m），不包括强风化层和全风化层；
m－岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；
l i －各土层的厚度（m）；
q ik －桩侧第i 层土的侧阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻力试验值，当
无试验条件时，对于钻（挖）孔桩按07规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按07规范表5.3.3-4选用；
n－土层的层数，强风化层和全风化层按土层考虑；
ξs －覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端f rk 确定。当2MPa≤frk
时，ξs =0.8；当15MPa≤frk 30MPa时，ξs =0.2；
以弯矩控制设计嵌岩深度时，圆柱形的嵌岩最小深度h 可按下列公式计算：
h = 式中：h－桩嵌入基岩中（不计强风化和全风化层）的有效深度（m），不应小于0.5m；
M H －在基岩顶面处的弯矩（kN·m）；
f rk －桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（KPa），黏土质岩取天然湿度单轴
抗压强度标准值；
β－系数，β=0.5～1.0,根据岩层侧面构造而定，节理发育的取小值；节理不发育的取大值；
d－桩身直径；
b－垂直于弯矩作用平面桩的边长（m）；
（2）摩擦桩的桩长计算公式
摩擦桩长的确定主要根据钻孔灌注桩单桩轴向容许承载力公式进行计算：
1⎛n ⎞[R a ]=⎜U ∑q ik l i ⎟+A p q r 2⎝i =1⎠
q r =m 0λ[[f a 0]+k 2γ2(h −3) ]
式中：[Ra]－单桩轴向受压承载力容许值（KN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；
u－桩身周长（m）；
A p －桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；
n－土层的层数；
l i －承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m），扩孔部分不计；
q ik －与l i 对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（KPa），宜采用单桩摩阻
力试验值，当无试验条件时按07规范表5.3.3-1选用；
q r －桩端处土的承载力容许值（KPa）；
[f a 0]－桩端处土的承载力基本容许值（KPa），按07规范第3.3.3条确定；
h－桩端的埋置深度（m）对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对于无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；h的计算值不大于40m，当大于40m 时按40m 计算；
k 2－容许承载力随深度的修正系数，根据桩端处持力层土类按07规范表
3.3.4选用；
γ2－桩端以上各土层的加权平均厚度（kN/m3），若持力层在水位以下且不透水时，不论桩端以上各土层的透水性如何，一律取饱和重度；当持力层透水时则水中部分土层取浮重度；
λ－修正系数，按07规范表5.3.3-2选用；
m 0－清底系数，按07规范表5.3.3-3选用；
（3）桩基位于陡坡时桩长设计需特殊考虑的问题
广乐高速公路穿过粤北山区，地形十分复杂，很多桥梁的桩基位于陡峭的山坡上。在这种情况下，桩长的确定不仅取决于桥梁上构传给桩基的反力大小，同时也要考虑到桩基所在山体的稳定性。桩底距凌空面需保证一定的安全距离。
图1 位于陡峭山坡上的桩基
