1.2 橋梁樁基礎的主要類型

樁基礎是一種重要的基礎結構型式，其承載力高，沉降均勻，用料少，機械化程度高，這些特點使其受到了廣泛的關注，應用于各種建筑工程中。樁基的使用歷史悠久，在長期的工程實踐中，發展形成諸多的種類。可根據不同依據劃分成不同類別，如可根據樁基的材料、樁基成型方法、工藝，樁身制作方法（預制樁基、現場鉆孔灌注）、直徑截面形狀、樁端土體性狀、擴底情況、自由端固結情況及樁基受力特性（豎向承載性狀、水平向承載情況）來劃分。此外，還可以根據樁基的截面形狀，樁基在水平方向的受力情況，樁基打入后的擠土情況等來進行劃分。

1.2.1 按承載性狀分類

按照樁基具有的承載性狀以及在使用過程中的受力情況，可以將樁基大致分為兩大類型：摩擦型和端承型。此外在每個大類中，又可以細分為兩個子類。

（1）摩擦型樁。

1）摩擦樁：在承載能力極限狀態下，樁頂豎向荷載由樁側阻力承受，樁端阻力小到可忽略不計。摩擦樁應滿足如下條件：①樁基長度和直徑比值較大，長徑比較大，樁基頂面在順向集中荷載作用下，樁基周圍土體相對對樁體發生相對位移形成樁身側摩阻力，而樁端幾乎不產生端阻力；②位于樁基底部的阻力層和位于樁端之下的持力層，均不能過于堅硬；③樁基底部允許留有少量虛土或鉆孔沉渣等不利因素的灌注樁；樁底殘留虛土或沉渣的灌注樁；④樁基底部由于打入預制樁身出現假象承載力極限而導致打入到底部的樁基脫空，從而導致樁端存在脫空現象。

2）端承摩擦樁：在承載能力極限狀態下，樁頂豎向荷載主要由樁側阻力承受。端承摩擦樁應滿足如下條件：①長徑比，即樁基的長度與其直徑之比較小；②豎向荷載由樁基的樁端阻力和樁側阻力共同承擔；③樁端阻力起主要承載作用，樁側阻力承載較小，但是并不能忽視樁側阻力的存在。通常，端承摩擦樁所在的位置一般都與巖石、碎石相接處，屬于中密度地層。

（2）端承型樁。

1）端承樁：在承載能力極限狀態下，樁頂豎向荷載由樁端阻力承受，樁側阻力小到可忽略不計。端承型樁基必須具備的條件包括：①純端承型樁基的長徑比較小；②樁基的樁端部分一般都位于比較堅硬結實的土層當中；③樁端阻力起到了絕大部分的作用，樁側阻力幾乎不承擔荷載，可以忽略不計。

2）摩擦端承樁：在承載能力極限狀態下，樁頂豎向荷載主要由樁端阻力承受。摩擦端承型樁基必須具備的條件包括：①樁基深入土層的位置與純端承型不同，主要表現在其樁端位于堅硬結實的土層當中，樁身主要處于基巖層中；②樁端阻力承擔大部分荷載，但是，樁側阻力也起到了一定承擔荷載的作用，不可忽略。

值得一提的是，在樁基的工程應用過程當中，摩擦樁與端承樁都不是一成不變的，在樁端所承受荷載不斷加大的過程中，二者可以實現相互之間的轉化。比如，在最初的時候，荷載較小，此時樁基類型為摩擦樁，其樁基頂端的荷載主要由樁側阻力來承擔。當樁頂荷載不斷加大時，樁側阻力不足以承擔，就需要樁端阻力來承擔。這時候，摩擦樁轉化為端承樁。在這個過程中，分別出現了端承型摩擦樁以及摩擦型端承樁。純摩擦樁或純端承樁，只是理論上的一種假定狀態，在工程實踐中幾乎不存在。

