一级注册建筑师|桩身承载力的几个问题

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0 引言

一般情况下，抗压桩的承载力由单桩竖向承载力特征值Ra控制，此时桩身承载力计算错误不影响结构安全，但当桩的承载力由桩身承载力控制(当桩较长、采用后注浆技术等使桩的承载力较大，或持力层为硬质岩的嵌岩桩，桩的承载力可能由桩身承载力控制)时，如果桩身承载力计算错误，可能导致设计采用的桩身混凝土强度等级偏低，不仅影响结构安全，还有可能出现静载试验(管桩静压施工)时桩身破坏。桩基规范第5.8.2~第5.8.3条条文说明通过分析得出如下结论：当桩身承载力满足桩基规范第5.8.2条规定时，在静载试验加载量达到2Ra时桩身不会压坏。但如果桩身承载力计算错误，导致桩身承载力不足，则在静载试验加载量达到2Ra时桩身可能被压坏。因此，当桩的承载力由桩身承载力控制时，正确计算桩身承载力非常重要。

1、有关规范对桩身受压承载力计算的规定

(1)《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)(简称地基规范 )规定如下：

(2)《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)(简称桩基规范)规定如下：

2、地基规范第8.5.11条与桩基规范第5.8.2条规定的比较

(1)是否考虑桩身纵筋的抗压作用

1)地基规范第8.5.11条规定，当桩顶以下5倍桩身直径范围内螺旋式箍筋间距不大于100mm，且钢筋耐久性得到保证的灌注桩，可适当计入桩身纵筋的抗压作用(规范没有给出具体计算公式)。对于预制桩，任何情况下都不考虑桩身纵筋的抗压作用。

2)桩基规范第5.8.2条第1款规定，当桩顶以下5倍桩身直径范围内螺旋式箍筋间距不大于100mm，且满足桩基规范第4.1.1条规定时，可计入桩身纵筋的抗压作用，按桩基规范式(5.8.2-1)计算。

(2)不考虑桩身纵筋的抗压作用时桩身承载力比较地基规范第8.5.11条式(8.5.11)与桩基规范第5.8.2条式(5.8.2-2)均未考虑桩身纵向钢筋抗压，但系数Ψc相差较大，前者对于预制桩Ψc为0.65~0.75，灌注桩Ψc为0.6~0.8;后者对于预制桩Ψc为0.85，灌注桩Ψc为0.6~0.9。也就是说，前者取值比后者小。因此，按地基规范第8.5.11条式(8.5.11)计算桩身承载力比按桩基规范第5.8.2条式(5.8.2-2)计算桩身承载力小，偏于安全。例如，对深度不大的人工挖孔桩，按地基规范第8.5.11条式(8.5.11)计算桩身承载力比按桩基规范第5.8.2条式(5.8.2-2)计算桩身承载力约小11%;对深度较大、桩身混凝土强度等级高于C35的水下灌注嵌岩桩，按地基规范第8.5.11条式(8.5.11)计算桩身承载力比按桩基规范第5.8.2条式(5.8.2-2)计算桩身承载力约小14%~25%。

3、 哪些情况下需进行桩身压屈计算问题

(1) 桩基规范第3.1.3条第2款规定：“对于桩侧土不排水抗剪强度小于10kPa、且长径比大于50的桩应进行桩身压屈验算”。该规定在桩基规范JGJ94-94(老规范)第3.3.4.1条第(2)款中表述为“极限承载力小于50KPa(或不排水抗剪强度小于10KPa)土层中细长桩尚应进行桩身压屈计算”。因此，桩基规范第3.1.3条第2款中“桩侧土不排水抗剪强度小于10KPa”是指“极限承载力小于50KPa”土层，即fak<25KPa的土层;“长径比大于50的桩”是对桩基规范JGJ94-94(老规范)第3.3.4.1条第(2)款中“细长桩”的进一步量化。