如图1所示，桩端距山坡地面线的水平距离L，必须保证一定的安全襟边。如地质勘察报告中对L 值有要求时，按地勘报告取值；如地勘报告中无要求时，对于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁，建议按如下原则执行：
对于边坡比较稳定的山坡，根据国内多条山区高速公路实践的经验，建议L 不小于30m。如L 小于
30m，就算计算桩长满足承载力要求，也必须加大桩长。
对于边坡不稳定的山坡，或岩石完整度不高，或为顺层时，L的取值需专门进行评估，以确保桥梁的安全。
四、 端承桩嵌岩深度确定的原则
端承桩嵌岩深度与桩基所承受的荷载有关。桥梁桩基荷载主要分为竖向荷载和水平荷载。竖向荷载，主要是桥梁上、下部结构自重及活载作用，采用规范公式“[R a ]=c 1A p f rk +u ∑c 2i h i f rki
i =1m n 1+ζs u ∑l i q ik ”进行验算。在桩端所处持力层的2i =1
岩石单轴极限抗压强度较高的情况下，竖向荷载对桩基的嵌岩深度一般不会起决定性的作用，嵌岩深度主要受水平荷载的影响。
1、端承桩持力层的选择
根据端承桩的定义，其承载力主要由桩端阻力来提供。因此，要求桩端伸入一个足够强度的持力层。部分设汁人员认为，端承桩就须嵌入新鲜、完整的基岩或者是微风化岩层上，完全忽视了岩石的强度。岩石按强度分为硬质岩、软质岩、极软岩三种。岩石类型不同，其强度就不同，其不同风化程度的产物强度也有所不同。对于一些硬质岩，即使是中风化层，其强度也可达2OMPa～60MPa，是可以满足端承桩基底强度的要求的。因此对中风化层厚度在5m 以上，甚至十几米，还要求穿过中风化层而嵌入微风化岩层上，是不合理的，势必会增加施工难度和工程造价，造成不必要的浪费。因此，在端承桩设计中，对桩端持力层的岩石强度需区别对待，不仅要考虑岩石的风化程度，更要考虑岩石的完整情况(裂隙是否发育)，岩石的强度等细节，只要可以满足桩基所需的竖向力要求，即使是中风化层、甚至是强风化层都可以作为端承桩的持力层。
2、柔性桩的嵌岩深度
当岩层以上土体较厚，桩基的弯矩值最大区段一般落在覆盖土层中，由覆盖土层承担了大部分弯矩和剪力，对基底端承桩的握裹作用就降低了很多，其受力形态为柔性桩，见图2(a)。
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第5.3.9条规定，桩基内力计算主要采用“m”法计算，根据刚性桩与弹性桩的判别式，当桩的入
土深度h 满足下式条件时，将桩按刚性基础计算，反之按弹性基础计算。
h ≤2.5
α
式中：α
－土中基础的变形系数，α= b1－桩基计算宽度，对于单桩：b 1 =0.9(D+1)，D为桩径；
EI－基础的计算刚度，对于基桩按弹性地基梁计算，EI=0.67EC I C ，其中
πD 4
I c =，EC 为桩基混凝土的弹性模量，按《桥规》取值。 64
m－地基土的比例系数，与地基土的性质有关，也与桩在地面或冲刷线处的水平位移有关；
图2 弹性桩与刚性桩的弯矩图
2.5
α
支承在基岩表面即可；考虑到基岩表面可能存在斜面，应预留一定的安全度，在实际设计中嵌岩深度一般取1.0D～1.5D(D为桩基直径)。 因此，当覆盖层厚度h ≥时，在满足竖向承载力的前提下，理论上桩端
3、刚性桩的嵌岩深度
当覆盖层很薄，基岩埋深很浅或者是水中桩受冲刷影响，此时所有水平荷载全部靠嵌岩深度提供，受力模式为刚性桩，见图2(b)。
《公路桥涵地基与基础设计规范》的第5.3.5条，明确了此类桩基嵌岩深度
h 的计算公式：
h =式中：MH －基岩顶面处桩身的弯矩（KN·m）；
f rk－天然岩石的单轴极限抗压强度（KPa）；
D－基桩设计直径（m）；
β－根据岩层侧面构造，节理是否发育而定的系数；
根据以往工程的经验，此类桩基嵌岩深度一般取3.0D～5.0D，建议小桩径取大值，大桩径取小值。同时需注意，此类桩基嵌岩深度受岩石强度和完整程度影响较大，在某些特殊情况须单独计算。