1.2.2 按施工方法分類

根據樁基的施工過程中所使用的施工方法的不同，可以將樁基劃分為兩大類，即預制樁和灌注樁。

（1）預制樁。

預制樁，即先將樁基預先制作出來，運到施工現場，然后使用自由落錘、振動錘等沉樁設備將樁基打入土層，以實現應用。目前建筑行業內使用的預制樁通常為混凝土預制樁以及鋼預制樁，木預制樁由于其荷載能力有限，已經很少被采用。由于混凝土預制樁承載能力較其他材料大，而且還具有堅固耐久的特點，施工速度比其他材料的預制樁快，因此目前混凝土預制樁是建筑行業使用最多的樁基之一。混凝土預制樁的優點明顯，缺點也同樣存在，在施工過程中，混凝土預制樁會對周邊的土層結構環境造成很大的影響。因此，鋼預制樁也是一種選擇。

（2）灌注樁。

灌注樁，即在需要使用樁基的地方進行土層鉆孔，將要灌注的樁基形狀的鋼筋籠放在鉆好的孔里，然后，灌注混凝土等樁基材料，從而自然形成樁基，省去了預制樁打入地層的過程。灌注樁根據施工工藝的不同可以劃分成如下幾類：

1）沉管灌注樁。

沉管灌注樁的沉樁方法有兩種，一種是利用振動方法，另外一種是利用錘擊方法。無論是哪種方法，都是需要先將鋼管套振入或者是打入土層中，形成一定的樁孔，然后將灌注樁所需要的鋼筋籠放入樁孔，再澆筑混凝土。在澆筑混凝土的過程中，混凝土澆筑和鋼管套拔出，需要同時進行，并且需要掌握好時機。如果拔出鋼管過快，則容易導致樁身縮小。此外，沉管灌注樁有一個特點，即其入土深入有一定的限制，不可過深，這主要是因為鋼管套自身的強度有限，如果一味追求入土深度，而忽略其強度，會使得鋼管套斷裂。沉管灌注樁一般適用于黏土、砂性土、塑性土、粉土、碎卵石類土地基。

2）鉆孔灌注樁。

鉆孔灌注樁與沉管灌注樁所使用的設備不同，其打孔使用專業化設備——鉆孔機械進行，其他的過程，如在孔中放入鋼筋籠，以及澆灌混凝土均與沉管灌注樁一致。鉆孔灌注樁，根據鉆孔機械鉆孔的方式不同，又可細分為兩種，即循環鉆進成孔樁以及大孔徑沖擊鉆進成孔樁。鉆孔灌注樁具有諸多優點：①在施工的過程中，鉆孔不會給周圍土地環境造成影響，不會導致地表的土層隆起或者移動；②與沉管灌注樁不同，鉆孔灌注樁沒有土層深度限制；③由于使用專業鉆孔機械來進行打孔，所以其打孔的質量、速度都能夠得到良好的保障，并且在打孔過程中，即使地表有水層，也不耽誤其鉆孔工作；④操作簡單，這主要歸因于機械化操作，對施工周圍環境要求極低。鉆孔灌注樁適應于各種砂、黏性土、碎、卵石類土層和巖層等。當遇到施工較困難的大量泥、砂流或存在承壓水的地基，施工前應做試樁以獲取經驗。

3）人工挖孔灌注樁。

人工挖孔灌注樁，即打孔的過程采用人工挖掘的方式來完成，其他方面與前兩種灌注樁一致。人工挖孔，其孔的質量易于保證，同時由于其使用的機械設備十分簡單，所以其造價也是三種方法中最低的，此外人工挖孔灌注樁在挖孔期間，噪音小，打好的孔，檢查起來非常直觀方便。但這種打孔方式也有其致命的弊端，即勞動作業環境惡劣，并且作業條件差。尤其是工人的人身安全危險系數相對較高，因此，采用人工挖孔灌注樁時，首先要做好相應的護壁措施，以保證不會發生孔壁的坍塌而造成人員傷亡。一般適用于在沒有水或滲水量非常小的地層，對于較厚的軟黏土層地基不適用。

