二級(jí)注冊(cè)建筑師|樁身承載力的幾個(gè)問題

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0 引言

一般情況下，抗壓樁的承載力由單樁豎向承載力特征值Ra控制，此時(shí)樁身承載力計(jì)算錯(cuò)誤不影響結(jié)構(gòu)安全，但當(dāng)樁的承載力由樁身承載力控制(當(dāng)樁較長、采用后注漿技術(shù)等使樁的承載力較大，或持力層為硬質(zhì)巖的嵌巖樁，樁的承載力可能由樁身承載力控制)時(shí)，如果樁身承載力計(jì)算錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)采用的樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)偏低，不僅影響結(jié)構(gòu)安全，還有可能出現(xiàn)靜載試驗(yàn)(管樁靜壓施工)時(shí)樁身破壞。樁基規(guī)范第5.8.2~第5.8.3條條文說明通過分析得出如下結(jié)論：當(dāng)樁身承載力滿足樁基規(guī)范第5.8.2條規(guī)定時(shí)，在靜載試驗(yàn)加載量達(dá)到2Ra時(shí)樁身不會(huì)壓壞。但如果樁身承載力計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致樁身承載力不足，則在靜載試驗(yàn)加載量達(dá)到2Ra時(shí)樁身可能被壓壞。因此，當(dāng)樁的承載力由樁身承載力控制時(shí)，正確計(jì)算樁身承載力非常重要。

1、有關(guān)規(guī)范對(duì)樁身受壓承載力計(jì)算的規(guī)定

(1)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)(簡(jiǎn)稱地基規(guī)范 )規(guī)定如下：

(2)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)(簡(jiǎn)稱樁基規(guī)范)規(guī)定如下：

2、地基規(guī)范第8.5.11條與樁基規(guī)范第5.8.2條規(guī)定的比較

(1)是否考慮樁身縱筋的抗壓作用

1)地基規(guī)范第8.5.11條規(guī)定，當(dāng)樁頂以下5倍樁身直徑范圍內(nèi)螺旋式箍筋間距不大于100mm，且鋼筋耐久性得到保證的灌注樁，可適當(dāng)計(jì)入樁身縱筋的抗壓作用(規(guī)范沒有給出具體計(jì)算公式)。對(duì)于預(yù)制樁，任何情況下都不考慮樁身縱筋的抗壓作用。

2)樁基規(guī)范第5.8.2條第1款規(guī)定，當(dāng)樁頂以下5倍樁身直徑范圍內(nèi)螺旋式箍筋間距不大于100mm，且滿足樁基規(guī)范第4.1.1條規(guī)定時(shí)，可計(jì)入樁身縱筋的抗壓作用，按樁基規(guī)范式(5.8.2-1)計(jì)算。

(2)不考慮樁身縱筋的抗壓作用時(shí)樁身承載力比較地基規(guī)范第8.5.11條式(8.5.11)與樁基規(guī)范第5.8.2條式(5.8.2-2)均未考慮樁身縱向鋼筋抗壓，但系數(shù)Ψc相差較大，前者對(duì)于預(yù)制樁Ψc為0.65~0.75，灌注樁Ψc為0.6~0.8;后者對(duì)于預(yù)制樁Ψc為0.85，灌注樁Ψc為0.6~0.9。也就是說，前者取值比后者小。因此，按地基規(guī)范第8.5.11條式(8.5.11)計(jì)算樁身承載力比按樁基規(guī)范第5.8.2條式(5.8.2-2)計(jì)算樁身承載力小，偏于安全。例如，對(duì)深度不大的人工挖孔樁，按地基規(guī)范第8.5.11條式(8.5.11)計(jì)算樁身承載力比按樁基規(guī)范第5.8.2條式(5.8.2-2)計(jì)算樁身承載力約小11%;對(duì)深度較大、樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于C35的水下灌注嵌巖樁，按地基規(guī)范第8.5.11條式(8.5.11)計(jì)算樁身承載力比按樁基規(guī)范第5.8.2條式(5.8.2-2)計(jì)算樁身承載力約小14%~25%。