4、嵌岩深度原则在广乐项目中的应用
时，将桩按刚性基础计算，反之按α
弹性基础计算。表4中是广乐项目常规的装配式桥梁桩基对应不同m 值的2.5/α值。 根据上文所述，当桩的入土深度h ≤2.5
2.5/α值计算表 表4
通过对表4所列2.5/α值进行统计分析可看出，其值大多分布在对应桩径的5～7倍左右。根据广乐项目的地勘资料，其地基土的“m”值大多在5000～10000之间。为了方便实际工程中应用，并保证一定的安全度，在通过计算满足承载力要求的前提下，对于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁，建议在广乐项目
实际应用中按如下原则设计:
桩径不大于1.5m 的桩，其2.5/α的值按6D(D为桩径)控制。当覆盖层厚度h≤6D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥6D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
桩径大于1.5m 的桩，其2.5/α的值按5.5D(D为桩径)控制。当覆盖层厚度h≤5.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥5.5D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
按以上原则确定嵌岩深度时，需注意桩长需同时满足凌空面安全距离的要求。
五、 桩基配筋原则
桩基的配筋应根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）第
5.3.10条的规定进行。也即对基桩应验算桩身强度、稳定性及裂缝宽度。具体的验算方法可参照《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。对于钻（挖）孔灌注桩按照钢筋混凝土偏心受压构件的有关规定进行计算。对于桩基稳定性验算是指在计算时应计入桩身纵向曲屈的因素，并予以考虑。对于桩基裂缝宽度的验算一般情况下可不予进行，主要在构造上予以保证，仅当土或水对桩有侵蚀作用时才须进行验算。
对于较长的钻（挖）孔灌注桩，根据桩身内力的情况，可以将桩沿桩长方向分成三个区段：上段桩身弯矩较大，为钢筋混凝土圆形截面偏心受压构件；中段桩身弯矩很小，为少筋混凝土或钢筋混凝土圆形截面轴心受压构件；下段桩身仅受轴力，为素混凝土圆形截面轴心受压构件。因此，严格来说不应将钻（挖）孔灌注桩的桩身全长范围内均视作钢筋混凝土偏心受压构件。
需要说明的是，这种将桩沿桩长方向分段的方式主要是根据桩身内力，并不是机械地将每根桩都分成三段。对于有些桩长较短的桩来说，它可能只有“上段”和“中段”，没有“下段”，甚至只有“上段”，没有“中段”和“下段”。
1、桩身上段的配筋率
根据桩基受力特点和构造的特点，不管是摩擦桩还是端承桩，在桩身上段应严格按照钢筋混凝土圆形偏心受压构件进行配筋。 对于桩身上段的配筋，摩擦桩和端承桩并无本质的区别。
因为桩基受力的特点是以受压为主，就算在弯矩相对较大的上段，也是小偏心受压构件，弯矩与轴力相比非常小，接近于轴心受压。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）计算配筋时，一般都是按截面最小含筋率控制。
截面最小含筋率的定义为：截面配筋按最小含筋率μmin 配置的钢筋混凝土梁
所能承受的弯矩M p （破坏弯矩），应不小于相同截面的素混凝土梁在刚开裂时所
。对于矩形截面梁的最小含筋率μmin 的计算公式为： 能承受的弯矩M （开裂弯矩）f
μmin =Ag /bh0 ≥ 0.233R f /δg
式中：Rf －混凝土的设计抗拉强度；
δg －钢筋的设计抗拉强度；