另外，樁基礎按使用功能可分為豎向抗壓樁、抗拔樁、橫向受荷樁、組合受荷樁；按樁身材料可分為木樁、鋼樁、混凝土樁以及組合樁；按樁的設置效應可分為非擠土樁、部分擠土樁、擠土樁；按常用的成樁方法可分為壓入樁和灌注樁（沉管灌注樁、鉆孔灌注樁、沖孔灌注樁、人工或機械挖孔樁）；按樁的剛度不同分為柔性樁（a≥2.5）和剛性樁（a≤2.5）；按樁的數量分為單樁基礎和群樁基礎；按樁的軸向截面不同分為普通樁和變截面樁（如ZKKPJ擴盤樁、DX擠擴樁等）；按樁徑分為小樁（d<250mm）、中等直徑樁（250mm≤d≤800mm）和大直徑樁（d>800mm）；按樁的長度可分為短樁和長樁，一般來說，樁長l>30m稱為長樁，10m≤l≤30m稱為中長樁，l<10m稱為短樁。

1.2.3 樁基豎向極限承載力定義

樁基豎向承載的工作原理：樁頂豎向荷載由樁側阻力和樁端阻力共同承受，樁側阻力承擔的荷載以剪應力形式傳遞給樁周土體，樁端阻力則由樁底的工程性質較好的持力層提供，不過一般來說樁側阻力的發揮先于樁端阻力。樁周土體和樁端持力層因為承受樁側荷載和樁端荷載而壓縮（含部分剪切應變），并由此產生沉降。

樁基的豎向承載力主要取決于地基土對樁的支承能力和樁身的材料強度。一般情況下，樁的承載力由地基土的支承能力所控制，材料強度往往不能充分發揮，只有對端承、超長樁以及樁身有缺陷的樁，樁身材料強度才起控制作用。此外，當樁的入土深度較大、樁周土質軟弱且比較均勻、樁端沉降量較大，尤其是高層建筑或對沉降有特殊要求的大跨橋梁時，還應考慮樁的豎向沉降量，按上部結構對沉降的要求來確定單樁豎向承載力。

靜荷載試驗是評價單樁豎向極限承載力的可靠方法，也是宏觀評價樁的變形和破壞性狀的依據，規范要求對一級建筑物，必須通過靜載荷試驗。靜載試驗所得到的荷載-沉降曲線（Q-s）的形態隨樁側和樁端土層的分布與性質、成樁工藝、樁的形狀和尺寸（樁徑、樁長及比值）、應力歷史等諸多因素而變化，大致可分為“陡降型”和“緩變型”，如圖1.2.1所示。根據Q-s曲線特性，采用下述方法確定單樁豎向極限承載力Q_u。

（1）根據沉降隨荷載的變化特征。

圖1.2.1 單樁靜載試驗曲線

1—陡降型；2—緩變型

如圖1.2.1（a）中曲線1所示，對于陡降型Q-s曲線，其極限承載力即為與破壞荷載相對應的發生明顯陡降的起始點荷載，該方法的缺點時作圖比例將影響Q-s曲線的斜率和所選擇的Q_u，一般取橫豎比例2∶3作為作圖比例。對于曲線2形式的緩變型Q-s曲線，其拐點不明顯，國外多采用切線交匯法，即取Δs/ΔQ-Q曲線的第二拐點；或者s-lgt（t為加載歷程）曲線尾部明顯彎曲的前一級荷載為極限承載力；或者lgs-lgQ第二直線交會點荷載為極限承載力，大多數情況下，宜綜合考慮各種因素后判定取值。

