中华人民共和国行业标准建筑桩基技术规范GJ 94-2008条文说明 2
3.4 特殊条件下的桩基
3.4.1 关于软土地基桩基的设计原则
1 软土地基特别是沿海深厚软土区,一般坚硬地层埋置很深,但选择较好的中、低压缩性土层作为桩端持力层仍有可能,且十分重要。
2 软土地区桩基因负摩阻力而受损的事故不少,原因各异。一是有些地区覆盖有新近沉积的欠固结土层;二是采取开山或吹填围海造地;三是使用过程地面大面积堆载;四是邻近场地降低地下水;五是大面积挤土沉桩引起超孔隙水压和土体上涌等等。负摩阻力的发生和危害是可以预防、消减的。问题是设计和施工者的事先预测和采取应对措施。
3 挤土沉桩在软土地区造成的事故不少,一是预制桩接头被拉断、桩体侧移和上涌,沉管灌注桩发生断桩、缩颈;二是邻近建筑物、道路和管线受破坏。设计时要因地制宜选择桩型和工艺,尽量避免采用沉管灌注桩。对于预制桩和钢桩的沉桩,应采取减小孔压和减轻挤土效应的措施,包括施打塑料排水板、应力释放孔、引孔沉桩、控制沉桩速率等。
4 关于基坑开挖对已成桩的影响问题。在软土地区,考虑到基桩施工有利的作业条件,往往采取先成桩后开挖基坑的施工程序。由于基坑开挖的不均衡,形成"坑中坑",导致土体蠕变滑移将基桩推歪推断,有的水平位移达1m 多,造成严重的质量事故。这类事故从上世纪80 年代以来,从南到北屡见不鲜。因此,软土场地在已成桩的条件下开挖基坑,必须严格实行均衡开挖,高差不应超过1m,不得在坑边弃土,以确保已成基桩不因土体滑移而发生水平位移和折断。
3.4.2 湿陷性黄土地区桩基的设计原则
1 湿陷性黄土地区的桩基,由于土的自重湿陷对基桩产生负摩阻力,非自重湿陷性土由于浸水削弱桩侧阻力,承台底土抗力也随之消减,导致基桩承载力降低。为确保基桩承载力的安全可靠性,桩端持力层应选择低压缩性的粘性土、粉土、中密和密实土以及碎石类土层。
2 湿陷性黄土地基中的单桩极限承载力的不确定性较大,故设计等级为甲、乙级桩基工程的单桩极限承载力的确定,强调采用浸水静载试验方法。
3 自重湿陷性黄土地基中的单桩极限承载力,应视浸水可能性、桩端持力层性质、建筑桩基设计等级等因素考虑负摩阻力的影响。
3.4.3 季节性冻土和膨胀土地基中的桩基的设计原则
主要应考虑冻胀和膨胀对于基桩抗拔稳定性问题,避免冻胀或膨胀力作用下产生上拔变形,乃至因累积上拔变形而引起建筑物开裂。因此,对于荷载不大的多层建筑桩基设计应考虑以下诸因素:桩端进入冻深线或膨胀土的大气影响急剧层以下一定深度;宜采用无挤土效应的钻、挖孔桩;对桩基的抗拔稳定性和桩身受拉承载力进行验算;对承台和桩身上部采取隔冻、隔胀处理。
3.4.4 岩溶地区桩基的设计原则
主要考虑岩溶地区的基岩表面起伏大,溶沟、溶槽、溶洞往往较发育,无风化岩层覆盖等特点,设计应把握三方面要点:一是基桩选型和工艺宜采用钻、冲孔灌注桩,以利于嵌岩;二是应控制嵌岩最小深度,以确保倾斜基岩上基桩的稳定;三是当基岩的溶蚀极为发育,溶沟、溶槽、溶洞密布,岩面起伏很大,而上覆土层厚度较大时,考虑到嵌岩桩桩长变异性过大,嵌岩施工难以实施,可采用较小桩径(Φ500~Φ700)密布非嵌岩桩,并后注浆,形成整体性和刚度很大的块体基础。如宜春邮电大楼即是一例,楼高80m,框架-剪力墙结构,地质条件与上述情况类似,原设计为嵌岩桩,成桩过程出现个别桩充盈系数达20 以上,后改为Φ700 灌注桩,利用上部20m 左右较好土层,实施桩端桩侧后注浆,筏板承台。建成后沉降均匀,最大不超过10mm。
3.4.5 坡地、岸边建筑桩基的设计原则
坡地、岸边建筑桩基的设计,关键是确保其整体稳定性,一旦失稳既影响自身建筑物的安全也会波及相邻建筑的安全。整体稳定性涉及这样三个方面问题:一是建筑场地必须是稳定的,如果存在软弱土层或岩土界面等潜在滑移面,必须将桩支承于稳定岩土层以下足够深度,并验算桩基的整体稳定性和基桩的水平承载力;二是建筑桩基外缘与坡顶的水平距离必须符合有关规范规定;边坡自身必须是稳定的或经整治后确保其稳定性;三是成桩过程不得产生挤土效应。
3.4.6 地震设防区桩基的设计原则