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第9.1.12条规定，“轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋百分率不应小于0.5, 当混凝土强度等级C50及以上时不应小于0.6；同时，一侧钢筋的配筋百分率不应小于0.2.当大偏心受拉构件的受压区配置按计算需要受压钢筋时，其配筋百分率不应小于0.2”。各国对μmin 的规定并不一致，一般在0.4%～1.0%之间。我
国规范取0.5%，属比较低的。
根据以上分析，桩身上段配筋率在满足按强度配筋的要求的同时，不应小于．．
0.5%。考虑到我国规范规定的最小配筋率值和各国规范相比取的是低值，且在设计中应考虑到施工误差等因素，尽量不用规范中的限值，以预留一定的安全度。
2、摩擦桩桩身中、下段的配筋率
摩擦桩一般属弹性桩，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）的规定，其桩身弯矩采用“m”法计算。
“m”法的基本假定是认为桩侧土为文克尔离散线性弹簧，不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力，桩作为弹性构件考虑。当桩受到水平外力作用后，桩土协调变形，任一深度处所产生的桩侧土水平抗力与该点水平位移成正比，且地基系数与深度成正比增长。
下面采用广乐高速公路工程中典型的桥梁桩基的数据，按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）附录P 中的相关要求，采用“桩柱墩台空间计算软件”计算桩身弯矩，并输出桩身弯矩反弯点距地面的距离L，结果如表5所示。
表5中对应的α
为土中基础的变形系数，α=πD 4
计算时取：EI=0.67×3.0×10×（KN·m2） 647b 1 =0.9(D+1)。
桩身弯矩反弯点距地面的距离L 值计算表 表5 桩径D(m)
m 值(Kpa)
3000
5000
10000
15000 1.0 1.5 L 1.6 L 1.8 L 2.0 L α α α α α
L 0.35 11.45 0.27 14.03 0.26 14.69 0.24 16.47 17.91 0.39 10.30 0.30 12.89 0.28 13.46 0.26 14.90 16.04 0.45 0.34 11.59 0.32 12.19 0.30 13.03 13.89 0.49 0.37 10.45 0.35 11.02 0.33 12.03 12.74
对表5进行统计分析，可看出L 与对应的α存在以下关系：
L≈4/α
此结论与《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）附录P 中的说明一致。
因此，对于桩身中段，在4/α（α为土中基础的变形系数）以下理论上桩身的弯矩和剪力已经等于零，可以不必进行配筋。但是，实际上4/α的理论弯矩零点并非十分肯定，由于土的比例系数m 值在不同水平力作用下将会发生变异，而桩基存在初偏心的因素（轴力的不对中）、截面重心的几何不对中因素、物理不对中以及施工中的误差不对中等因素。因此，在桩身中段的截面一般还有一定
数量的弯矩和剪力存在，在配筋设计时构造上仍必须布置一定数量的钢筋。在实际设计中一般采用上段配筋数量的50%，这样配置的钢筋数量，在含筋量上可能不能满足最小含筋率的要求，因而属于少筋混凝土结构的范畴。
桩身的下段由于弯矩值已经很小很小，采用混凝土轴心受压构件作为计算假定应属合理。因此当摩擦桩较长时，桩底部一般为素混凝土。
3、端承桩桩身中、下段的配筋率
相对于摩擦桩来说，端承桩一般较短。因此，按照前文根据桩身内力将桩长分段的方法，端承桩一般只有“上段”和“中段”，没有“下段”；个别情况下端承桩或许有“下段”，但都很短。因此，端承桩的“中段”和“下段”（如果有的话）的配筋率一般采用上段配筋数量的50%。这样配置的钢筋数量，在含筋量上可能不能满足最小含筋率的要求，因而属于少筋混凝土结构的范畴。
