一、桩基础的受力要求和特点

1.桩基础的组成

桩基础是常用的桥梁基础类型，由埋于地基土中的若干根桩及将所有桩联成一个整体的承台（或盖梁）两部分所组成，如图1-11a所示。桩身可以全部或部分埋入地基土中，当桩身外露在地面上较高时，在桩之间还应加横系梁，以加强各桩之间的横向联系。

若干根桩在平面上可排列为一排或几排，所有桩的顶部由承台联成一整体，在承台上修筑桥墩、桥台及上部结构。桩可以先预制好，再将其运至现场沉入土中；也可以就地钻孔（或人工挖孔），然后在孔中浇筑水泥混凝土或置入钢筋骨架后再浇灌混凝土而成桩。

2.桩基础的作用原理

桩基础的作用是将承台以上结构物传来的外力通过承台，由桩传到较深的地基持力层中去。

承台将外力传递给各桩并箍住桩顶使各桩共同承受外力。

各桩所承受的荷载由桩通过桩侧土的摩阻力及桩端土的抵抗力将荷载传递到地基土中，如图1-11b所示。

3.桩基础的特点

1）承载力高、稳定性好、沉降量小而均匀。当地基浅层土质不良时，它能穿越浅层土发挥地基深层土承载力的作用，以满足桥梁上部结构物荷载的要求。

图1-11 桩基础

a）桩基础的组成 b）桩的作用原理

1—承台 2—基桩 3—松软土层 4—持力层 5—墩身

2）在深水河道中施工要比其他基础形式简便。桩基础可以借桩群穿过水流将荷载传到地基中，避免（或减少）水下工程，简化施工设备和技术要求，加快施工速度并改善劳动条件。

3）与其他深基础形式相比耗用材料少。

4）具有较好的适应性。目前，桩基础的类型多种多样，成桩机具种类繁多，施工工艺完善，施工经验成熟，施工方法灵活。所以，可以采用不同类型的桩基础和施工方法以适应不同的水文地质条件、荷载性质和上部结构特征。

4.桩基础的适用条件

桩基础是一种深基础，主要适用于下列条件：

1）荷载较大，地基上部土层软弱，适宜的地基持力层位置较深，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理时。

2）河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易计算正确，如采用浅基础施工困难或不能保证基础安全时。

3）当地基计算沉降过大或结构物对不均匀沉降敏感时，采用桩基础穿过松软（高压缩性）土层，将荷载传到较坚实（低压缩性）土层，减少结构物沉降并使沉降较均匀。

4）当施工水位或地下水位较高时，采用桩基础可以减少施工困难。

5）在地震区可液化地基中，采用桩基础穿越可液化土层，可消除或减轻地震对结构物的危害，增强结构物的抗震能力。

以上情况也可以采用其他形式的深基础，但桩基础由于具有耗料少、自重轻、施工简便等优点，往往是优先考虑的深基础方案。总之，当采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形和稳定性方面的要求时，常常采用桩基础。

当上层软弱土层很厚，桩底不能达到坚实土层时，就需要用较多、较长的桩来传递荷载，这时的桩基础稳定性较差，沉降量也较大；当覆盖层很薄时，桩的稳定性也有问题。此时，桩基础就不一定是最佳的基础形式。

因此，在考虑采用桩基础时，必须根据上部结构特征与使用要求，认真分析研究建桥地点的工程地质与水文地质资料，考虑不同桩基类型特点和施工环境条件，经过多方面的技术经济比较分析，来选择确定合理可行的方案。

二、桩和桩基础的类型

为满足结构物的要求，适应地基的特点，随着科学技术的发展，在工程实践中已形成了多种类型的桩基础，它们在本身构造上和桩土相互作用性能上都具有各自的特点。学习桩和桩基础的分类及其构造，目的是掌握其特点，以使设计和施工时能更好地发挥桩基础的作用。

1.按成桩挤土效应分类

大量工程实践表明，成桩挤土效应对桩的承载力、成桩质量控制和环境等有很大影响，因此，根据成桩方法和成桩过程的挤土效应，将桩分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩（排土桩）三大类。

（1）非挤土桩 也称为置换桩，施工时，用钢筋混凝土或钢材将与桩基体积相同的土置换出来，因此桩身下沉对周围土体很少扰动，但缺点是有应力松弛现象。非挤土桩包括钻（挖）孔灌注桩、抓斗挖掘成孔桩等。

