桥梁之所以能跨越河流、铁路或道路，是因为其基础能承受巨大负荷，避免了在软泥土中沉陷。
桥梁的本质不仅仅是跨越障碍物，更重要的是在其下方留出空间，以便河流、铁路或道路通过。也许这一点你已经知道了，但桥梁确实是一个独特的结构挑战。在普通道路上，压力直接传递到地面。而在桥梁上，所有的压力都集中到桥墩或桥台上。因此，桥梁的基础是世界上最坚固的工程系统之一。然而，桥梁基础通常建在承载能力最差的地方，比如河流和海洋中的软泥土，这些地方无法承受太大的重量，并且大多数时候这些地方都在水下。
如果在无法承受的泥土上施加过大的重量会发生什么？在工程学中，这被称为承载力失效，但实际上就像踩进泥巴里一样简单——基础会陷入地面。那么，如果你继续增加重量，使其不断下沉会怎样？恭喜你！你刚刚发明了地球上最广泛使用的结构构件之一：基础桩。它们是如何工作的？又是如何在水下安装的？我是Grady，今天我们将深入探讨基础桩。
基础桩是一种相对简单的结构构件，就是一根长杆被打入或钻入地面。然而，这种简单背后是非常复杂的工程。联邦公路管理局关于打入桩基础设计和施工的手册第一卷超过500页，其中有11页是符号，2页是缩写，到第46页才开始介绍内容。稍后，你会看到打入桩的历史。事实上，这段历史已经失传很久了。人类在懂得写作之前就已经在地面上打桩了，而这基本上就是打入桩的全部。
最早的桩是由木材制成的，木材至今仍在全球范围内使用。木桩便宜，能承受打桩力，而且安装简单。但木材会腐烂，其长度受限于树木的大小，且相比其他材料强度较低。混凝土桩解决了许多这些问题。它们有各种尺寸和形状，广泛用于深基础。然而，混凝土桩需要很大才能承受打入地面的力，有些混凝土桩直径可达75厘米。打入如此大的桩需要很大的力，且地面需要压缩或移开一部分土壤来腾出空间。钢桩解决了这个问题，因为它们可以更细长。管桩和H形桩是主要的两种钢桩。不管是什么材料，所有的打入桩都是通过基本相同的方式安装的。
牛顿第三定律适用于桩和其他一切物体。将桩深深打入地面需要一个等量反作用力。你需要一个巨大的重量来利用重力，或者将某种强结构固定在地面上以产生向下的推力。通常我们只使用锤子。通过从高处落下一个相对较小的重量，我们将这个重量的势能转化为动能，打桩时的力被传递到桩上。这很直观，就像用锤子打钉子比用手推钉子容易多了。大多数打桩机使用大锤或振动头来产生所需的力量。
基础的主要目标是保持不动。当你施加负荷时，你希望它能保持原位。幸运的是，桩有两种方法可以做到这一点(至少对于垂直负荷)。第一种是端承桩。桩的端部可以打到坚硬的土层或岩石层，使其能够承受更大的负荷。但并不是所有地方都有坚固的地层。所谓的“基岩”虽然简单，但地质情况比这复杂得多。幸运的是，桩有第二种抗力：摩擦力，也称为轴摩阻。当你打桩时，它会压实周围的土壤，不仅增加了土壤的强度，还在桩壁上产生摩擦力，使其保持原位。桩打得越深，摩擦力越大。让我展示给你看。
我在后院有一根管桩，上面标有刻度。当我从规定高度落下锤子时，桩会被打入一定深度。多次重复这个过程，最终桩会在每次敲击后几乎不再移动。在技术术语中，这称为桩到达拒桩。我可以绘制出每一深度所需的打击次数曲线，很容易看到桩在垂直负荷下变得越来越强。最后，每次敲击桩几乎不再移动。这是打入桩的一个很好的特点，你通过类似最终设计的负荷方式来安装它们。虽然桥梁和建筑物不会敲打它们的基础，但它们确实会施加垂直负荷。打桩承包商协会的口号是“打入桩即测试桩”，因为仅仅通过安装，你就已经验证了它们可以承受一定的力。毕竟，你必须克服这个力才能把它们打入地面。如果你没有看到足够的抗力，在大多数情况下，你只需继续向下打桩直到达到抗力。