4、桩身分段配筋的原则
根据前文所述，桩身的分段，其实就代表桩基钢筋配筋率的分段，也就是决定全筋段、半筋段及素混凝土段（相对摩擦桩来说）各多长的问题。
（1）全筋段长度的确定
根据“m”法的计算结果，4/α（α为土中基础的变形系数）是桩身弯矩的零点，理论上弯矩零点以下的桩身弯矩与剪力可认为等于零，可不再配置钢筋。因此建议全筋段长度L1采用：
L1 = 4/α -------------公式3
式中：α
－土中基础的变形系数，α= b1－桩基计算宽度，对于单桩：b 1 =0.9(D+1)，D为桩径；
EI－基础的计算刚度，对于基桩按弹性地基梁计算，EI=0.67EC I C ，其中
πD 4
I c =，EC 为桩基混凝土的弹性模量，按《桥规》取值。 64
m－地基土的比例系数，与地基土的性质有关，也与桩在地面或冲刷线处
的水平位移有关；
按公式3确定的全筋段长度应属比较安全的，就算实际的弯矩零点距地面线或冲刷线的距离比4/α大，也没有必要将L1值加大。因为至4/α处仅截断主筋的50％，还有50％的主筋是通过4/α处截面而继续向下延伸的。
（2）半筋段长度的确定
单桩水平承载力较常用的计算方法有“m”法、“C”法以及“K”法等。前两种方法是公路桥涵地基与基础设计规范采用或明确推荐采用的方法。这些方法的不同之处主要在与地基系数随深度变化的不同形式，因而计算出的桩的内力值以及分布形式也就各异。用这些计算值与实测值比较，“K”法与“m”法的最大弯矩计算值比实测值大，其位置比实测的低，“C”法的计算值与实测值较为接近。从试桩实测弯矩分布图形来看，实测的最大弯矩值较小，而曲线收敛较慢，影响深度最大。“K”法计算弯矩值最大，但收敛最快，所以第一弯矩零点位置最高（离地面或最大冲刷线最近），“m”法次之，“C”法的收敛点约在5/α处，较“m”法深，比实测值小。因此，各计算方法的弯矩零点位置都比实测值高，这说明理论上的弯矩零点并不是实际的弯矩零点，例如“m”法中的弯矩零点在4/α处，理论上认为在该点以下可以不配置钢筋。但实事上，桩身在4/α深度以下仍存在有弯矩。这就需要在4/α深度以下一定距离内布置一些钢筋。就“K”法来说，它的弯矩影响深度较大，可达5.989/α以上。另外，建筑地基基础设计规范规定“桩径大于600mm 的钻孔（灌注桩）构造钢筋的长度不宜小于桩长的2/3”。由于目前公路桥梁在桩的试验中，着重于桩的垂直承载力而很少甚至没有对桩的水平承载力进行测试。故在现有的基础上，为了安全起见，建议半筋段长度L2采用：
L2 ≥ 6/α-L1= 2/α -------------公式4
式中：α
－土中基础的变形系数，α= L1－全筋段长度，L1=4/α；
（3）摩擦桩素混凝土段长度的确定
根据前文所述，端承桩的配筋建议采用：全长都设“全筋”（针对较短的需嵌入基岩的端承桩）或分两段按“全筋”加“半筋”（针对较长的支承在基岩表
面的端承桩）两种方式配置。但对于摩擦桩来说，因桩基总长较长，其“下段”一般为素混凝土段。
有关的调查资料显示，目前国内桩基设计中，素混凝土段长度的设置比较随意。那么素混凝土段到底设置多长为好呢？在现行规范中找不到明确的规定。下面对素混凝土段合理长度进行探讨。
考虑到钻孔时可能出现倾斜，公路桥涵施工技术规范要求成孔倾斜度小于1％。如取最不利成孔的倾斜度为1％，成桩后在桩底允许承载力[P]的作用下，以控制素混凝土段不出现拉应力为条件，并略去素混凝土段桩周土介质作用的有利因素后可以得到： δ1=[P ]0.01[P ]L 30 -------------公式5 −A C W C
式中：L3－素混凝土段长度；
[P] －桩底容许承载力；
πD 2πD 3
AC = （D为桩基设计直径），WC = ； 432
δ1－桩身由于[P]作用在素混凝土与配筋混凝土交界截面上所引起的拉
应力。
现令δ1=0，即可得到：
L3 ≤ 12.5D