（2）根據沉降量。

對于緩變型Q-s的單樁，可按控制沉降量確定其極限承載力。一般根據上部結構類型和對沉降的敏感程度取某一沉降值所對應的荷載為極限承載力，通常該極限沉降值通常取40～60mm；對于大直徑樁，樁徑的3%～6%；對于細長樁（l/d>80），可取60～80mm。測出每根試樁的極限承載力后，可統計確定單樁豎向承載力的標準值Q_uk。

1.2.4 影響單樁豎向承載力的因素

（1）樁側土的性質與土層分布。

樁側土的強度與變形性質影響樁側阻力的發揮，從而影響單樁承載力的性狀與大小。樁側土的某些特性，如濕陷性、脹縮性、可液化性、欠固結等，將在一定條件下引起樁側阻力降低，甚至出現負摩阻力，從而使單樁承載力顯著降低。

樁側土層的分布影響單樁的承載力。如濕陷性土、可液化土、欠固結土層分布于樁身下部，則這些土層的沉降而產生負摩阻力的中性點的深度大于這些土層分布于樁身上部的情況，從而使單樁所受下拉荷載增加，承載力降幅增大。軟硬土層、黏性土層與非黏性土層分布的相對位置也會影響側阻力的發揮特性。

（2）樁端土層的性質。

樁端持力層的類別與性質直接影響樁端阻力的大小和沉降量。低壓縮性、高強度的砂、礫巖層是理想的具有高端阻力的持力層。特別是樁端進入砂、礫層的擠土樁，可獲得很高的端阻力。高壓縮性、低強度的軟土幾乎不可能提供樁端阻力，并導致樁發生突發性破壞（即陡降型Q-s曲線），樁的沉降量和沉降的時間效應顯著增加。

（3）樁的幾何特征。

樁的總側阻力與其表面積成正比，因此，提高樁的承載力，可采用較大比表面積（表面積與樁身體積之比）的樁身幾何外形。為提高總樁的端阻力，一般采用鉆擴、挖擴、夯擴等擴底樁。

樁的直徑、長度及其比值（l/d）是影響側阻力和端阻力的主要因素之一。相同的底層環境，采取不同的長徑比，或相同的材料用量，采取不同的樁徑、樁長，獲得的單樁承載力一般都將有所差異。

（4）成樁質量。

擠土樁、非擠土樁、部分擠土樁三大類成樁工藝的成樁效應是不同的。成樁效應影響樁的承載力及其隨時間的變化。一般說來，飽和土的成樁效應大于非飽和土的成樁效應，群樁大于單樁的成樁效應。

各類成樁工藝的質量穩定性也是不同的，如預制樁的質量穩定性高于灌注樁，灌注樁中干作業的質量穩定性高于泥漿護壁作業，挖孔樁的質量穩定性高于機械作業樁。

1.2.5 國內外研究現狀

迄今為止，基樁動測技術應經在建筑檢測領域中得到了廣泛的應用，經過多年的發展，應經成為建筑無損檢測中的主要方法。其實在古代就已經學會利用聲波對物體進行檢測，通過敲擊物體的方法來判斷物體的密度，質量以及是否有缺陷。現代利用聲波對樁基進行無損檢測追應該溯到1949年，加拿大LeSlide和Cheesman開創了這一領域。隨后英國的Jones在測量相關聲波的波速，以及研究混凝土強度與聲波波速之間的關系取得了很大的成就。1931年D.V.Isaac首次提出了樁體振動產生的聲波對樁基本身內力的影響，并在一維波動方程引入了反應樁周土體的摩擦阻力參數C得，如式1.2.1所示。

