二級注冊建筑師|樁身承載力的幾個問題

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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，此時樁身承載力計算錯誤不影響結(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，如果樁身承載力計算錯誤，可能導(dǎo)致設(shè)計采用的樁身混凝土強度等級偏低，不僅影響結(jié)構(gòu)安全，還有可能出現(xiàn)靜載試驗(管樁靜壓施工)時樁身破壞。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，在靜載試驗加載量達到2Ra時樁身不會壓壞。但如果樁身承載力計算錯誤，導(dǎo)致樁身承載力不足，則在靜載試驗加載量達到2Ra時樁身可能被壓壞。因此，當(dāng)樁的承載力由樁身承載力控制時，正確計算樁身承載力非常重要。

1、有關(guān)規(guī)范對樁身受壓承載力計算的規(guī)定

(1)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)(簡稱地基規(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)計入樁身縱筋的抗壓作用(規(guī)范沒有給出具體計算公式)。對于預(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，可計入樁身縱筋的抗壓作用，按樁基規(guī)范式(5.8.2-1)計算。

(2)不考慮樁身縱筋的抗壓作用時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，前者對于預(yù)制樁Ψc為0.65~0.75，灌注樁Ψc為0.6~0.8;后者對于預(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)計算樁身承載力比按樁基規(guī)范第5.8.2條式(5.8.2-2)計算樁身承載力小，偏于安全。例如，對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)計算樁身承載力比按樁基規(guī)范第5.8.2條式(5.8.2-2)計算樁身承載力約小11%;對深度較大、樁身混凝土強度等級高于C35的水下灌注嵌巖樁，按地基規(guī)范第8.5.11條式(8.5.11)計算樁身承載力比按樁基規(guī)范第5.8.2條式(5.8.2-2)計算樁身承載力約小14%~25%。

3、 哪些情況下需進行樁身壓屈計算問題

(1) 樁基規(guī)范第3.1.3條第2款規(guī)定：“對于樁側(cè)土不排水抗剪強度小于10kPa、且長徑比大于50的樁應(yīng)進行樁身壓屈驗算”。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(或不排水抗剪強度小于10KPa)土層中細長樁尚應(yīng)進行樁身壓屈計算”。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”是對樁基規(guī)范JGJ94-94(老規(guī)范)第3.3.4.1條第(2)款中“細長樁”的進一步量化。

(2) 樁基規(guī)范第5.8.4條規(guī)定，計算軸心受壓混凝土樁樁身承載力時，一般取穩(wěn)定系數(shù)為1.0(即一般情況下不需進行壓屈驗算)，但對于高承臺基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強度小于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條進行壓屈計算。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，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度小于10KPa(fak<25Kpa)土層時，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，按液化土處理”的規(guī)定，即當(dāng)樁周存在不排水抗剪強度小于10KPa(fak<25Kpa)的軟弱土層時，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算

(1)計算方法當(dāng)樁頂承受偏心荷載時(即樁頂同時承受軸向力N和彎矩M)，樁身承載力計算不能采用地基規(guī)范第8.5.11條和樁基規(guī)范第5.8.2條計算，而應(yīng)按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010進行樁正截面受壓承載力驗算。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，但對于高承臺基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強度小于 10kPa 的軟弱土層的基樁，應(yīng)考慮樁身在彎矩作用平面內(nèi)的撓曲對軸向力偏心距的影響，應(yīng)將軸向力對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的具體計算方法可按現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010 執(zhí)行”。需要注意的是，這里的“應(yīng)將軸向力對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)計規(guī)范》GB50010-2010第6.2.4條，“應(yīng)將軸向力對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)哪些情況下需進行偏心受壓樁承載力計算

多樁承臺的基樁一般只承受軸心豎向壓力，不考慮其承受彎矩，但單樁承臺下的基樁或兩樁(三樁)承臺的基樁在垂直承臺方向承擔(dān)彎矩。如果未設(shè)承臺梁，單樁承臺的基樁承擔(dān)的彎矩等于柱底彎矩，兩樁(或三樁)承臺的每個基樁在垂直承臺方向承擔(dān)的彎矩為柱底彎矩的1/2(或1/3)，同時承臺承擔(dān)扭矩;如果設(shè)置承臺梁，承臺梁分擔(dān)部分彎矩，基樁承擔(dān)的彎矩將減小，承臺梁越高、跨度越小，承臺梁分擔(dān)的彎矩越大，基樁承擔(dān)的彎矩越小，對基樁越有利。因此，未設(shè)置承臺梁或設(shè)置承臺梁但承臺梁高度較小、跨度較大時，單樁承臺的基樁及兩樁(或三樁)承臺基樁在垂直承臺方向應(yīng)按承受的彎矩M和軸向力N進行正截面承載力驗算，且對于高承臺基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強度小于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、 考慮負摩阻力的樁樁身受壓承載力計算時應(yīng)考慮下拉荷載

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

6、 樁身受壓承載力計算方法討論

正確的樁身承載力計算方法是取承臺下最大基樁豎向力設(shè)計值Nmax進行計算。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，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)計人員采用以下方法進行計算：(1)按地質(zhì)報告提供的各土層樁的極限側(cè)阻力標準值qsik、樁的極限端阻力標準值qpk(對于嵌巖樁為巖石飽和單軸抗壓強度標準值frk)計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 計算樁身承載力設(shè)計值，再除以1.35變成標準值(對應(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。其實這種計算方法不一定準確，分析如下：當(dāng)樁承臺承受軸心豎向力時，要求每根樁承受的豎向力標準值Nk≤Ra;當(dāng)樁承臺承受偏心豎向力時，要求最大基樁豎向力標準值Nkmax≤1.2Ra。也就是說，按單樁豎向承載力特征值Ra設(shè)計的樁，承擔(dān)的豎向力標準值有可能達到1.2Ra，因此，應(yīng)按照1.2Rax1.35去驗算樁身承載力。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，該方法仍為近似計算。因為，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)計值與標準值之間不一定是1.35倍的關(guān)系。當(dāng)然，以前永久荷載和活荷載分項系數(shù)分別為1.2和1.4時，規(guī)定樁頂?shù)呢Q向力設(shè)計值是標準值的1.35倍是偏于安全的(實際上樁頂?shù)呢Q向力設(shè)計值與標準值的比值一般在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)計值與標準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條計算，也可采用樁基規(guī)范第8.5.2條計算，前者比后者偏于安全。(2)高承臺基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強度小于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條進行壓屈計算;其他情況下，不需進行壓屈計算。(3)當(dāng)樁頂承受偏心荷載時(即樁頂同時承受軸向力N和彎矩M)，樁身承載力計算不能采用地基規(guī)范第8.5.11條和樁基規(guī)范第5.8.2條計算，而應(yīng)按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010進行樁正截面受壓承載力計算。對于高承臺基樁、樁身穿越可液化土或不排水抗剪強度小于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)考慮負摩阻力的樁樁身受壓承載力計算時應(yīng)考慮下拉荷載。

(5)正確的樁身承載力計算方法是取承臺下最大基樁豎向力設(shè)計值Nmax進行計算。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，應(yīng)滿足Nmax≤ΨcfcAps+0.9f’yA’s。

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

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