由于素混凝土作为偏心受压构件受力时，其桩侧的土抗力肯定要起有利的作用；另外在实际桩基工程中尚未见有因桩尖素混凝土段被折断而造成工程事故的实例，即使在唐山等处的大地震中，也未见有此类报导。因而建议素混凝土段长度计算的安全系数取1.5，素混凝土段长度L3可采用下式计算： L3 ≤ 12.5D ≈8D -------------公式6 1.5
式中：D－基桩设计直径（m）；
按公式6计算出的素混凝土段长度，应属比较安全的。但在素混凝土段也应该设置３～５根通长的竖向主筋，以方便施工过程中确认桩长，以及固定桩基检测管的需要。
5、配筋原则在广乐项目中的应用
规范中地基土的比例系数m 的值是以桩在地面处最大水平位移不大于6mm 的条件下取得的，其值从淤泥层到密实卵石夹粗砂层的变化为：从3000～5000KN/m4到80000～120000 KN/m4。
考虑到实际工程的某些情况，如一联桥的长度较大时桥台基桩，或承受弯矩和水平力较大的基桩，其桩在地面或冲刷线处的最大水平位移可能超过6mm，这时m 值就要降低。
因此，为安全起见，建议在计算桩基配筋长度时，可近似按最小的m=3000KN/m4来计算α值，使α值最小。这样算得的4/α、2/α值就相对较大，即桩身的全筋段长L1、半筋段长L2就较大。
基桩按这样的考虑配置钢筋，即使存在桩的偏心等不利因素，对于基桩的受力安全应该是有保证的。
根据广乐高速公路的典型桥梁桩基及地质情况，按不同m 值和不同桩径（D）分别计算α值如表6所示。
α值计算表 表6
7πD 4注：表中计算时取EI=0.67×3.0×10×（KN·m2）； 64
b 1 =0.9(D+1)。
对应的4/α值如表7所示。
4/α值计算表 表7
通过对表7所列4/α值进行统计分析可看出，其值大多分布在对应桩径的10倍左右。为了方便实际工程中应用，并保证一定的安全度，建议4/α的值取10D(D为桩径)，即全筋段长度取10D，对应的半筋段长度取5D。
考虑到广乐项目的地质情况，其覆盖层厚度均不是特别厚，桩长很少有超过50m 的；因此建议在广乐项目中，摩擦桩也不设素混凝土段，下段也采用半筋。
六、 岩溶路段桥梁桩基设计原则
岩溶地貌是因具有溶蚀力的水对可溶性岩石产生溶蚀等作用而形成的地表和地下形态的总称，又称喀斯特地貌。岩溶问题是岩溶地区工程建设的突出问题。中国岩溶地貌分布广、面积大，广乐高速公路所在区域就有很长的路段属于岩溶地貌。
1、岩溶桩基设计现状调查
目前，国内岩溶地基设计施工常用的桩基类型包括灌注桩、钻孔桩、预应力管桩、群桩、夯扩桩、复合地基及其他形式，各种桩基适用地质条件不一样。 可根据不同的地质条件分别运用不同的桩基。例如钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩适用于多数地下岩溶多层溶洞发育、洞穴小、上部洞穴顶板薄的地质情况；地下有孤石夹层分布，且岩溶表面不平的情况可用钻孔桩；地下有淤泥、土洞、流砂，地下溶洞连通暗河等情况可使用预应力管桩；在极其复杂的岩面条件下，只要桩端体的压力泡能有效覆盖坚硬的基岩面下卧层即可使用群桩；夯扩桩的特点是避软就硬，可有效充填处理土洞而不会危及地面安全；复合地基用于建筑荷载较小、土层较厚、土洞较多和岩面起伏大的情况，可避免直接应用天然地基时的沉降量大和承载力小的问题；其他如用削散荷载法来减轻桩基承受的压力，为增大桩端接触面，采用扩底桩来分散应力等等。桩基设计中，常常视地质条件的变化选用有效的桩基础。
虽然桩基设计施工方法已经形成了规范，但仍然存在一些不合理之处，对桩基的工作特性研究需要进行试验探索。我国对岩溶地区桩基的力学详细工作特性研究仍处于探索阶段，例如岳强进行了非均匀地基中单桩和群桩的线性及非线性分析，王哲进行了大直径灌注筒桩承载性状研究，胡学元进行了嵌岩桩承载力的计算与探讨；许多桩基力学特性需要进行实验研究，王革立针对岩溶地基嵌岩桩桩基特性进行了试验与分析研究，为桩基设计研究和实践提供了可靠参数和情景模拟。
