软土地区桥梁桩基础基于经济性的精细化设计方法探讨.pdf

第1期（总第232期）2024 年 2 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.1 (S e r i a l N o.2 3 2)F e d.2 0 2 4144软土地区桥梁桩基础基于经济性的精细化设计方法探讨翟 东 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092摘要：为了在设计阶段充分发挥桥梁桩基础的经济效益，以软土地区钻孔灌注桩承载力计算的理论基础为出发点，提出“单位体积桩基础混凝土量能提供的竖向承载力”指标。通过进一步理论公式推导，对影响桩基经济性的指标变化规律进行多维度分析与总结，为工程实践中进一步优化桩基经济性能的设计方法提供参考。通过分析钻孔灌注桩的桩径、桩长在不同土层特性中对桩基承载力的贡献比例及参数变化敏感性，可得到桩基更加经济高效的调整方向，并可结合当地综合单价进一步修正，以指导桩基设计与选型，发挥较高的经济效益。关键词：桥梁桩基；钻孔灌注桩；桩基承载力；经济指标；设计方法中图分类号：U445.551 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2024）01-0144-05收稿日期：2023-11-13作者简介：翟东（1968），男，高级工程师，硕士，主要从事工程经济与管理工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2024.01.032桩基础在桥梁基础中应用较为普遍，尤其当地基土存在较厚的软弱层时常被采用，能较好满足地基承载力、稳定性及控制基础沉降的要求。桩基础在桥梁工程造价中通常占比不小，对于桩基指标较高的软土地区桥梁，其造价甚至高于桥梁上部结构造价。因此，桥梁桩基础若能在设计阶段基于经济性考虑，并结合桥梁受力需求进行精细化设计，则能在提供同等地基承载力的前提下节约投资，若应用于大规模的城市快速路高架桥、高速公路桥等总投资额较大的项目中，其经济效益更加明显。考虑到常规桥梁结构桩基础多以竖向承载力为主要设计目标，本文提出以“单位体积桩基础混凝土量能提供的竖向承载力”为桩基础的经济性评价指标，以指导桩基础设计时针对不同地质情况来选型、调整优化，充分提高桩基础的经济效益。主要研究方法是基于对桩基承载力计算的基础理论来进一步公式推导，对影响桩基经济性的指标变化规律进行多维度分析与总结，为工程实践中进一步优化桩基经济性能的设计方法提供参考。1 桩基础基于经济性的精细化设计方法桥梁桩基础可分为预制桩与就地灌注桩 2 类。其中，预制桩可选用钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢管桩等，其施工方法可采用锤击、冲击、振动沉桩等工艺；就地灌注桩可采用钻孔法、人工挖土、机械钻孔沉桩等工艺。对于众多类型的桩基础，其桩基承载力计算的参数、公式及修正值有所不同，但是其桩基承载力的构成主要还是由“桩侧土摩阻力”与“桩端土承载力”2 部分组成，两者提供的承载力根据桩型、桩长和地层土分布不同而变化。本文以圆形“钻孔灌注桩”的桩基承载力计算为基础，对“单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力”评价指标进行研究与探讨，其余桩型可采用相同方法进行评价，本文不再详细展开。1.1 单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力 评价指标 Qv根据 JTG33632019公路桥涵地基与基础设计规范第 6.3.3 条，对支承在土层中的钻（挖）孔灌注桩，其单桩轴向受压承载力特征值 Ra可按式（1）计算。（1）式中：Ra为单桩轴向受压承载力特征值，kN；u1452024 年第 1 期翟东：软土地区桥梁桩基础基于经济性的精细化设计方法探讨为桩身周长，m；qik为与 li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值，kPa；li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度，m；Ap为桩端截面面积，m2；qr为修正后的桩端土承载力特征值，kPa。则由式（2a）（2d），可得单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力为式（3）；i 为计数。令 （2a）（2b）（2c）Rak=2Ra （2d）式中：qikavg为与 li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值的加权平均值，kPa；L 为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度之和，即有效桩长，m；qrk为修正后的桩端土承载力标准值，kPa；Rak为单桩轴向受压承载力标准值，kN。（3）式中：Qv为单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力，kN/m3；V 为桩基混凝土体积，m3；D 为桩基直径，m。由式（3）可得知如下。1）若桩端在同一持力层中桩长 L 保持不变，桩基直径 D 越小，桩基单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力 Qv越高，但是桩基承载力相应降低。因此，在满足规范最小桩径 D 要求的前提下，采用较小桩径对摩擦桩是合理的。