1.2 桥梁桩基础的主要类型
桩基础是一种重要的基础结构型式，其承载力高，沉降均匀，用料少，机械化程度高，这些特点使其受到了广泛的关注，应用于各种建筑工程中。桩基的使用历史悠久，在长期的工程实践中，发展形成诸多的种类。可根据不同依据划分成不同类别，如可根据桩基的材料、桩基成型方法、工艺，桩身制作方法（预制桩基、现场钻孔灌注）、直径截面形状、桩端土体性状、扩底情况、自由端固结情况及桩基受力特性（竖向承载性状、水平向承载情况）来划分。此外，还可以根据桩基的截面形状，桩基在水平方向的受力情况，桩基打入后的挤土情况等来进行划分。
1.2.1 按承载性状分类
按照桩基具有的承载性状以及在使用过程中的受力情况，可以将桩基大致分为两大类型：摩擦型和端承型。此外在每个大类中，又可以细分为两个子类。
（1）摩擦型桩。
1）摩擦桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩侧阻力承受，桩端阻力小到可忽略不计。摩擦桩应满足如下条件：①桩基长度和直径比值较大，长径比较大，桩基顶面在顺向集中荷载作用下，桩基周围土体相对对桩体发生相对位移形成桩身侧摩阻力，而桩端几乎不产生端阻力；②位于桩基底部的阻力层和位于桩端之下的持力层，均不能过于坚硬；③桩基底部允许留有少量虚土或钻孔沉渣等不利因素的灌注桩；桩底残留虚土或沉渣的灌注桩；④桩基底部由于打入预制桩身出现假象承载力极限而导致打入到底部的桩基脱空，从而导致桩端存在脱空现象。
2）端承摩擦桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受。端承摩擦桩应满足如下条件：①长径比，即桩基的长度与其直径之比较小；②竖向荷载由桩基的桩端阻力和桩侧阻力共同承担；③桩端阻力起主要承载作用，桩侧阻力承载较小，但是并不能忽视桩侧阻力的存在。通常，端承摩擦桩所在的位置一般都与岩石、碎石相接处，属于中密度地层。
（2）端承型桩。
1）端承桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载由桩端阻力承受，桩侧阻力小到可忽略不计。端承型桩基必须具备的条件包括：①纯端承型桩基的长径比较小；②桩基的桩端部分一般都位于比较坚硬结实的土层当中；③桩端阻力起到了绝大部分的作用，桩侧阻力几乎不承担荷载，可以忽略不计。
2）摩擦端承桩：在承载能力极限状态下，桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受。摩擦端承型桩基必须具备的条件包括：①桩基深入土层的位置与纯端承型不同，主要表现在其桩端位于坚硬结实的土层当中，桩身主要处于基岩层中；②桩端阻力承担大部分荷载，但是，桩侧阻力也起到了一定承担荷载的作用，不可忽略。
值得一提的是，在桩基的工程应用过程当中，摩擦桩与端承桩都不是一成不变的，在桩端所承受荷载不断加大的过程中，二者可以实现相互之间的转化。比如，在最初的时候，荷载较小，此时桩基类型为摩擦桩，其桩基顶端的荷载主要由桩侧阻力来承担。当桩顶荷载不断加大时，桩侧阻力不足以承担，就需要桩端阻力来承担。这时候，摩擦桩转化为端承桩。在这个过程中，分别出现了端承型摩擦桩以及摩擦型端承桩。纯摩擦桩或纯端承桩，只是理论上的一种假定状态，在工程实践中几乎不存在。
1.2.2 按施工方法分类
根据桩基的施工过程中所使用的施工方法的不同，可以将桩基划分为两大类，即预制桩和灌注桩。
（1）预制桩。
预制桩，即先将桩基预先制作出来，运到施工现场，然后使用自由落锤、振动锤等沉桩设备将桩基打入土层，以实现应用。目前建筑行业内使用的预制桩通常为混凝土预制桩以及钢预制桩，木预制桩由于其荷载能力有限，已经很少被采用。由于混凝土预制桩承载能力较其他材料大，而且还具有坚固耐久的特点，施工速度比其他材料的预制桩快，因此目前混凝土预制桩是建筑行业使用最多的桩基之一。混凝土预制桩的优点明显，缺点也同样存在，在施工过程中，混凝土预制桩会对周边的土层结构环境造成很大的影响。因此，钢预制桩也是一种选择。