3、 哪些情況下需進(jìn)行樁身壓屈計(jì)算問題

(1) 樁基規(guī)范第3.1.3條第2款規(guī)定：“對(duì)于樁側(cè)土不排水抗剪強(qiáng)度小于10kPa、且長徑比大于50的樁應(yīng)進(jìn)行樁身壓屈驗(yàn)算”。該規(guī)定在樁基規(guī)范JGJ94-94(老規(guī)范)第3.3.4.1條第(2)款中表述為“極限承載力小于50KPa(或不排水抗剪強(qiáng)度小于10KPa)土層中細(xì)長樁尚應(yīng)進(jìn)行樁身壓屈計(jì)算”。因此，樁基規(guī)范第3.1.3條第2款中“樁側(cè)土不排水抗剪強(qiáng)度小于10KPa”是指“極限承載力小于50KPa”土層，即fak<25KPa的土層;“長徑比大于50的樁”是對(duì)樁基規(guī)范JGJ94-94(老規(guī)范)第3.3.4.1條第(2)款中“細(xì)長樁”的進(jìn)一步量化。

(2) 樁基規(guī)范第5.8.4條規(guī)定，計(jì)算軸心受壓混凝土樁樁身承載力時(shí)，一般取穩(wěn)定系數(shù)為1.0(即一般情況下不需進(jìn)行壓屈驗(yàn)算)，但對(duì)于高承臺(tái)基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強(qiáng)度小于10Pka(fak<25KPa)的軟弱土層的基樁，應(yīng)考慮壓屈影響，按樁基規(guī)范第5.8.4條進(jìn)行壓屈計(jì)算。需要注意的是，樁基規(guī)范第5.8.4條“注：3”規(guī)定了樁側(cè)有厚度為di的液化土層時(shí)，樁露出地面長度l0和樁的入土長度h的調(diào)整方法，但有些樁基規(guī)范(如筆者的2008年8月第一版2008年8月第一次印刷的規(guī)范)沒有規(guī)定樁周存在不排水抗剪強(qiáng)度小于10KPa(fak<25Kpa)土層時(shí)，樁露出地面長度l0和樁的入土長度h的調(diào)整方法;而有些樁基規(guī)范(如2008年8月第一版2009年7月第五次印刷的規(guī)范)則有“注：4 當(dāng)存在fak<25KPa的軟弱土層時(shí)，按液化土處理”的規(guī)定，即當(dāng)樁周存在不排水抗剪強(qiáng)度小于10KPa(fak<25Kpa)的軟弱土層時(shí)，樁露出地面長度l0和樁的入土長度h的調(diào)整方法與液化土相同。

4、 偏心受壓混凝土樁正截面受壓承載力計(jì)算

(1)計(jì)算方法當(dāng)樁頂承受偏心荷載時(shí)(即樁頂同時(shí)承受軸向力N和彎矩M)，樁身承載力計(jì)算不能采用地基規(guī)范第8.5.11條和樁基規(guī)范第5.8.2條計(jì)算，而應(yīng)按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010進(jìn)行樁正截面受壓承載力驗(yàn)算。樁基規(guī)范第5.8.5條規(guī)定，一般情況下“可不考慮偏心距的增大影響，但對(duì)于高承臺(tái)基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強(qiáng)度小于 10kPa 的軟弱土層的基樁，應(yīng)考慮樁身在彎矩作用平面內(nèi)的撓曲對(duì)軸向力偏心距的影響，應(yīng)將軸向力對(duì)截面重心的初始偏心矩ei乘以偏心矩增大系數(shù)η，偏心距增大系數(shù)η的具體計(jì)算方法可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010 執(zhí)行”。需要注意的是，這里的“應(yīng)將軸向力對(duì)截面重心的初始偏心距ei乘以偏心距增大系數(shù)η”是按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002(老規(guī)范)第7.3.4條、第7.3.10條規(guī)定的。按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010第6.2.4條，“應(yīng)將軸向力對(duì)截面重心的初始偏心距ei乘以偏心距增大系數(shù)η”應(yīng)改為“應(yīng)將樁頂承受的彎矩M乘以彎矩增大系數(shù)ηns”。