但其由于邊界條件較為復雜不能應用于工程實際。

1950年，EA.Smith對樁錘-樁-土體系建立了一系列用彈簧以及阻尼器構成的數學模型，并且深入探討了聲波理論在樁基檢測過程的運用。1975年美國G.G.Goble領導的研究小組針對群樁的聲波檢測技術進行理論研究，并在諸多假設的前提下，提出了波動方程的一個準封閉解Case法。20世紀60年代史密斯研究并發表了關于《樁基波動分析方程法》，這一著名論文，從而帶動樁基檢測技術邁向工程實踐。20世紀70年代，荷蘭To mer根據多年的技術經驗和多年的樁基檢測理論開發了通莫靜載測樁法。20世紀90年代初左右，針對橋梁樁基檢測技術采用的是聲波透射法進行抽檢，其主要是根據聲學原理進行分析，主要是通過在橋墩進行錘基，然后通過儀器測量聲波在樁基混凝土中的特點，根據聲波理論進行分析，粗略判斷樁基混凝土本身的質量，首次將聲波脈沖技術應用于樁基檢測的是英國的瓊斯。

直到20世紀60年代，H.Rusch.A.T.Green等人開始對聲波在混凝土傳播的聲法理論進行了研究，取得了一定的研究成果，隨后，隨著聲波檢測的不斷發展，英國、瑞典、荷蘭、加拿大等紛紛研制出新的樁基檢測設備和改進樁基檢測技術。在樁基無損檢測理論研究上，Novak通過對樁基在簡諧激振力作用下，樁基振動的相關動力特性的研究，并推出了樁基周圍土體對樁基振動影響的表達公式。而Militan則采用積分變換的方法研究橋梁樁基在軸向激振力作用下的動力響應。Koten Hvan等人研究樁基在瞬態軸向激振力作用下，樁基瞬態振動的解析公式，其前提條件是樁基是等截面均勻桿件，樁基周圍土體是均勻的。20世紀70年代末到20世紀80年代中期，關于樁基無損檢測的儀器都陸續出現。

我國對樁基無損檢測技術的研究發展較晚，20世紀80年代，天津建筑科學研究院率先研制出了具有當時較高水平的“自動化”靜載測試儀。21世紀以后，武漢建科科技有限公司先后推出了ST 1000型靜載測試儀和ST 2000型靜載測試儀實現了在一種型號儀器內多種測試方法并存的無線數據采集系統。20世紀50年代，由我國同濟大學教授魏墨庵開始對聲波無損檢測技術在混凝土的應用進行研究，1972年，湖南大學周光龍開始對動測聲波技術在樁基無損檢測中的應用進行研究，1978年唐念慈通過對渤海平臺試樁過程中進行研究，并利用聲波理論進行分析，編制了程序，取得了許多樁基動測與靜測之間的資料。雷林源通過分離變化的方法，對均質土層下完整樁的瞬態響應的動力特性作了深入的研究。王奎華也是通過分離變量的方法針對樁基周圍土體的一些參數如剛度以及阻尼等因素對樁頂速度產生的影響進行了研究。劉東甲通過變換矩陣理論解析針對有多種缺陷的樁基其樁頂速度的影響，并推出了樁基縱向振動時樁基側壁的剪切應力公式，對樁基檢測三維效應而言，國內也進行了相關深入的分析，陳培針對樁基檢測中激振源進行了相關的研究，提出通過增大激振錘的面積進行對樁基三維效應有效規避，陳凡和王仁軍對樁基檢測干擾的情況進行多重分析，包括傳感器的安裝位置，激振力的強度以及樁直徑的大小，得出在樁頂不同位置的干擾波形最小點。隨后整個樁基動測技術在我國快速發展起來，樁基動測行業的相關規范以及樁基動測領域的學術論文都標志著我國樁基動測逐步規范了。由此看來，從上述樁基無損檢測技術發展來看取得了很大進步。但是，由于既有橋梁的樁基其樁徑較大，地下水較多，地下結構復雜，在樁基檢測中，極易產生三維效應，對實際檢測中波形準確判斷帶來諸多影響，而目前針對既有橋梁的樁基檢測技術研究較少，雖然說低應變方法有著不可替代的優勢，但在既有橋梁樁基檢測中還有諸多困難。