（2）灌注桩。
灌注桩，即在需要使用桩基的地方进行土层钻孔，将要灌注的桩基形状的钢筋笼放在钻好的孔里，然后，灌注混凝土等桩基材料，从而自然形成桩基，省去了预制桩打入地层的过程。灌注桩根据施工工艺的不同可以划分成如下几类：
1）沉管灌注桩。
沉管灌注桩的沉桩方法有两种，一种是利用振动方法，另外一种是利用锤击方法。无论是哪种方法，都是需要先将钢管套振入或者是打入土层中，形成一定的桩孔，然后将灌注桩所需要的钢筋笼放入桩孔，再浇筑混凝土。在浇筑混凝土的过程中，混凝土浇筑和钢管套拔出，需要同时进行，并且需要掌握好时机。如果拔出钢管过快，则容易导致桩身缩小。此外，沉管灌注桩有一个特点，即其入土深入有一定的限制，不可过深，这主要是因为钢管套自身的强度有限，如果一味追求入土深度，而忽略其强度，会使得钢管套断裂。沉管灌注桩一般适用于黏土、砂性土、塑性土、粉土、碎卵石类土地基。
2）钻孔灌注桩。
钻孔灌注桩与沉管灌注桩所使用的设备不同，其打孔使用专业化设备——钻孔机械进行，其他的过程，如在孔中放入钢筋笼，以及浇灌混凝土均与沉管灌注桩一致。钻孔灌注桩，根据钻孔机械钻孔的方式不同，又可细分为两种，即循环钻进成孔桩以及大孔径冲击钻进成孔桩。钻孔灌注桩具有诸多优点：①在施工的过程中，钻孔不会给周围土地环境造成影响，不会导致地表的土层隆起或者移动；②与沉管灌注桩不同，钻孔灌注桩没有土层深度限制；③由于使用专业钻孔机械来进行打孔，所以其打孔的质量、速度都能够得到良好的保障，并且在打孔过程中，即使地表有水层，也不耽误其钻孔工作；④操作简单，这主要归因于机械化操作，对施工周围环境要求极低。钻孔灌注桩适应于各种砂、黏性土、碎、卵石类土层和岩层等。当遇到施工较困难的大量泥、砂流或存在承压水的地基，施工前应做试桩以获取经验。
3）人工挖孔灌注桩。
人工挖孔灌注桩，即打孔的过程采用人工挖掘的方式来完成，其他方面与前两种灌注桩一致。人工挖孔，其孔的质量易于保证，同时由于其使用的机械设备十分简单，所以其造价也是三种方法中最低的，此外人工挖孔灌注桩在挖孔期间，噪音小，打好的孔，检查起来非常直观方便。但这种打孔方式也有其致命的弊端，即劳动作业环境恶劣，并且作业条件差。尤其是工人的人身安全危险系数相对较高，因此，采用人工挖孔灌注桩时，首先要做好相应的护壁措施，以保证不会发生孔壁的坍塌而造成人员伤亡。一般适用于在没有水或渗水量非常小的地层，对于较厚的软黏土层地基不适用。
另外，桩基础按使用功能可分为竖向抗压桩、抗拔桩、横向受荷桩、组合受荷桩；按桩身材料可分为木桩、钢桩、混凝土桩以及组合桩；按桩的设置效应可分为非挤土桩、部分挤土桩、挤土桩；按常用的成桩方法可分为压入桩和灌注桩（沉管灌注桩、钻孔灌注桩、冲孔灌注桩、人工或机械挖孔桩）；按桩的刚度不同分为柔性桩（a≥2.5）和刚性桩（a≤2.5）；按桩的数量分为单桩基础和群桩基础；按桩的轴向截面不同分为普通桩和变截面桩（如ZKKPJ扩盘桩、DX挤扩桩等）；按桩径分为小桩（d<250mm）、中等直径桩（250mm≤d≤800mm）和大直径桩（d>800mm）；按桩的长度可分为短桩和长桩，一般来说，桩长l>30m称为长桩，10m≤l≤30m称为中长桩，l<10m称为短桩。
1.2.3 桩基竖向极限承载力定义
桩基竖向承载的工作原理：桩顶竖向荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受，桩侧阻力承担的荷载以剪应力形式传递给桩周土体，桩端阻力则由桩底的工程性质较好的持力层提供，不过一般来说桩侧阻力的发挥先于桩端阻力。桩周土体和桩端持力层因为承受桩侧荷载和桩端荷载而压缩（含部分剪切应变），并由此产生沉降。