(2)哪些情況下需進(jìn)行偏心受壓樁承載力計(jì)算

多樁承臺(tái)的基樁一般只承受軸心豎向壓力，不考慮其承受彎矩，但單樁承臺(tái)下的基樁或兩樁(三樁)承臺(tái)的基樁在垂直承臺(tái)方向承擔(dān)彎矩。如果未設(shè)承臺(tái)梁，單樁承臺(tái)的基樁承擔(dān)的彎矩等于柱底彎矩，兩樁(或三樁)承臺(tái)的每個(gè)基樁在垂直承臺(tái)方向承擔(dān)的彎矩為柱底彎矩的1/2(或1/3)，同時(shí)承臺(tái)承擔(dān)扭矩;如果設(shè)置承臺(tái)梁，承臺(tái)梁分擔(dān)部分彎矩，基樁承擔(dān)的彎矩將減小，承臺(tái)梁越高、跨度越小，承臺(tái)梁分擔(dān)的彎矩越大，基樁承擔(dān)的彎矩越小，對(duì)基樁越有利。因此，未設(shè)置承臺(tái)梁或設(shè)置承臺(tái)梁但承臺(tái)梁高度較小、跨度較大時(shí)，單樁承臺(tái)的基樁及兩樁(或三樁)承臺(tái)基樁在垂直承臺(tái)方向應(yīng)按承受的彎矩M和軸向力N進(jìn)行正截面承載力驗(yàn)算，且對(duì)于高承臺(tái)基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強(qiáng)度小于10PKa(fak<25Kpa)的軟弱土層的基樁，還應(yīng)考慮偏心距的增大影響，即將樁頂承受的彎矩M乘以彎矩增大系數(shù)ηns。

5、 考慮負(fù)摩阻力的樁樁身受壓承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮下拉荷載

一般樁身軸力最大處在樁頂，但承受負(fù)摩阻力的樁樁身軸力最大處在中性點(diǎn)位置。因此，按地基規(guī)范式(8.5.11)計(jì)算時(shí)，式中“Q”應(yīng)改為“Q+Qgn”;按樁基規(guī)范式(5.8.2-1)、式(5.8.2-2)計(jì)算時(shí)，式中“N”應(yīng)改為“N+Qgn”。其中Qgn為考慮負(fù)摩阻力引起基樁的下拉荷載，按樁基規(guī)范第5.4.4條計(jì)算。需要注意的是，由于樁基規(guī)范第5.4.4條式(5.4.4-3)計(jì)算基樁的下拉荷載Qgn時(shí)，采用的第i層土樁側(cè)負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsin最大值是按極限正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值控制的，因此，不需再乘以放大系數(shù)(荷載分項(xiàng)系數(shù))。當(dāng)樁頂為偏心受壓時(shí)，由于彎矩最大位置在樁頂截面，而軸力最大位置在中性點(diǎn)截面，此時(shí)應(yīng)考慮樁側(cè)土體對(duì)樁身的約束作用計(jì)算出中性點(diǎn)截面的彎矩，然后按照樁頂截面和中性點(diǎn)截面分別進(jìn)行樁身正截面承載力計(jì)算。但這樣計(jì)算很麻煩，建議也可偏于保守地將中性點(diǎn)截面的樁身軸力作用在樁頂進(jìn)行樁身正截面承載力計(jì)算。