2）如果是桩基直径 D 不变，桩长 L 发生变化，因 qikavg和 qrk会随着桩长穿越的土层特性变化而变化，其桩基单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力 Qv也可能随之增加或减少，且桩基承载力的增减与 Qv增减不具有线性相关性。3）若在 qikavg随着桩长 L 增减而变化不大的情况下，且 qrk随着桩端持力层变化影响较大，则可通过调整桩长 L 计算，取其较大值的作为合理持力层。基于以上结论，当桥梁设计者需要增加或减少桩基提供的竖向承载力，究竟是采用增减桩长 L 还是增减桩径 D，需要进一步研究其相互关系才具有工程指导意义。1.2 基于 Qv评价指标的桩基设计方法本文提出基于单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力评价指标 Qv，如果桥梁设计需要增减桩长或者桩径来提高或优化（减少）桩基提供的承载力，可根据桩基发生相同变化的体积量后对应的Qv数值来指导设计，Qv越高经济效益也相应越好。考虑到不同地区因地质情况不同会有相应推荐的桩端持力层，为更高效得到经济性设计，本设计方法仅针对该持力层内桩基长度与直径变化产生的 Qv进行评价，若涉及不同持力层的比选可逐层分析后再进行比选。若桩基直径变化率为 D，保持体积变化相同的前提下其桩长变化率为 D2，即式（4）。（4）考虑 qikavg由于桩长变化产生变化值为，则增减相同体积后的单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力见式（5a）、式（5b）。（5a）（5b）式 中：Qv-D 增/减为 桩 基 直 径 D 变 化 D后 的 Qv，kN/m3；Qv-L 增/减为 桩 基 长 度 L 变 化 D2后 的 Qv，kN/m3。若加大桩径比增加桩长经济性更好，可得出关于 D函数见式（6），f（D）为相同体积变化情况下，采用加大桩径的单位体积混凝土提供的竖向承载力与采用增加桩长的单位体积混凝土提供的竖向力之差。（6）令进行分析，可得如下。1）当 A=0 时，即当“桩侧摩阻力”与“桩端阻力”相等时：D 变化桩径经济效益更好，反之 D 变化桩长经济效益更好。1462024 年第 1 期翟东：软土地区桥梁桩基础基于经济性的精细化设计方法探讨2）当 A 0 时,即当桩侧摩阻力与桩端阻力不相等时，f（D）存在极值 f（D）extremum；当桩长变化对侧阻摩擦力的加权平均值 qikavg影响较小，即 1，f（D）extremum可简化为式（7）。（7）且若 f（D）=0 存在根 D，则见式（8）。（8）式中：D1、D2为 f（D）=0 的 2 个根。当桩侧摩阻力小于桩端阻力，D1 0；反之当桩侧摩阻力大于桩端阻力，D1 0。下文针对二次抛物线形的函数 f（D）分 4 种情况进行展开分析。1）当 A 0（即当“桩端阻力”大于“桩侧摩阻力”），且 f（D）extremum 0 时，则变化桩径的经济效益更好；且当 1 时此情况不存在。2）当 A 0（即当“桩端阻力”大于“桩侧摩阻力”），且 f（D）extremum 0 时，若桩径变化范 围 取 D（0，min（D1，D2）U（max（D1，D2），+），则变化桩径的经济效益更好；且当 1 时，D（1，+）。反之，若在此范围外则变化桩长的经济效益更好。3）当 A 0（即当“桩端阻力”小于“桩侧摩阻力”），且 f（D）extremum 0 时，则变化桩径经济效益更差，优先调整桩长；且当 1 时此情况不存在。4）当 A 0（即当“桩端阻力”小于“桩侧摩阻力”），且 f（D）extremum 0 时，若桩径变化范围取 D（max（0，min（D1，D2），（max（D1，D2），则变化桩径的经济效益更好；当 1 时：若（即“桩端阻力”小于“1/2 桩侧摩阻力”），则桩径变化范围取；若（即“桩端阻力”大于“1/2 桩侧摩阻力”），则桩径变化范围取；反之，若在此范围外则变化桩长的经济效益更好。在该桩径或桩长变化区间内存在桩基效率最高的最优解，见式（9），可为桩基设计的经济性提供参考。（9）基于软土地区，适用于以上 3）与 4）的情况，可结合具体地质情况展开分析比较。2 Qv评价指标的适用情况与修正2.1 基于 Qv评价指标的桩基设计方法的适用情况基于软土地区，假定桩基土层特性 qikavg=45 kPa，qrk=2 000 kPa，基于桩径 D 为 1 m 的钻孔灌注桩在不同桩长情况下，其 f（D）函数见图 1（注：为简化表达参数的变化规律，本次研究取 1，实际工程中可根据土层变化特点调整取值）。f（D）0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2D200-20-40-60L=15L=20L=25L=30L=35L=40L=45L=50L=55图 1 D100 cm 桩基在土层不同桩长 L 的 f(D)图(=1)由图 1 可知，在上述假定的土层内，若桩长小于 25 m（即“桩端阻力”大于“1/2 桩侧摩阻力”时），在增加相同混凝土量的情况下采用增加桩径的 Qv更高，经济性更好，同时在减少相同混凝土量的情况下采用减少桩长的经济性更好；若桩长大于 25 m（即“桩端阻力”小于“1/2 桩侧摩阻力”时），增加桩长比增加桩径的经济性更好，同时在常用的桩径选取范围内且减少相同混凝土量的情况下采用减少桩径的经济性更好。通过以桩长 L 为 15 m、30 m、55 m 和桩径 D为 1 m 的桩基为例，分析其调整“桩长”或“桩径”的变化对 Qv影响的关系见图 2。