桩基较其他基础形式具有较好的抗震性能,但设计中应把握这样三点:一是基桩进入液化土层以下稳定土层的长度不应小于本条规定的最小值;二是为确保承台和地下室外墙土抗力能分担水平地震作用,肥槽回填质量必须确保;三是当承台周围为软土和可液化土,且桩基水平承载力不满足要求时,可对外侧土体进行适当加固以提高水平抗力。
3.4.7 可能出现负摩阻力的桩基的设计原则
1.对于填土建筑场地,宜先填土后成桩,为保证填土的密实性,应根据填料及下卧层性质,对低水位场地应分层填土分层辗压或分层强夯,压实系数不应小于0.94。为加速下卧层固结,宜采取插塑料排水板等措施。
2.室内大面积堆载常见于各类仓库、炼钢、轧钢车间,由堆载引起上部结构开裂乃至破坏的事故不少。要防止堆载对桩基产生负摩阻力,对堆载地基进行加固处理是措施之一,但造价往往偏高。对与堆载相邻的桩基采用刚性排桩进行隔离,对预制桩表面涂层处理等都是可供选用的措施。
3.对于自重湿陷性黄土,采用强夯、挤密土桩等处理,消除土层的湿陷性,属于防止负摩阻力的有效措施。
3.4.8 关于抗拔桩基的设计原则
建筑桩基的抗拔问题主要出现于两种情况,一种是建筑物在风荷载、地震作用下的局部非永久上拔力;另一种是抵抗超补偿地下室地下水浮力的抗浮桩。对于前者,抗拔力与建筑物高度、风压强度、抗震设防等级等因素相关。当建筑物设有地下室时,由于风荷载、地震引起的桩顶拔力显著减小,一般不起控制作用。
随着近年地下空间的开发利用,抗浮成为较普遍的问题。抗浮有多种方式,包括地下室底板上配重(如素砼或钢渣砼)、设置抗浮桩。后者具有较好的灵活性、适用性和经济性。对于抗浮桩基的设计,首要问题是根据场地勘察报告关于环境类别,水、土腐蚀性,参照现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)确定桩身的裂缝控制等级,对于不同裂缝控制等级采取相应设计原则。对于抗浮荷载较大的情况宜采用桩侧后注浆、扩底灌注桩,当裂缝控制等级较高时,可采用预应力桩;以岩层为主的地基宜采用岩石锚杆抗浮。其次,对于抗浮桩承载力应按本规范进行单桩和群桩抗拔承载力计算。
3.5 耐久性规定
3.5.2 二、三类环境桩基结构耐久性设计,对于混凝土的基本要求应根据现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)规定执行,混凝土最低强度等级、最小水泥用量、最大水灰比、混凝土的最大氯离子含量、最大碱含量应符合相应的规定。
3.5.3 关于二、三类环境桩基结构的裂缝控制等级的判别,应按现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)规定的环境类别和水、土对混凝土结构的腐蚀性等级制定,对桩基结构正截面尤其是对抗拔桩的抗裂和裂缝宽度控制进行设计计算。
4 桩基构造
4.1 基桩构造
4.1.1 关于灌注桩的配筋率、配筋长度和箍筋的配置。
灌注桩的配筋与预制桩不同之处是无需考虑吊装、锤击沉桩等因素。正截面最小配筋率宜根据桩径确定,如Φ300mm 桩,配6φ10mm, A g= 471mm2 ,μg = A g/ A ps= 0.67% ;又如Φ2000mm 桩,配16φ22mm,A g=6280mm2 ,μg = A g/ A ps=0.2%ps m 。另外,从承受水平力的角度考虑,桩身受弯截面模量为桩径的3 次方,配筋对水平抗力的贡献随桩径增大显著增大。从以上两方面考虑,规定正截面最小配筋率为0.2%~0.65%,大桩径取低值,小桩径取高值。
关于配筋长度,主要考虑轴向荷载的传递特征及荷载性质。对于端承桩应通长等截面配筋,摩擦型桩宜分段变截面配筋;当桩较长也可部分长度配筋,但不宜小于2 / 3 桩长。当受水平力时,尚不应小于反弯点下限4.0 /a ;当有可液化层、软弱土层时,纵向主筋应穿越这些土层进入稳定土层一定深度。对于抗拔桩应根据桩长、裂缝控制等级、桩侧土性等因素通长等截面或变截面配筋。对于受水平荷载桩,其极限承载力受配筋率影响大,主筋不应小于8φ12,以保证受拉区主筋不小于3φ12。对于抗压桩和抗拔桩,为保证桩身钢筋笼的成型刚度以及桩身承载力的可靠性,主筋不应小于6φ10;d≤400mm 时,不应小于4φ10。