6、 樁身受壓承載力計(jì)算方法討論

正確的樁身承載力計(jì)算方法是取承臺(tái)下最大基樁豎向力設(shè)計(jì)值Nmax進(jìn)行計(jì)算。例如，在樁頂以下5倍樁身直徑范圍內(nèi)螺旋式箍筋間距不大于100mm，且滿足樁基規(guī)范第4.1.1條規(guī)定時(shí)，應(yīng)滿足Nmax≤ΨcfcAps+0.9f’yA’s。但筆者在圖紙審查中發(fā)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)人員采用以下方法進(jìn)行計(jì)算：(1)按地質(zhì)報(bào)告提供的各土層樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik、樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk(對(duì)于嵌巖樁為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk)計(jì)算單樁豎向承載力特征值Ra’;(2)按照樁基規(guī)范式(5.8.2-1)右邊ΨcfcAps+0.9f’yA’s 計(jì)算樁身承載力設(shè)計(jì)值，再除以1.35變成標(biāo)準(zhǔn)值(對(duì)應(yīng)單樁豎向承載力特征值);(3)最終的單樁豎向承載力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/1.35的較小值。其實(shí)這種計(jì)算方法不一定準(zhǔn)確，分析如下：當(dāng)樁承臺(tái)承受軸心豎向力時(shí)，要求每根樁承受的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值Nk≤Ra;當(dāng)樁承臺(tái)承受偏心豎向力時(shí)，要求最大基樁豎向力標(biāo)準(zhǔn)值Nkmax≤1.2Ra。也就是說，按單樁豎向承載力特征值Ra設(shè)計(jì)的樁，承擔(dān)的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值有可能達(dá)到1.2Ra，因此，應(yīng)按照1.2Rax1.35去驗(yàn)算樁身承載力。反過來，也就是(3)應(yīng)改為“最終的單樁豎向承載力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/(1.35x1.2)的較小值”。即便如此，該方法仍為近似計(jì)算。因?yàn)?，一來Nkmax=(1.0~1.2)Ra，不一定正好是Nkmax=1.2Ra;二來作用在樁頂?shù)呢Q向力設(shè)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)值之間不一定是1.35倍的關(guān)系。當(dāng)然，以前永久荷載和活荷載分項(xiàng)系數(shù)分別為1.2和1.4時(shí)，規(guī)定樁頂?shù)呢Q向力設(shè)計(jì)值是標(biāo)準(zhǔn)值的1.35倍是偏于安全的(實(shí)際上樁頂?shù)呢Q向力設(shè)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值一般在1.25~1.35之間)，最終的單樁豎向承載力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/(1.35x1.2)的較小值也是偏于安全的。但現(xiàn)在永久荷載和活荷載分項(xiàng)系數(shù)已經(jīng)分別改為1.3和1.5，樁頂?shù)呢Q向力設(shè)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值目前還沒有規(guī)定，但可以肯定的是比1.35大。因此，現(xiàn)在采用最終的單樁豎向承載力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/(1.35x1.2)的較小值的方法不一定安全。

7、結(jié)論

(1)樁身抗壓承載力可采用地基規(guī)范第8.5.11條計(jì)算，也可采用樁基規(guī)范第8.5.2條計(jì)算，前者比后者偏于安全。(2)高承臺(tái)基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強(qiáng)度小于10Pka(fak<25KPa)的軟弱土層的基樁，應(yīng)考慮壓屈影響，按樁基規(guī)范第5.8.4條進(jìn)行壓屈計(jì)算;其他情況下，不需進(jìn)行壓屈計(jì)算。(3)當(dāng)樁頂承受偏心荷載時(shí)(即樁頂同時(shí)承受軸向力N和彎矩M)，樁身承載力計(jì)算不能采用地基規(guī)范第8.5.11條和樁基規(guī)范第5.8.2條計(jì)算，而應(yīng)按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010進(jìn)行樁正截面受壓承載力計(jì)算。對(duì)于高承臺(tái)基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強(qiáng)度小于10Pka(fak<25KPa)的軟弱土層的基樁，還應(yīng)考慮偏心距的增大影響，即將樁頂承受的彎矩M乘以彎矩增大系數(shù)ηns;其他情況下，不需考慮偏心距的增大影響。

(4)考慮負(fù)摩阻力的樁樁身受壓承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮下拉荷載。

(5)正確的樁身承載力計(jì)算方法是取承臺(tái)下最大基樁豎向力設(shè)計(jì)值Nmax進(jìn)行計(jì)算。例如，在樁頂以下5倍樁身直徑范圍內(nèi)螺旋式箍筋間距不大于100mm，且滿足樁基規(guī)范第4.1.1條規(guī)定時(shí)，應(yīng)滿足Nmax≤ΨcfcAps+0.9f’yA’s。

(6)以下計(jì)算樁身承載力的方法是錯(cuò)誤的：先計(jì)算出單樁豎向承載力特征值，再計(jì)算出樁身承載力設(shè)計(jì)值，除以1.35后換算成樁身承載力標(biāo)準(zhǔn)值，最后的單樁豎向承載力特征值取兩者的較小值。

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