(2) 桩基规范第5.8.4条规定，计算轴心受压混凝土桩桩身承载力时，一般取稳定系数为1.0(即一般情况下不需进行压屈验算)，但对于高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10Pka(fak<25KPa)的软弱土层的基桩，应考虑压屈影响，按桩基规范第5.8.4条进行压屈计算。需要注意的是，桩基规范第5.8.4条“注：3”规定了桩侧有厚度为di的液化土层时，桩露出地面长度l0和桩的入土长度h的调整方法，但有些桩基规范(如笔者的2008年8月第一版2008年8月第一次印刷的规范)没有规定桩周存在不排水抗剪强度小于10KPa(fak<25Kpa)土层时，桩露出地面长度l0和桩的入土长度h的调整方法;而有些桩基规范(如2008年8月第一版2009年7月第五次印刷的规范)则有“注：4 当存在fak<25KPa的软弱土层时，按液化土处理”的规定，即当桩周存在不排水抗剪强度小于10KPa(fak<25Kpa)的软弱土层时，桩露出地面长度l0和桩的入土长度h的调整方法与液化土相同。

4、 偏心受压混凝土桩正截面受压承载力计算

(1)计算方法当桩顶承受偏心荷载时(即桩顶同时承受轴向力N和弯矩M)，桩身承载力计算不能采用地基规范第8.5.11条和桩基规范第5.8.2条计算，而应按现行《混凝土结构设计规范》GB50010进行桩正截面受压承载力验算。桩基规范第5.8.5条规定，一般情况下“可不考虑偏心距的增大影响，但对于高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于 10kPa 的软弱土层的基桩，应考虑桩身在弯矩作用平面内的挠曲对轴向力偏心距的影响，应将轴向力对截面重心的初始偏心矩ei乘以偏心矩增大系数η，偏心距增大系数η的具体计算方法可按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010 执行”。需要注意的是，这里的“应将轴向力对截面重心的初始偏心距ei乘以偏心距增大系数η”是按照《混凝土结构设计规范》GB50010-2002(老规范)第7.3.4条、第7.3.10条规定的。按照现行《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第6.2.4条，“应将轴向力对截面重心的初始偏心距ei乘以偏心距增大系数η”应改为“应将桩顶承受的弯矩M乘以弯矩增大系数ηns”。

(2)哪些情况下需进行偏心受压桩承载力计算

多桩承台的基桩一般只承受轴心竖向压力，不考虑其承受弯矩，但单桩承台下的基桩或两桩(三桩)承台的基桩在垂直承台方向承担弯矩。如果未设承台梁，单桩承台的基桩承担的弯矩等于柱底弯矩，两桩(或三桩)承台的每个基桩在垂直承台方向承担的弯矩为柱底弯矩的1/2(或1/3)，同时承台承担扭矩;如果设置承台梁，承台梁分担部分弯矩，基桩承担的弯矩将减小，承台梁越高、跨度越小，承台梁分担的弯矩越大，基桩承担的弯矩越小，对基桩越有利。因此，未设置承台梁或设置承台梁但承台梁高度较小、跨度较大时，单桩承台的基桩及两桩(或三桩)承台基桩在垂直承台方向应按承受的弯矩M和轴向力N进行正截面承载力验算，且对于高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10PKa(fak<25Kpa)的软弱土层的基桩，还应考虑偏心距的增大影响，即将桩顶承受的弯矩M乘以弯矩增大系数ηns。

5、 考虑负摩阻力的桩桩身受压承载力计算时应考虑下拉荷载

一般桩身轴力最大处在桩顶，但承受负摩阻力的桩桩身轴力最大处在中性点位置。因此，按地基规范式(8.5.11)计算时，式中“Q”应改为“Q+Qgn”;按桩基规范式(5.8.2-1)、式(5.8.2-2)计算时，式中“N”应改为“N+Qgn”。其中Qgn为考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载，按桩基规范第5.4.4条计算。需要注意的是，由于桩基规范第5.4.4条式(5.4.4-3)计算基桩的下拉荷载Qgn时，采用的第i层土桩侧负摩阻力标准值qsin最大值是按极限正摩阻力标准值控制的，因此，不需再乘以放大系数(荷载分项系数)。当桩顶为偏心受压时，由于弯矩最大位置在桩顶截面，而轴力最大位置在中性点截面，此时应考虑桩侧土体对桩身的约束作用计算出中性点截面的弯矩，然后按照桩顶截面和中性点截面分别进行桩身正截面承载力计算。但这样计算很麻烦，建议也可偏于保守地将中性点截面的桩身轴力作用在桩顶进行桩身正截面承载力计算。