2、广乐项目桥梁桩基溶洞处治原则
广乐高速公路沿线桥梁桩基础均采用钻孔灌注桩或人工挖孔灌注桩。
广乐项目桥梁桩基溶洞处治主要采用充填封闭法、钢护筒施工法以及预应力管桩法等进行处理。
对于桥梁桩基经过岩溶区域，首先需要仔细分析地质钻探资料，根据溶洞高度、宽度对溶洞进行分类，不同类型的溶洞，桩基施工时采取不同的方法。
（1）充填封闭法
对于规模较小的溶洞，采用充填封闭法填充溶洞，充填物根据地质钻孔揭示的溶洞情况确定。填充后按正常施工方法施工钻孔灌注桩。
（2）钢护筒施工法
对于规模较大的溶洞一般采用钢护筒施工法，其中又分单层钢护筒施工法和多层钢护筒施工法。单层钢护筒施工法具体步骤如下：
①先预埋开孔护筒，准备优质水泥浆、编织袋填装的粘土包和片石。 ②冲进钻孔，在溶洞内冲进时，抛填粘土袋和片石。
③下放钢护筒至岩面，继续冲进，如溶洞漏浆，则继续抛填粘土袋和片石，并将钢护筒继续跟进至岩面。
④安放内护筒。
⑤施工封底混凝土。
⑥在钢护筒和内护筒之间分段注浆，最后终孔。
当溶洞特别大时，需采用多层钢护筒施工法。多层钢护筒施工法具体方法步骤与单层钢护筒施工法相同，由于溶洞高度大，要分多段通过溶洞区，所以预埋钢护筒、钢护筒、内护筒需采用多层，外径比下一层钢护筒大。
（3）预应力管桩法
预应力管桩法是利用群桩基础代替原有桩基的一种施工方法。一般适用于覆盖层较厚，桩基为摩擦桩的情况。预应力管桩桩长比原设计桩长短，桩底可以不通过溶洞，或者通过溶洞，但溶洞下方岩层风化破碎严重，容易通过，靠桩侧土摩阻力来抵抗桩顶垂直力。
（4）施工时如果实际溶洞分布与设计时采用的地质资料溶洞描述不符，应及时上将实际地质情况报业主及设计单位，对桩长进行调整。
广乐高速速公路桩基设设计优化专题题研究
3、串珠岩岩溶路段桥桥梁桩基基设计原原则
串珠岩溶溶路段的桥梁梁桩基有一一定的特殊性性。有时桩基基已按上述述的处理原则则穿过上上层的溶洞，且嵌岩深深度已满足受受力要求，但在桩端的
的底下一定
定范围内还有有溶洞存存在。如果要求桩穿过过底下所有的溶洞，则则桩将非常长长，很不经经济；如桩不不穿过下下层溶洞，为保证基桩为桩的安全，则要求桩底则底到下层溶洞洞之间的顶顶板厚度必须须满足一一定要求。若顶板厚度度过小，则在在上部荷载载长期作用下下，易造成成顶板破坏，，从而使使桥梁产生生过大沉降或或不均匀沉沉降，甚至发发生倒塌。 溶岩地区桩基设计中中，常采用溶溶洞顶板安安全厚度是5倍桩径，这厚度略显显保守。在工程实践践中，常因顶顶板厚度不不能达到这一一要求而被被迫增加桩长长、打穿溶洞洞，不仅仅增加了施施工难度，而而且增加了工程造价。
确定岩溶溶地区桩基持持力岩层的的安全厚度，一般采用的计算模型型(见图3)是是将
图3 串珠岩溶路路段的桩基基
持力力层视为一一刚性底板，其上作用垂垂直荷载，按钢筋混凝凝土板受冲冲切构件公式式计算所所需持力层层顶板厚度。根据《公公路钢筋混凝凝土及预应应力混凝土桥桥涵设计规规范》第5.6.15条的规定：
公式7 γ0F ld ≤(0.7βh f td +0.15σpc , m
) U m h 0 -------------公
式中中：F ld －最最大集中反力力设计值，此处为桩底底处竖向力力设计值；
βh －截截面高度影响
响系数；
持力层岩石的抗拉强度
度设计值； f td －持
σpc , m －设有预应力钢筋的板的截面上，由预加力引起的混凝土有效平均
压应力，此处为零；
U m －距集中反力作用面h/2处破坏锥体截面面积的周长，当传递冲切力的构件为圆形截面时，可将其换算为边长等于0.8倍直径的方形截面再取U m ； d －桩基设计直径；
h －顶板的有效厚度；
γ0－结构重要性系数，此处取1.0；
根据广乐高速公路沿线的地质情况，偏安全取f td =0.8MPa，应力扩散角α=45°，截面高度影响系数βh 偏安全取0.85。
在计算桩底处竖向力设计值时，偏安全不计持力层灰岩以上覆盖层的侧阻力，桩底处灰岩的极限抗压强度按30MPa 计，则桩底竖向力设计值