1472024 年第 1 期由图 2 可知，在土层特性不变的情况下，桩长与桩径增加均使桩基的 Qv下降，而桩长与桩径的减少均使桩基的 Qv升高；但在变化相同体积混凝土量的情况下，调整桩长或桩径对于 Qv的变化率不同。不同基础桩长的情况下，采用增加桩长及桩径的方法得到的桩基经济性效率均有差异，可根据地质情况、结构桩基承载力需求综合考虑，采用 Qv评价寻找相对最优解，提高桩基设计的经济效益。2.2 结合工程经济指标对 Qv评价指标的修正根据多个软土地区（以上海地区为例）的桥梁工程桩基经济性指标数据显示，钻孔灌注桩的单位体积价格随桩长变化影响不大，而不同桩径的单位体积价格略有差异，见表 1。本文将以桩径变化在 0.8 m 至 1.5 m 区间为研究对象，结合单位体积价格对 Qv进行修正。若以桩径为 1.0 m 的钻孔灌注桩为起始研究对象，则其余桩径相对其基于单价的修正系数见表 2。表 1 钻孔灌注桩的桩基直径 D 与单位体积价格桩基直径 D/m0.81.01.21.5桩基单位体积价格/（元m-3）（考虑钢筋指标 90 kg/m3）2 6002 5002 4002 300表 2 钻孔灌注桩的桩基直径 D 与基于单位体积价格变化的修正系数 j桩基直径 D/m0.81.01.21.5基于单位体积价格变化的修正系数 j2 600/2 500=1.042 500/2 500=1.002 400/2 500=0.962 300/2 500=0.92当桩基桩径调整时，其 Qv相应修正为 Qv/j，可得到最终反映在价格上的桩基经济指标的评价。通过以桩长 L 为 15 m、30 m、55 m 和桩径 D 为1 m 的桩基为例，分析考虑单位体积价格变化后，其调整“桩长”或“桩径”的变化对 Qv影响的关系见图 3。翟东：软土地区桥梁桩基础基于经济性的精细化设计方法探讨桩基 L=15 m，桩径 D=1 mQv/（kN m-3）3753503253002752502252000.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2DL15 m D1 m 桩基础上调整“桩长”系数 D2L15 m D1 m 桩基础上调整“桩径”系数 D桩基 L=30 m，桩径 D=1 m桩基 L=55 m，桩径 D=1 mQv/（kN m-3）6005505004504003503002502003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000Qv/（kN m-3）L55 m D1 m 桩基础上调整“桩径”系数 DL30 m D1 m 桩基础上调整“桩径”系数 DL55 m D1 m 桩基础上调整“桩长”系数 D2L30 m 直径 1 m 桩基础上调整“桩长”系数 D20.4 0.6 0.8 1.0 1.2D0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2D图 2 不同桩长桩基 Qv与 D关系图(=1)桩基 L=15 m，桩径 D=1 m桩基 L=30 m，桩径 D=1 m桩基 L=55 m，桩径 D=1 mQv/（kN m-3）450400350300250Qv/（kN m-3）325300275250225200175150Qv/（kN m-3）3002752502252001751501250.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0D0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0D0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0DD=0.8 mD=1.0 mD=1.2 mD=1.5 mD=0.8 mD=1.0 mD=1.2 mD=1.5 mD=0.8 mD=1.0 mD=1.2 mD=1.5 mL15 m D1 m 桩基础上调整“桩长”系数 D2L15 m D1 m 桩基础上调整“桩径”系数 DL15 m D 调整特征点根据单价修正后L30 m D1 m 桩基础上调整“桩长”系数 D2L55 m D1 m 桩基础上调整“桩长”系数 D2L55 m D1 m 桩基础上调整“桩径”系数 DL30 m D1 m 桩基础上调整“桩径”系数 DL30 m D 调整特征点根据单价修正后L55 m D 调整特征点根据单价修正后图 3 单价修正后不同桩长桩基 Qv与 D关系图(=1)1482024 年第 1 期翟东：软土地区桥梁桩基础基于经济性的精细化设计方法探讨由图 3 可知，通过单位体积桩基价格对 Qv进行修正后，对于不同桩长情况下分别采用调整“桩长”或“桩径”的方法，其与 Qv关系的线型发生了相应变化。对于桩长较短（L=15 m）时，两者调整的效率差距拉大，优劣性更加明显；对于桩长居中（L=30 m）时，两者调整的效率趋于接近，经济性上不具有明显差异；对于桩长较长（L=55 m）时，两者调整的效率差距进一步区分拉大。因此，在结合桩基的 Qv对调整桩基方案进行比选时，建议结合当地土层情况反映的桩基单价对Qv进行修正，以便更准确得出经济性更优的调整方案。3 结语本文以圆形“钻孔灌注桩”的桩基承载力理论计算为基础，对“单位体积桩基混凝土量能提供的竖向承载力”评价指标 Qv进行研究与探讨，并进一步分析了其相关参数变化对评价指标的影响，主要结论如下。1）基于 Qv指标对于桩基经济性能评价有效，影响该指标的主要参数为：桩长 L、桩径 D 及土层分布与特性。2）在土层特性不变的情况下，桩长 L 与桩径D 增加均使桩基的 Qv下降，而桩长与桩径的减少均使桩基的 Qv升高；但在变化相同体积混凝土量的情况下，调整桩长 L 或桩径 D 对于 Qv的变化率不同。