关于箍筋的配置,主要考虑三方面因素。一是箍筋的受剪作用,对于地震设防地区,基桩桩顶要承受较大剪力和弯矩,在风载等水平力作用下也同样如此,故规定桩顶5d 范围箍筋应适当加密,一般间距为100mm;二是箍筋在轴压荷载下对混凝土起到约束加强作用,可大幅提高桩身受压承载力,而桩顶部分荷载最大,故桩顶部位箍筋应适当加密;三是为控制钢筋笼的刚度,根据桩身直径不同,箍筋直径一般为φ6~12mm,加劲箍为φ12~18mm。
4.1.2 桩身混凝土的最低强度等级由原规定C20 提高到C25,这主要是根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010)规定,设计使用年限为50 年,环境类别为二a 时,最低强度等级为C25;环境类别为二b 时,最低强度等级为C30。
4.1.13 根据广东省采用预应力管桩的经验,当桩端持力层为非饱和状态的强风化岩时,闭口桩沉桩后一定时间由于桩端构造缝隙浸水导致风化岩软化,端阻力有显著降低现象。经研究,沉桩后立刻灌入微膨胀性混凝土至桩端以上约2m,能起到防止渗水软化现象发生。
4.2 承台构造
4.2.1 承台除满足抗冲切、抗剪切、抗弯承载力和上部结构的需要外,尚需满足如下构造
要求才能保证实现上述要求。
1 承台最小宽度不应小于500mm,桩中心至承台边缘的距离不宜小于桩直径或边长,边缘挑出部分不应小于150mm,主要是为满足嵌固及斜截面承载力(抗冲切、抗剪切)的要求。对于墙下条形承台梁,其边缘挑出部分可减少至75mm,主要是考虑到墙体与承台梁共同工作可增强承台梁的整体刚度,受力情况良好。
2 承台的最小厚度规定为不应小于300mm,高层建筑平板式筏形基础承台最小厚度不应小于400mm,是为满足承台基本刚度、桩与承台的连接等构造需要。
4.2.2 承台混凝土强度等级应满足结构混凝土耐久性要求,对设计使用年限为50 年的承台,根据现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)的规定,当环境类别为二a 类别时不应低于C25,二b 类别时不应低于C30。有抗渗要求时,其混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求。
4.2.3 承台的钢筋配置除应满足计算要求外,尚需满足构造要求。
1 柱下独立桩基承台的受力钢筋应通长配置,主要是为保证桩基承台的受力性能良好,根据工程经验及承台受弯试验对矩形承台将受力钢筋双向均匀布置;对三桩的三角形承台应按三向板带均匀布置,为提高承台中部的抗裂性能,最里面的三根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内。承台受力钢筋的直径不宜小于12mm,间距不宜大于200mm。主要是为满足施工及受力要求。独立桩基承台的最小配筋率不应小于0.15%。具体工程的实际最小配筋率宜考虑结构安全等级、基桩承载力等因素综合确定。
2 柱下独立两桩承台,当桩距与承台有效高度之比小于5 时,其受力性能属深受弯构件范畴,因而宜按现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)中的深受弯构件配置纵向受拉钢筋、水平及竖向分布钢筋。
3 条形承台梁纵向主筋应满足现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)关于最小配筋率0.2%的要求以保证具有最小抗弯能力。关于主筋、架立筋、箍筋直径的要求是为满足施工及受力要求。
4 筏板承台在计算中仅考虑局部弯矩时,由于未考虑实际存在的整体弯距的影响,因此需要加强构造,故规定纵横两个方向的下层钢筋配筋率不宜小于0.15%;上层钢筋按计算钢筋全部连通。当筏板厚度大于2000mm 时,在筏板中部设置直径不小于12mm、间距不大于300mm 的双向钢筋网,是为减小大体积混凝土温度收缩的影响,并提高筏板的抗剪承载力。
