公路桥梁摩擦桩水平抗剪承载能力不足的外包钢加固方案设计与效果分析

随着公路桥梁建设规模的扩大和交通荷载的不断增加，摩擦桩在桥梁基础中的应用愈加普遍。然而在长期运行中，部分摩擦桩因水平荷载超标或地基条件变化，表现出抗剪承载能力不足的现象，进而威胁到桥梁的安全性与耐久性。如何在不大规模更换或拆除基础的条件下提升其承载能力，成为工程实践中的关键问题。

一、摩擦桩水平抗剪承载不足的成因分析

（一）交通荷载与环境因素导致的水平荷载增大

随着公路桥梁使用年限的增长，交通运输需求持续上升，重载车辆和高频次交通流使桩基长期承受的水平荷载显著增加。车辆高速通过时产生的冲击力和频繁的制动力作用，会在桥梁基础传递过程中不断叠加，导致摩擦桩受力超出设计初期的预估范围。环境因素如季节性温度变化、洪水冲刷和风力作用，也会对桩基造成附加水平力，加剧桩身和土体之间的摩擦不均。特别是洪水期间的水流冲击和漂浮物撞击，会瞬间增加桩基受力，形成局部破坏风险。长期累积的水平荷载增量不仅加速了桩身结构的疲劳破坏，还削弱了整体承载能力，为水平抗剪不足埋下隐患。

（二）桩身材料老化与施工质量不足的影响

摩擦桩在服役过程中因材料性能衰减，容易出现强度下降和抗剪能力不足的问题。混凝土桩体在长期荷载和环境作用下会发生碳化、裂缝扩展及钢筋锈蚀，从而降低桩身刚度与强度。施工环节中的质量问题也会对桩基性能造成深远影响，如混凝土浇筑不密实、钢筋保护层厚度不足以及施工振捣不均匀等，都会形成桩身缺陷，使其在水平荷载作用下易产生局部薄弱点。施工过程中如果桩长与设计不符或垂直度偏差过大，也会导致桩身与土体接触面受力不均，加速水平承载力的衰减。材料老化与施工不足相互叠加，使桩基逐渐失去设计时的抗剪能力储备。

（三）地基土层条件变化对摩擦桩受力性能的削弱

摩擦桩的水平承载性能与地基土层条件紧密相关，土体性质的变化会直接削弱桩基受力表现。地震、地下水位波动或长期荷载作用下，土体结构可能发生密实度下降、孔隙水压力升高等现象，使桩周土摩阻力显著减弱。软弱土层中的蠕变效应会导致桩基侧向位移逐渐增大，从而降低整体抗剪能力。若地基区域存在冲刷或不均匀沉降，也会造成桩周土体支撑条件改变，使桩基受力状态发生偏移，增加桩身弯矩和剪切力。长期环境作用下，土层力学特性的不稳定性使得摩擦桩原有的受力平衡被打破，承载力逐渐下降，进而引发水平抗剪性能不足的工程隐患。

二、外包钢加固方案的设计与效果分析

（一）外包钢构造设计与受力机理探讨

外包钢加固技术的核心在于通过在摩擦桩外侧包覆钢套筒或钢板，形成新的复合受力体系，从而提升桩身的整体刚度和抗剪承载力。在构造设计中，需要根据桩径、桩长以及受力特征合理确定外包钢厚度、连接方式和加固长度。钢套筒与桩身之间通常通过环向焊缝、螺栓或灌浆材料实现紧密结合，使受力能够均匀传递。受力机理上，外包钢承担部分水平荷载并分散至桩身表面，减小局部应力集中现象，同时提高桩体抗弯刚度，延缓裂缝扩展与变形发展。外包钢与桩身之间形成的复合截面增强了整体受力性能，使桩体在复杂荷载条件下能够保持较高稳定性和安全性。这一设计理念强调钢材与混凝土的协同作用，以充分发挥两种材料的互补特性。

（二）外包钢加固施工工艺与质量控制要点

外包钢加固施工工艺直接决定加固效果与耐久性。施工过程中，需首先对桩身表面进行凿除与清理，确保外包钢与桩体之间形成良好结合。钢套筒的加工必须满足设计精度要求，避免因尺寸偏差导致安装困难或受力不均。安装时通过分段拼装与现场焊接完成闭合结构，并辅以灌浆填充空隙，以提高整体密实度和防腐蚀性能。施工质量控制环节应重点监控焊缝完整性、钢板平整度及灌浆密实性，避免出现渗水、锈蚀或脱空现象。为保证长期效果，还需在施工后增加防腐涂层或阴极保护措施，延长钢构件使用寿命。施工工艺的规范化和质量控制的严格执行，能够确保外包钢加固发挥预期作用，并有效降低后期维护难度。

（三）外包钢加固后摩擦桩水平承载性能提升效果

外包钢加固能够显著提升摩擦桩的水平抗剪承载力，其效果主要体现在承载力提升、变形控制和延性改善等方面。通过钢套筒的外包，桩身刚度显著增加，使得桩体在承受水平荷载时产生的侧向位移明显减小。钢材的高强度特性使其能够分担部分弯矩和剪力，从而减轻混凝土受力压力，有效抑制裂缝发展与疲劳破坏。在受力极限状态下，加固桩表现出更高的延性和破坏前的警示性，避免了脆性失效带来的风险。工程实践表明，经过外包钢加固的桩基，其水平极限承载力可提升 20% 至 40% ，具体数值与钢套厚度、加固范围及土层条件相关。这一提升不仅增强了桥梁基础的安全性，也延长了整体结构的使用寿命。

（四）外包钢加固方案的适用范围与局限性分析

外包钢加固方案适用于多种情况，包括因交通荷载增加导致的桩基水平承载力不足、桩身材料老化导致的强度衰减以及软弱地基中桩周土摩阻力下降等情形。其施工便捷性和适用性使其能够在不大规模破坏原有结构的情况下实现快速加固。然而该方案也存在一定局限性。对于桩径过小或周边施工空间不足的场地，外包钢安装存在困难。对于严重腐蚀或结构破坏严重的桩体，仅靠外包钢难以恢复其整体性能。此外，外包钢材料与灌浆层在长期服役中存在耐久性问题，若防护措施不到位，钢材可能出现腐蚀，影响加固效果。因此在应用时应结合具体工程条件与环境因素进行综合评估，避免盲目采用。

三、结束语

摩擦桩水平抗剪承载能力不足是公路桥梁运行中不可忽视的隐患问题，外包钢加固技术以其简便施工和显著提升承载性能的优势，为问题的解决提供了有效途径。通过合理的设计、规范的施工和严格的质量控制，能够显著提高桩基水平承载力，增强桥梁整体稳定性。该方法在不同地质与荷载条件下均展现出良好的适应性，但也需结合具体工程特征进行优化选择。未来研究应进一步完善外包钢加固的设计方法和性能评价体系，为桥梁加固提供更加系统的理论支撑与工程经验积累。

参考文献：

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作者简介：赵瑞林，(1991.11- ), 男，汉, 人，本科学历，长安大学工程力学专业，桥梁工程中级职称 。研究方向：桥梁工程。