3）采用增减桩长 L 及桩径 D 的方法得到的桩基经济性效率均有差异，可根据地质情况、结构桩基承载力需求综合考虑，采用 Qv评价寻找相对最优解，可最大限度提高桩基设计的经济效益。4）桩基设计过程中可通过调整桩长 L、桩径D 的参数对桩基经济性能进行优化。基于结构计算需要的单桩承载力并结合地勘推荐持力层，通过分析“桩侧摩阻力”与“桩端阻力”的分配比例，可分析出调整桩长 L 或桩径 D 哪个参数更有效，并存在调整的最优理论解，可根据工程实际情况逼近最优解进行设计优化。5）建议结合桩基单价因素进行分析比选，对桩基调整后达到最优经济性更具有实际指导意义。6）对于其它桥梁桩基形式（如预制桩等）或其他地质情况（如嵌岩桩等），均可采用类似本文的研究方法进行分析，并结合当地的技术经济指标进行修正，得到最接近理论最优解的桩基设计，提高桩基设计的经济效益。研究主要基于“桩基竖向承载力”为考察基础进行分析，后期可根据不同工程的需求引入“基础沉降要求”、“桩身强度要求”等考察指标综合分析。由于不同桩径与桩长的选择也可能会影响到桩基的数量及承台的规模，后期可结合具体的工程项目建立更多维度的数模进行分析，从设计阶段优化桩基的经济性能，尤其对于项目规模较大或者地质情况相对稳定的大区域桥梁建设具有较大的经济意义。6 CAI L,ZHU Y Y.The challenges of data quality and data quality assessment in the big data eraJ.Data Science Journal,2015,14(1):21-23.7 BATINI C,RULA A,SCANNAPIECO M,et al.From data quality to big data qualityJ.Journal of Database Management,2015,26(1):60-82.8 HARYADI A F.Requirements on and antecedents of big data quality:An empirical examination to improve big data quality in financial service organizationsD.Delft:Delft University of Technology,2016:13.9 AGGARWAL A.Data quality evaluation framework to assess the dimensions of 3Vs of big dataJ.International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering,2017,7(10):503-506.10 TOIVONEN M.Big data quality challenges in the context of business analyticsD.Helsinki:University of Helsinki,2015:47-48.11 张绍华,潘蓉,宗宇伟.大数据治理与服务 M.上海:上海科学技术出版社,2016.12 MERINO J,CABALLERO I,RIVAS B,et al.A data quality in use model for big dataJ.Future Generation Computer Systems,2016,63:123-130.13 莫 祖 英.大 数 据 质 量 测 度 模 型 构 建 J.情 报 理 论 与 实 践,2018,41(3):11-15.14 DUMBILL E.Making sense of big dataJ.Big Data,2013,1(1):1-2.（上接第 143 页）162ABSTRACTSEngineering Co.,Ltd.,Shanghai 200127,China)Abstract:Drilling and sealing of frozen holes is a crucial step in the construction of connecting channels using the freezing method.Improper quality control in each step may lead to construction risks.Based on previous risk cases in the construction process of freezing holes connecting channels using the freezing method,this paper analyzes the shortcomings of conventional freezing hole drilling sealing and sealing technology,and studies a new type of freezing method connecting channel freezing hole drilling sealing and sealing construction technology for pre-embedded hole mouth pipes.At the same time,the feasibility of the technology is verified through experiments,providing support for the safe construction of freezing