6、 桩身受压承载力计算方法讨论

正确的桩身承载力计算方法是取承台下最大基桩竖向力设计值Nmax进行计算。例如，在桩顶以下5倍桩身直径范围内螺旋式箍筋间距不大于100mm，且满足桩基规范第4.1.1条规定时，应满足Nmax≤ΨcfcAps+0.9f’yA’s。但笔者在图纸审查中发现很多设计人员采用以下方法进行计算：(1)按地质报告提供的各土层桩的极限侧阻力标准值qsik、桩的极限端阻力标准值qpk(对于嵌岩桩为岩石饱和单轴抗压强度标准值frk)计算单桩竖向承载力特征值Ra’;(2)按照桩基规范式(5.8.2-1)右边ΨcfcAps+0.9f’yA’s 计算桩身承载力设计值，再除以1.35变成标准值(对应单桩竖向承载力特征值);(3)最终的单桩竖向承载力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/1.35的较小值。其实这种计算方法不一定准确，分析如下：当桩承台承受轴心竖向力时，要求每根桩承受的竖向力标准值Nk≤Ra;当桩承台承受偏心竖向力时，要求最大基桩竖向力标准值Nkmax≤1.2Ra。也就是说，按单桩竖向承载力特征值Ra设计的桩，承担的竖向力标准值有可能达到1.2Ra，因此，应按照1.2Rax1.35去验算桩身承载力。反过来，也就是(3)应改为“最终的单桩竖向承载力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/(1.35x1.2)的较小值”。即便如此，该方法仍为近似计算。因为，一来Nkmax=(1.0~1.2)Ra，不一定正好是Nkmax=1.2Ra;二来作用在桩顶的竖向力设计值与标准值之间不一定是1.35倍的关系。当然，以前永久荷载和活荷载分项系数分别为1.2和1.4时，规定桩顶的竖向力设计值是标准值的1.35倍是偏于安全的(实际上桩顶的竖向力设计值与标准值的比值一般在1.25~1.35之间)，最终的单桩竖向承载力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/(1.35x1.2)的较小值也是偏于安全的。但现在永久荷载和活荷载分项系数已经分别改为1.3和1.5，桩顶的竖向力设计值与标准值的比值目前还没有规定，但可以肯定的是比1.35大。因此，现在采用最终的单桩竖向承载力特征值Ra取Ra’和(ΨcfcAps+0.9f’yA’s )/(1.35x1.2)的较小值的方法不一定安全。

7、结论

(1)桩身抗压承载力可采用地基规范第8.5.11条计算，也可采用桩基规范第8.5.2条计算，前者比后者偏于安全。(2)高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10Pka(fak<25KPa)的软弱土层的基桩，应考虑压屈影响，按桩基规范第5.8.4条进行压屈计算;其他情况下，不需进行压屈计算。(3)当桩顶承受偏心荷载时(即桩顶同时承受轴向力N和弯矩M)，桩身承载力计算不能采用地基规范第8.5.11条和桩基规范第5.8.2条计算，而应按现行《混凝土结构设计规范》GB50010进行桩正截面受压承载力计算。对于高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10Pka(fak<25KPa)的软弱土层的基桩，还应考虑偏心距的增大影响，即将桩顶承受的弯矩M乘以弯矩增大系数ηns;其他情况下，不需考虑偏心距的增大影响。

(4)考虑负摩阻力的桩桩身受压承载力计算时应考虑下拉荷载。

(5)正确的桩身承载力计算方法是取承台下最大基桩竖向力设计值Nmax进行计算。例如，在桩顶以下5倍桩身直径范围内螺旋式箍筋间距不大于100mm，且满足桩基规范第4.1.1条规定时，应满足Nmax≤ΨcfcAps+0.9f’yA’s。

(6)以下计算桩身承载力的方法是错误的：先计算出单桩竖向承载力特征值，再计算出桩身承载力设计值，除以1.35后换算成桩身承载力标准值，最后的单桩竖向承载力特征值取两者的较小值。

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