桩基的竖向承载力主要取决于地基土对桩的支承能力和桩身的材料强度。一般情况下，桩的承载力由地基土的支承能力所控制，材料强度往往不能充分发挥，只有对端承、超长桩以及桩身有缺陷的桩，桩身材料强度才起控制作用。此外，当桩的入土深度较大、桩周土质软弱且比较均匀、桩端沉降量较大，尤其是高层建筑或对沉降有特殊要求的大跨桥梁时，还应考虑桩的竖向沉降量，按上部结构对沉降的要求来确定单桩竖向承载力。
静荷载试验是评价单桩竖向极限承载力的可靠方法，也是宏观评价桩的变形和破坏性状的依据，规范要求对一级建筑物，必须通过静载荷试验。静载试验所得到的荷载-沉降曲线（Q-s）的形态随桩侧和桩端土层的分布与性质、成桩工艺、桩的形状和尺寸（桩径、桩长及比值）、应力历史等诸多因素而变化，大致可分为“陡降型”和“缓变型”，如图1.2.1所示。根据Q-s曲线特性，采用下述方法确定单桩竖向极限承载力Qu。
（1）根据沉降随荷载的变化特征。
图1.2.1 单桩静载试验曲线
1—陡降型；2—缓变型
如图1.2.1（a）中曲线1所示，对于陡降型Q-s曲线，其极限承载力即为与破坏荷载相对应的发生明显陡降的起始点荷载，该方法的缺点时作图比例将影响Q-s曲线的斜率和所选择的Qu，一般取横竖比例2∶3作为作图比例。对于曲线2形式的缓变型Q-s曲线，其拐点不明显，国外多采用切线交汇法，即取Δs/ΔQ-Q曲线的第二拐点；或者s-lgt（t为加载历程）曲线尾部明显弯曲的前一级荷载为极限承载力；或者lgs-lgQ第二直线交会点荷载为极限承载力，大多数情况下，宜综合考虑各种因素后判定取值。
（2）根据沉降量。
对于缓变型Q-s的单桩，可按控制沉降量确定其极限承载力。一般根据上部结构类型和对沉降的敏感程度取某一沉降值所对应的荷载为极限承载力，通常该极限沉降值通常取40～60mm；对于大直径桩，桩径的3%～6%；对于细长桩（l/d>80），可取60～80mm。测出每根试桩的极限承载力后，可统计确定单桩竖向承载力的标准值Quk。
1.2.4 影响单桩竖向承载力的因素
（1）桩侧土的性质与土层分布。
桩侧土的强度与变形性质影响桩侧阻力的发挥，从而影响单桩承载力的性状与大小。桩侧土的某些特性，如湿陷性、胀缩性、可液化性、欠固结等，将在一定条件下引起桩侧阻力降低，甚至出现负摩阻力，从而使单桩承载力显著降低。
桩侧土层的分布影响单桩的承载力。如湿陷性土、可液化土、欠固结土层分布于桩身下部，则这些土层的沉降而产生负摩阻力的中性点的深度大于这些土层分布于桩身上部的情况，从而使单桩所受下拉荷载增加，承载力降幅增大。软硬土层、黏性土层与非黏性土层分布的相对位置也会影响侧阻力的发挥特性。
（2）桩端土层的性质。
桩端持力层的类别与性质直接影响桩端阻力的大小和沉降量。低压缩性、高强度的砂、砾岩层是理想的具有高端阻力的持力层。特别是桩端进入砂、砾层的挤土桩，可获得很高的端阻力。高压缩性、低强度的软土几乎不可能提供桩端阻力，并导致桩发生突发性破坏（即陡降型Q-s曲线），桩的沉降量和沉降的时间效应显著增加。
（3）桩的几何特征。
桩的总侧阻力与其表面积成正比，因此，提高桩的承载力，可采用较大比表面积（表面积与桩身体积之比）的桩身几何外形。为提高总桩的端阻力，一般采用钻扩、挖扩、夯扩等扩底桩。
桩的直径、长度及其比值（l/d）是影响侧阻力和端阻力的主要因素之一。相同的底层环境，采取不同的长径比，或相同的材料用量，采取不同的桩径、桩长，获得的单桩承载力一般都将有所差异。
（4）成桩质量。
挤土桩、非挤土桩、部分挤土桩三大类成桩工艺的成桩效应是不同的。成桩效应影响桩的承载力及其随时间的变化。一般说来，饱和土的成桩效应大于非饱和土的成桩效应，群桩大于单桩的成桩效应。
各类成桩工艺的质量稳定性也是不同的，如预制桩的质量稳定性高于灌注桩，灌注桩中干作业的质量稳定性高于泥浆护壁作业，挖孔桩的质量稳定性高于机械作业桩。
1.2.5 国内外研究现状