（2）部分挤土桩 在成桩过程中，周围土体仅受到轻微挤压扰动，土体原状结构及工程性质没有大的变化。部分挤土桩包括冲孔灌注桩、挤扩孔灌注桩、预钻孔沉桩、打入式敞口桩和敞口预应力混凝土管桩等。

（3）挤土桩（排土桩） 在成桩过程中，桩周围的土被挤密或挤开，桩周围的土受到严重的扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质发生很大变化。这类桩主要包括各种沉桩，如锤击、静压、振动沉入的预制桩及闭口预应力混凝土管桩等。

在饱和软土中设置挤土桩，如设计和施工不当，就会产生明显的挤土效应，导致未初凝的灌注桩桩身缩小乃至断裂、桩上涌和移位、地面隆起等，从而降低桩的承载力；有时还会损坏邻近建筑物；桩基施工后，还可能因饱和软土中孔隙水压力消散，土层产生再固结沉降，使桩产生负摩阻力，降低桩基承载力，增大桩基沉降。挤土桩只有设计和施工得当，才可收到良好的技术经济效果。

在非饱和松散土中采用挤土桩，其承载力明显高于非挤土桩。因此，正确地选择成桩方法和工艺，是桩基设计中的重要环节。

2.按承载性状分类

按桩的承载性状分可分为摩擦型桩和端承型桩。

（1）摩擦型桩 摩擦型桩又分为摩擦桩和端承摩擦桩。

1）摩擦桩指在极限承载力状态下桩顶荷载由桩侧阻力承受的桩，如图1-12a所示。

2）在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受，桩端阻力很小，这种桩称为端承摩擦桩，如图1-12b所示。

图1-12 摩擦桩与端承桩

a）摩擦桩 b）端承摩擦桩 c）端承桩 d）摩擦端承桩

（2）端承型桩 端承型桩又分为端承桩和摩擦端承桩。

1）端承桩指在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受的桩。例如通过软弱土层桩端嵌入基岩的桩，桩的承载力由桩的端部承受，桩侧摩擦阻力很小，不予考虑，如图1-12c所示。

2）摩擦端承桩在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受，桩侧摩擦力很小。如图1-12d所示的预制桩，桩周土为流塑状态黏性土，桩端土为密实状态粗砂，桩侧摩擦力约占单桩承载力的20%。

通常端承桩承载力较大，基础沉降小，较安全可靠。但若岩层埋置很深，沉桩困难时，则应采用其他几种类型的桩。

摩擦桩的沉降一般大于端承桩的沉降，为防止桩基产生不均匀沉降，在同一桩基中，不宜同时采用摩擦桩和端承桩。在同一桩基中，采用不同直径、不同材料和桩端深度相差过大的桩，不仅设计复杂，施工中也易产生差错，故不宜采用。

3.按承载类别分类

按桩的承载类别，桩分为竖向抗压桩、竖向抗拔桩、水平受荷桩和复合受荷桩。

（1）竖向抗压桩

主要承受上部结构传来的竖向荷载，绝大部分建筑桩基都为竖向抗压桩。

（2）竖向抗拔桩

竖向抗拔桩主要承受竖向拉拔荷载，如高耸结构物、地下抗浮结构及板桩墙后的锚桩等。

（3）水平受荷桩

如基坑支护、港口码头等工程中的各种支护桩主要承受水压力、土压力等水平荷载，其垂直荷载很小。

（4）复合受荷桩

如高耸建筑（构造）物的桩基，既要承受很大的垂直荷载，又要承受很大的水平荷载（风荷载和地震力）。

4.按桩轴方向分类

按桩轴方向可分为竖直桩和斜桩（单向斜桩和多向斜桩），如图1-13所示。斜桩的特点是能承受较大的水平荷载，但需要有相应的施工设备和工艺。因此，在桩基础中是否需设斜桩和确定怎样的斜度，应根据荷载的具体情况和施工的设备条件而定。