但桩不仅仅承受向下的力。结构物还会承受其他方向的负荷。建筑物有来自风的横向负荷。桥梁承受流水、甚至冰块或船只接触桥墩的横向负荷。两者都可能承受由于浮力或强风引起的向上的力。如果你曾打过帐篷钉，你会知道桩能承受各种方向的负荷。还有冲刷作用。桥梁周围的土壤在建成后可能看起来像这样，但经过几次洪水后可能完全不同。工程师必须预测桥梁周围的土壤如何随着时间的推移被冲刷，然后确保设计的基础能够适应这些变化并长期保持强度。这就是为什么桥梁基础有时看起来有些奇怪。负荷从上部结构传递到桥墩。桥墩坐在桩帽上，将负荷分配到桩上。这些桩可以是垂直的，但如果工程师预计会有严重的横向负荷，一些桩通常是倾斜的，称为斜桩。倾斜桩利用轴摩阻，使基础在横向负荷下更强。
尽管打入桩很重要且有益，但它们也有一些限制。首先，安装时噪音大且干扰大。去年，我有两个朋友分别去西雅图旅行，都给我发了同一个打桩操作的视频。很高兴有了解你喜欢建筑的朋友。但我的观点是，这种施工类型几乎无法忽视。在密集的城市地区，大多数人不愿意忍受持续的敲打声。此外，安装时的振动会干扰周围的基础设施。打桩施工很粗糙；在许多情况下，桩的设计不是为了承受建筑物的负荷，而是为了承受安装时的力，这些力要大得多。它们不能轻易穿过坚硬的地质层、卵石或巨石；它们可能会偏离路径，因为你看不见前方；而且它们可能会导致地面隆起，因为你在将桩打入地下时没有移除任何土壤。第二类主要的桩解决了很多这些问题。
你知道吗？联邦公路管理局有一本详细说明——《钻孔桩：施工程序和设计方法》。这本书有747页。钻孔桩的基本过程非常简单。在地面钻一个长洞，放置钢筋，然后用混凝土填满。但桥墩通常安装在水下。在水下浇筑混凝土有点棘手。想象一下在游泳池底部倒奶昔！让我给你展示一下。
这是我车库里的桥梁基础模拟器。它有透明的土壤，使用超吸水聚合物珠子……当然还有蓝色的水。你可以想象在这种土壤中钻孔是多么容易。它会塌陷。我们需要一种方法来保持孔的打开状态，以便安装钢筋和混凝土。因此，在软土或潮湿环境中安装的钻孔桩通常依靠套管来支撑孔壁。安装套管通常在钻孔时进行，跟随钻头向下。我自己试过，但只有两只手，操作起来很不方便。所以，为了演示，我提前将套管推进土壤中。当你在地下安装好钻孔桩后，有时可以将套管拔出，节省每个巨大钢管的费用。在我的演示中，我尝试展示这一过程，虽然不完美，但确实成功了。混凝土密度大，对洞壁的压力足以防止土壤塌陷。由于钻孔桩可以比打入桩更大，有时甚至不需要成群安装。很多结构，包括风力涡轮机、公路标志等，都建在单一钻孔桩基础上，完全不需要桩帽。
钻孔桩的另一个有趣之处是可以扩展底部，增加底部表面积，这有助于减少桩的下沉趋势，也能帮助抵抗提升力。
打入桩和钻孔桩远非唯一的深基础系统。多年来开发了许多变体来解决特定的挑战：连续飞行螺旋桩在基本上一步中完成钻孔和混凝土浇筑，使用空心螺旋钻在移除时填充孔洞，然后将钢筋放入湿混凝土中。你可以用压实的集料代替混凝土填充孔洞，称为石柱或商品名Geopier，如果你只担心压缩负荷。螺旋桩或螺杆桩通过旋转进入地面，而不是被锤击，减少振动和干扰。微型桩像是微型钻孔桩，用于访问受限或地质受限的情况。当然，还有钢板桩，它们不用于基础，但作为打入桩用于创建墙或屏障。如果我忘记提到你最喜欢的桩类型，请告诉我。
尽管它们通常比浅基础强得多，但桩基础也会失败。我们在之前的视频中谈到过旧金山著名的千禧塔。这座高楼建在桩基础上，却下沉导致建筑倾斜。看起来他们现在大致修好了，但每隔一段时间它还会上新闻，只有时间能告诉我们最终结果。2004年，佛罗里达州坦帕市李·罗伊·塞尔蒙高速公路上的一座桥墩在施工期间因复杂的地质情况下沉了11英尺(超过3米)。修复费用达9000万美元，并延迟了项目完工一年。这些案例研究强调了当我们要求地面承受越来越重的负荷时，岩土工程的复杂性。设计深基础所需的科学和技术足以让人花费整个职业生涯来研究，但希望这篇文章能让你对它们的工作原理有一些了解。
本文译自 practical engineering，由 BALI 编辑发布。
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