迄今为止，基桩动测技术应经在建筑检测领域中得到了广泛的应用，经过多年的发展，应经成为建筑无损检测中的主要方法。其实在古代就已经学会利用声波对物体进行检测，通过敲击物体的方法来判断物体的密度，质量以及是否有缺陷。现代利用声波对桩基进行无损检测追应该溯到1949年，加拿大LeSlide和Cheesman开创了这一领域。随后英国的Jones在测量相关声波的波速，以及研究混凝土强度与声波波速之间的关系取得了很大的成就。1931年D.V.Isaac首次提出了桩体振动产生的声波对桩基本身内力的影响，并在一维波动方程引入了反应桩周土体的摩擦阻力参数C得，如式1.2.1所示。
但其由于边界条件较为复杂不能应用于工程实际。
1950年，EA.Smith对桩锤-桩-土体系建立了一系列用弹簧以及阻尼器构成的数学模型，并且深入探讨了声波理论在桩基检测过程的运用。1975年美国G.G.Goble领导的研究小组针对群桩的声波检测技术进行理论研究，并在诸多假设的前提下，提出了波动方程的一个准封闭解Case法。20世纪60年代史密斯研究并发表了关于《桩基波动分析方程法》，这一著名论文，从而带动桩基检测技术迈向工程实践。20世纪70年代，荷兰To mer根据多年的技术经验和多年的桩基检测理论开发了通莫静载测桩法。20世纪90年代初左右，针对桥梁桩基检测技术采用的是声波透射法进行抽检，其主要是根据声学原理进行分析，主要是通过在桥墩进行锤基，然后通过仪器测量声波在桩基混凝土中的特点，根据声波理论进行分析，粗略判断桩基混凝土本身的质量，首次将声波脉冲技术应用于桩基检测的是英国的琼斯。
直到20世纪60年代，H.Rusch.A.T.Green等人开始对声波在混凝土传播的声法理论进行了研究，取得了一定的研究成果，随后，随着声波检测的不断发展，英国、瑞典、荷兰、加拿大等纷纷研制出新的桩基检测设备和改进桩基检测技术。在桩基无损检测理论研究上，Novak通过对桩基在简谐激振力作用下，桩基振动的相关动力特性的研究，并推出了桩基周围土体对桩基振动影响的表达公式。而Militan则采用积分变换的方法研究桥梁桩基在轴向激振力作用下的动力响应。Koten Hvan等人研究桩基在瞬态轴向激振力作用下，桩基瞬态振动的解析公式，其前提条件是桩基是等截面均匀杆件，桩基周围土体是均匀的。20世纪70年代末到20世纪80年代中期，关于桩基无损检测的仪器都陆续出现。
我国对桩基无损检测技术的研究发展较晚，20世纪80年代，天津建筑科学研究院率先研制出了具有当时较高水平的“自动化”静载测试仪。21世纪以后，武汉建科科技有限公司先后推出了ST 1000型静载测试仪和ST 2000型静载测试仪实现了在一种型号仪器内多种测试方法并存的无线数据采集系统。20世纪50年代，由我国同济大学教授魏墨庵开始对声波无损检测技术在混凝土的应用进行研究，1972年，湖南大学周光龙开始对动测声波技术在桩基无损检测中的应用进行研究，1978年唐念慈通过对渤海平台试桩过程中进行研究，并利用声波理论进行分析，编制了程序，取得了许多桩基动测与静测之间的资料。雷林源通过分离变化的方法，对均质土层下完整桩的瞬态响应的动力特性作了深入的研究。王奎华也是通过分离变量的方法针对桩基周围土体的一些参数如刚度以及阻尼等因素对桩顶速度产生的影响进行了研究。刘东甲通过变换矩阵理论解析针对有多种缺陷的桩基其桩顶速度的影响，并推出了桩基纵向振动时桩基侧壁的剪切应力公式，对桩基检测三维效应而言，国内也进行了相关深入的分析，陈培针对桩基检测中激振源进行了相关的研究，提出通过增大激振锤的面积进行对桩基三维效应有效规避，陈凡和王仁军对桩基检测干扰的情况进行多重分析，包括传感器的安装位置，激振力的强度以及桩直径的大小，得出在桩顶不同位置的干扰波形最小点。随后整个桩基动测技术在我国快速发展起来，桩基动测行业的相关规范以及桩基动测领域的学术论文都标志着我国桩基动测逐步规范了。由此看来，从上述桩基无损检测技术发展来看取得了很大进步。但是，由于既有桥梁的桩基其桩径较大，地下水较多，地下结构复杂，在桩基检测中，极易产生三维效应，对实际检测中波形准确判断带来诸多影响，而目前针对既有桥梁的桩基检测技术研究较少，虽然说低应变方法有着不可替代的优势，但在既有桥梁桩基检测中还有诸多困难。