一般来说，当作用于承台板底面处的水平外力和外力力矩不大，或桩的自由长度不长，或桩身截面较大时，可考虑采用竖直桩桩基础，反之宜采用带有斜桩的桩基础。

图1-13 竖直桩和斜桩

a）竖直桩 b）单向斜桩 c）多向斜桩

对于拱桥墩台等推力体系结构物的桩基础，一般应设置斜桩，以承受上部结构传来的较大水平推力，减小桩身弯矩、剪力和整个基础的侧向位移。

目前，我国桥梁钻、挖孔灌注桩由于施工设备和工艺问题，斜桩用得很少，只有预制桩才采用斜桩。

5.按桩的断面尺寸分类

按桩的断面尺寸可分为小直径桩、中等直径桩和大直径桩。

（1）小直径桩：d≤250mm，适用于中小型工程和基础加固。

（2）中等直径桩：250mm＜d＜800mm，采用最多。

（3）大直径桩：d≥800mm，通常用于高层建筑、重型设备基础，并可实现一柱一桩的结构形式。大直径桩每一根桩的施工质量都必须切实保证，要求对每一根桩做施工记录。桩孔成孔后，应有专业人员下孔底检验桩端持力层土质是否符合设计要求，并将虚土清除干净再下钢筋笼，用混凝土一次浇筑完成，不得留施工缝。

6.按承台位置分类(www.daowen.com)

根据桩基承台底面位置的不同可将桩基础分为低承台桩基础和高承台桩基础。

（1）低承台桩基础的承台底面位于地面（或局部冲刷线）以下，基桩全部埋入土中。低承台桩基础受力性能好，能承受较大的水平外力，如图1-14a所示。

（2）高承台桩基础的承台底面位于地面（或局部冲刷线）以上，基桩部分入土，部分外露在地面以上，如图1-14b所示。

高承台桩基础由于承台位置较高或设在施工水位以上，可减少墩台圬工数量，可避免或减少水下作业，施工较为方便。但高承台桩在水平力作用下，由于承台及基桩露出地面的一段自由长度周围无土体来共同承受水平外力，基桩的受力情况较为不利，桩身内力和位移都将大于在同样水平外力作用下的低承台桩，在稳定性方面低承台桩较高承台桩要好。

图1-14 高承台桩和低承台桩

a）低承台桩 b）高承台桩

一般对旱桥、季节性河流、冲刷深度较小的河床上的桥梁，大多采用低承台桩；对常年有水且水位较高，施工时不宜排水或冲刷较深的河床上的桥梁，则多采用高承台桩。近年来由于大直径钻孔灌注桩的采用，桩的刚度、强度都较大，因而高承台桩在桥梁基础工程中已得到广泛采用。

7.按施工方法分类

桩的施工方法种类较多，基本方法有沉入法和成孔灌注法。所以，按桩的施工方法可将桩分为沉桩（预制桩）、灌注桩两种基本类型，另外还有管柱和钻孔埋置桩等类型。

（1）沉桩（预制桩）

沉桩的施工方法为将各种预制桩以不同的沉入方式（设备）沉入地基内，达到所需要的深度。

预制桩是按设计要求预先制作好的桩。长桩可在桩端设置钢板、法兰盘等接桩构造分节制作，施工时再接长。预制桩的桩体质量高，可大量工厂化生产，加快施工进度。

预制桩按材料的不同分为钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢桩、木桩和组合材料桩等，其中组合材料桩由两种以上的材料组成，如钢管混凝土桩或上部为钢管下部为混凝土的桩；按截面形状的不同分为方形（实心）和圆形（实心或空心管桩）桩两种。

预制桩适用于一般土地基，但较难沉入坚实地层。沉桩有明显的排挤土体作用，应考虑对邻近结构（包括邻近基桩）的影响。在运输、吊装和沉桩过程中应注意避免损坏桩身。

沉桩可以采用斜桩来抵抗较大的水平力，在某些情况下要比采用竖直的钻孔桩有利。

1）当桩数量较多，而现场又有打桩设备和搬移桩架等有利条件，可以考虑采用沉桩。

2）在有严重流砂的河床内，若采用钻孔桩施工比较困难，也可以采用沉桩。

3）碎、卵石类土地基可采用射水沉桩方法施工。

按不同的沉桩方式，沉桩又可分为下列几种类型：

1）打入桩（锤击桩）。通过锤击（或以高压射水辅助）将预制桩沉入地基。这种施工方法适用于桩径较小（一般直径在0.6m以下，但国内最大管桩直径已达1m），地基土质为可塑状黏性土、砂性土、粉土、细砂以及松散的不含大卵石或漂石的碎卵石类土的情况。打入桩伴有较大的振动和噪声，在城市建筑密集地区施工，须考虑对环境的影响。