method connecting channels in the future.Key words:freezing method;connecting channels;freeze hole drilling;pre-embedded orifice pipe;sealing holesResearch on the Method of Big Data Quality Evaluation for Municipal EngineeringZHANG Wen-ting(China Municipal Engineering Central South Design&Research Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China)Abstract:Big data has been widely used in municipal engineering,but the problems of sparsity and low quality of big data need to be solved urgently.Therefore,a method for evaluating the quality of big data is proposed,which includes 7 primary characteristic indicators,38 secondary measurement indicators,and an arithmetic weighted average calculation formula.The practical cases of topographic maps and BIM libraries verify that the method is applicable,effective,and correct,and it has certain reference value for the practical application of big data quality evaluation in municipal engineering.Key words:big data;quality;evaluation methodExploration of Economic Refined Design Method for Bridge Pile Foundations in Soft Soil RegionsZHAI Dong(Tongji University Architectural Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China)Abstract:In order to fully leverage the economic benefits of bridge pile foundations during the design phase,starting from the theoretical basis of calculating the bearing capacity of drilled cast-in-place piles in soft soil areas,the index of vertical bearing capacity provided by the concrete volume of unit volume pile foundation is proposed.Through further theoretical formula derivation,multi-dimensional analysis and summary of the changes in indicators that affect the economic performance of pile foundations are conducted,providing reference for further optimizing the design methods of pile foundation economic performance in engineering practice.By analyzing the contribution ratio and parameter sensitivity of the diameter and length of drilled cast-in-place piles to the bearing capacity of pile foundations in different soil layers,a more economical and efficient adjustment direction for pile foundations can be obtained,and further correction can be made based on local comprehensive unit prices to guide pile foundation design and selection,and to achieve high economic benefits.Key words:bridge pile foundation;bored cast-in-place piles;pile foundation bearing capacity;economic indicators;design methods