F ld =30×πd2/4 (MN)
将以上参数代入公式7,求解可得
H ≥ 2.8d
考虑到溶洞顶板可能存在倾斜的情况，对于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁，建议桩底距下伏溶洞顶之间的顶板厚度不小于3d 。
七、 本次桩基专题研究的主要结论
本次桩基专题研究通过理论分析及广泛调研，得出的主要结论如下（适用于跨径不大于50m 的中、小跨径桥梁）：
（1）当覆盖层较厚，按摩擦桩验算桩端不伸入基岩即可满足承载力要求时，应按摩擦桩设计；但如按摩擦桩设计仅比按端承桩设计的桩长减短在5m 以内时，建议按端承桩设计。 （2）当端承桩的入土深度h ≤2.5
α(α为土中基础的变形系数)时，按刚性桩
设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（D为桩基直径），建议小桩径取大值，大桩径取小值；反之按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
针对广乐项目的具体情况，在桩基承载力满足规范要求的前提下，为方便实际设计中应用，建议:
桩径不大于1.5m 的端承桩，当覆盖层厚度h≤6D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥6D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
桩径大于1.5m 的端承桩，当覆盖层厚度h≤5.5D时，按刚性桩设计，嵌岩深度取3.0D～5.0D（小桩径取大值，大桩径取小值）；当覆盖层厚度h≥5.5D时，按柔性桩设计，嵌岩深度取1.0D～1.5D。
（3）桩身上段配筋率应不小于0.5％，刚性端承桩按全筋通长设置；柔性端承桩分全筋段及半筋段，不设素砼段；摩擦桩分全筋段、半筋段及素砼段。
针对广乐项目的具体情况，为确保结构安全，建议:
刚性端承桩按全筋通长设置；柔性端承桩及摩擦桩分全筋段及半筋段，不设素砼段。
（4）分段配筋的桩基，其全筋段长度建议为4/α(α为土中基础的变形系数)，半筋段长度建议不小于2/α，素砼段长度建议不大于8D(D为桩基直径)。
针对广乐项目的具体情况，为方便实际设计中应用及确保结构安全，建议: 分段配筋的桩基，其全筋段长度取10D，全筋段以下半筋到底。
（5）串珠岩溶路段的桥梁桩基,桩底距下伏溶洞顶之间的顶板厚度不小于3d (d为桩基直径)。
八、 专题研究成果的应用与展望
本次桩基优化设计专题研究结合广乐高速公路的工程实践，对当前公路桥梁桩基设计中过于保守的问题进行了探讨。通过理论分析和广泛调研，对广乐高速公路桥梁桩基优化设计提供了理论依据，并提出了既经济、可操作性又强的桩长确定原则、端承桩嵌岩深度确定原则、桩基配筋原则以及岩溶路段桥梁桩基设计原则。在实际设计中应用这些原则，将可大大降低桩基工程造价，缩短工期，取得良好的经济效益与社会效益。
本次专题研究受时间及经费的限制，主要基于理论分析，相关数据主要取材于广乐高速公路工程的勘察设计资料。下阶段如有条件，可结合工程实践进行相关的试桩试验，对理论分析成果进行验证。
为了方便在实际设计中应用，本次专题研究成果均总结出了可操作性强、简明扼要的设计原则。为了方便实际应用，使设计原则适用于普遍的情况，必然会牺牲一定的经济性。下阶段如有条件，可根据本次专题研究的成果，开发“桩基设计成套技术”软件。设计人员只要输入桩顶反力、桩径、地质参数后，软件自动判定是采用端承桩还是摩擦桩，计算桩长、配筋等，最后自动生成桩基钢筋设计图。
这样相对于传统桩基设计有以下优势：
（1）每根桩均精确计算，比按经验公式计算桩长及配筋更经济；
（2）设计成果标准化，便于业主控制桩基设计的经济指标和安全度；
（3）桩基设计自动化，提高设计质量；
（4）提高桩基设计效率，节省工期。