2）振动下沉桩。振动法沉桩是将大功率的振动打桩机安装在桩顶，一方面利用振动以减小土对桩的阻力，另一方面用向下的振动力使桩沉入土中。

振动下沉桩适用于可塑状黏性土和砂土，用于土的抗剪强度受振动时有较大降低的砂土等地基和自重不大的钢桩，其效果更为明显。沉桩困难时可采用射水辅助振动沉桩。

3）静力压桩。借助桩架自重及桩架上的压重，通过液压或滑轮组提供的静反力（见图1-15）将预制桩压入土中的桩。

它适用于较匀质的可塑状黏性土地基，对于砂土及其他较坚硬土层，由于压桩阻力大而不宜采用。

静力压桩在施工过程中无振动、无噪声，并能避免锤击时桩顶及桩身的损伤，但较长桩分节压入时受压桩架高度的限制，使接头变多会影响压桩的效率。

图1-15 滑轮组压桩法示意图

1—桩身 2—锚梁 3—压桩架底梁 4—定滑轮 5—压梁 6—压力表 7—测力计 8—动滑轮 9—接绞车钢丝绳

（2）灌注桩

灌注桩是在现场地基中按一定方法成孔，然后形成钢筋混凝土或混凝土桩，如图1-16所示。

灌注桩有多种不同的成孔设备和施工方法，可以适用于各种类型的地基土，并可做成较大直径以提高桩的承载力。

在施工时可避免或减轻预制桩沉桩时对周围土体的挤压影响及产生的振动和噪声。但在成孔成桩过程中应采取相应的措施和方法保证孔壁的稳定和提高桩体的质量。

根据成孔方法的不同，可以将灌注桩分为泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩、干作业成孔灌注桩和沉管灌注桩等几大类。

1）泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩。泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩是指用钻（冲）孔机具钻（冲）进土中，边破碎土体边排出土渣而成孔，然后在孔内放入钢筋骨架，灌注混凝土而形成的桩。桩的直径一般为0.8～1.5m左右。

图1-16 灌注桩成桩过程示意图

a）成孔 b）下放钢筋骨架 c）灌注混凝土成桩

在成孔过程中，为防止孔壁坍塌和顺利成孔，需采用泥浆护壁和灌注水下混凝土等相应的施工工艺和方法。

钻孔灌注桩的施工设备简单，操作方便。它适用于各种黏性土、砂性土以及碎、卵石类土和岩层。对于易坍孔土质及可能发生流沙或有承压水的地基，施工难度较大，施工前应做试桩以取得经验。

目前，国内钻孔灌注桩的应用日益广泛，我国施工的钻孔灌注桩最大深度已达百余米。由于泥浆的排放处理，在城市中的应用有时会受到一定的限制。

2）干作业成孔灌注桩。干作业成孔灌注桩不需要泥浆护壁，而是直接利用机械或人工在无水状态下成孔，然后下放钢筋笼，浇筑混凝土成桩。它适用于地下水位以上的黏性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土及风化岩层等，而不适于有地下水的土层和淤泥质土。

按成孔机具设备和工艺方法的不同，常用的干作业成孔灌注桩有干作业钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩及扩底灌注桩等。

①干作业钻孔灌注桩。利用钻孔机具成孔，钻孔机具可以采用人工推钻、螺旋钻、回转斗成孔机、全套管成孔机等。

螺旋钻钻孔是干作业钻孔的常用方法，如图1-17所示，它是通过动力旋转钻杆，使钻头的螺旋叶片旋转削土，土沿螺旋叶片提升并排出孔外。螺旋钻钻孔直径一般不超过1.0m，钻孔深度一般在30m以内。

回转斗成孔机的回转斗是一个直径与桩径相同的圆斗，斗底装有切土刀，斗内可容纳一定量的土。工作时，回转斗旋转切削土体，并将土装入斗内，然后提升回转斗卸土，再放下回转斗进行下一次作业。回转斗成孔直径最大已达3m，但成孔深度因受伸缩钻杆的限制，一般只能达50m左右。

图1-17 螺旋钻钻孔过程示意图

a）钻孔 b）下放钢筋笼 c）灌注混凝土

为防止坍孔，也可采用全套管成孔机作业。施工时边下沉钢套管，边利用回转斗或抓土斗在套管内取土，成孔后灌注混凝土，同时逐步将套管拔出。这种方法适应的土质范围广，桩径较大，一般在0.6～2.5m，孔深最大可达50m，但成孔速度较慢。

②挖孔灌注桩。依靠人工（用部分机械配合）或机械在地基中挖出桩孔，然后浇筑钢筋混凝土或混凝土所形成的桩称为挖孔灌注桩。

挖孔灌注桩的特点是不受设备限制，施工方法简单，桩径较大（一般大于1.4m），但挖孔深度不宜太深，为增大桩底支承力，可用开挖或爆破等办法扩大桩底。这种挖孔方法能直接检验孔壁和孔底土质，所以能够保证桩的质量。

挖孔灌注桩一般适用于无水或渗水量小的地层，对可能发生流沙或含较厚的软黏土层地基，施工较为困难，需要加强孔壁支撑，以确保孔壁稳定和施工安全。

③扩底灌注桩。扩底灌注桩是用普通成孔机械成孔后，为了提高灌注桩的承载能力，再使用扩孔钻头在孔底部分进行扩孔，使孔底形成喇叭形状，增加桩底部的承载面积，如图1-18所示。

扩孔也可采用爆扩的方法进行，即先就地成孔，然后用炸药爆炸扩大孔底，浇灌混凝土而成桩，其施工程序如图1-19所示。

爆扩桩宜用于持力层较浅、在黏土中成型并支承在坚硬密实土层上的情况。

3）沉管灌注桩。采用锤击或振动的方法把带有钢筋混凝土的桩尖、或带有活瓣式桩尖（沉管时桩尖闭合，拔管时活瓣张开）的钢套管沉入土层中成孔，然后在套管内放置钢筋笼，并边灌注混凝土边拔套管而形成的灌注桩。它适用于黏性土、砂性土地基。

沉管灌注桩是在钢管内无水的环境中沉放钢筋笼和浇灌混凝土的，使得桩身混凝土的质量得到充分的保障。由于采用了套管，可以避免钻孔灌注桩施工中可能产生的流砂、坍孔的危害和由泥浆护壁所带来的排渣等弊病。但桩的直径较小，常用的尺寸在0.6m以下，桩长常在20m以内。

图1-18 扩孔桩

图1-19 爆扩桩的施工程序

a）成孔 b）放炸药 c）浇灌第一次混凝土 d）爆炸扩孔 e）第二次浇筑混凝土成桩

在软黏土中，由于沉管的挤压作用对邻桩有挤压影响，可能使混凝土尚未结硬的邻桩被剪断，且挤压时产生的孔隙水压力易使拔管时出现混凝土桩缩颈现象。所以宜采取“跳打”顺序施工，待混凝土强度足够时再在它的近旁施打相邻桩。

（3）管柱

将预制的大直径（1～5m）钢筋混凝土或预应力混凝土或钢管柱，实质上是一种巨型分节装配的管桩，每节长度根据施工条件决定，一般采用4m、8m和10m，接头用法兰盘和螺栓联接，用大型的振动桩锤沿导向结构振动下沉到基岩，一般以高压射水和吸泥机配合帮助下沉，然后在管内钻岩成孔，下放钢筋笼骨架，灌注混凝土，将管柱嵌固于岩层，如图1-20所示。

图1-20 管柱基础

1—管柱 2—承台 3—墩身 4—嵌固于岩层 5—钢筋骨架 6—低水位 7—岩层 8—覆盖层 9—钢管靴

管柱适用于大跨径桥梁的深水基础，或岩面起伏不平的河床上的基础。管柱基础可以在深水及各种覆盖层条件下进行，没有水下作业和不受季节限制，但施工需要有振动沉桩锤、凿岩机、起重设备等大型机具，动力要求也高，所以在一般公路桥梁中较少采用。

（4）钻孔埋置桩

钻孔埋置桩是一种先钻孔然后再插入预制桩而成的桩，适用于穿过硬层或深置于硬层内的桩基础。钻孔直径宜稍大于预制桩直径，且预制空心桩的最下一节桩桩底应设底板，中心应设压浆管。当预制桩放好后，通过压浆管实施后压浆，以改善桩端阻力和桩侧摩阻力的受力状态，提高单桩承载力。