5 承台底面钢筋的混凝土保护层厚度除应符合现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)的要求外,尚不应小于桩头嵌入承台的长度。
4.2.4 桩与承台的连接构造要求:
1 桩嵌入承台的长度规定是根据实际工程经验确定。如果桩嵌入承台深度过大,会降低承台的有效高度,使受力不利。
2 混凝土桩的桩顶纵向主筋锚入承台内的长度一般情况下为35 倍直径,对于专用抗拔桩,桩顶纵向主筋的锚固长度应按现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010)的受拉钢筋锚固长度确定。
3 对于大直径灌注桩,当采用一柱一桩时,连接构造通常有两种方案:一是设置承台,将桩与柱通过承台相连接;二是将桩与柱直接相连。实际工程根据具体情况选择。
关于桩与承台连接的防水构造问题:当前工程实践中,桩与承台连接的防水构造形式繁多,有的用防水卷材将整个桩头包裹起来,致使桩与承台无连接,仅是将承台支承于桩顶;有的虽设有防水措施,但在钢筋与混凝土或底板与桩之间形成渗水通道,影响桩及底板的耐久性。本规范建议的防水构造如图4.2-1。
具体操作时要注意以下几点:
(1)桩头要剔凿至设计标高,并用聚合物水泥防水砂浆找平;桩侧剔凿至混凝土密实处;
(2)破桩后如发现渗漏水,应采取相应堵漏措施;
(3)清除基层上的混凝土、粉尘等,用清水冲洗干净;基面要求潮湿,但不得有明水;
(4)沿桩头根部及桩头钢筋根部分别剔凿20mmx25mm 及10mmx10mm 的凹槽;
(5)涂刷水泥渗透结晶型防水涂料必须连续、均匀,待第二层涂料呈半干状态后开始喷水养护,养护时间不小于三天;
(6)待膨胀型止水条紧密、连续、牢固地填塞于凹槽后,方可施工聚合物水泥防水砂浆层;
(7)聚硫嵌缝膏嵌填时,应保护好垫层防水层,并与之搭接严密;
(8)垫层防水层及聚硫嵌缝膏施工完成后,应及时做细石混凝土保护层。
4.2.6 承台与承台之间的连接
1 一柱一桩时,应在桩顶两个相互垂直方向上设置联系梁,以保证桩基的整体刚度。当桩与柱的截面直径之比大于2 时,在水平力作用下,承台水平变位较小,可以认为满足结构内力分析时柱底为固端的假定。
2 两桩桩基承台短向抗弯刚度较小,因此应设置承台联系梁。
3 有抗震设防要求的柱下桩基承台,由于地震作用下,建筑物的各桩基承台所受的地震剪力和弯矩是不确定的,因此在纵横两方向设置联系梁,有利于桩基的受力性能。
4 联系梁顶面与承台顶面位于同一标高,有利于直接将柱底剪力、弯矩传递至承台。联系梁的截面尺寸及配筋一般按下述方法确定:以柱剪力作用于梁端,按轴心受压构件确定其截面尺寸,配筋则取与轴心受压相同的轴力(绝对值),按轴心受拉构件确定。在抗震设防区也可取柱轴力的1/10 为梁端拉压力的粗略方法确定截面尺寸及配筋。联系梁最小宽度和高度尺寸的规定,是为了确保其平面外有足够的刚度。
5 联系梁配筋除按计算确定外,从施工和受力要求,其最小配筋量为上下配置不小于2Φ12 钢筋。
4.2.7 承台和地下室外墙的肥槽回填土质量至关重要。在地震和风载作用下,可利用其外侧土抗力分担相当大份额的水平荷载,从而减小桩顶剪力分担,降低上部结构反应。但工程实践中,往往忽视肥槽回填质量,以至出现浸水湿陷,导致散水破坏,给桩基结构在遭遇地震工况下留下安全隐患。设计人员应加以重视,避免这种情况发生。一般情况下,采用灰土和压实性较好的素土分层夯实;当施工中分层夯实有困难时,可采用素混凝土回填。
5 桩基计算
5.1 桩顶作用效应计算
5.1.1 关于桩顶竖向力和水平力的计算,应是在上部结构分析将荷载凝聚于柱、墙底部的基础上进行。这样,对于柱下独立桩基,按承台为刚性板和反力呈线性分布的假定,得到计算各基桩或复合基桩的桩顶竖向力和水平力公式(5.1.1-1)~(5.1.1-3)。对于桩筏、桩箱基础,则按各柱、剪力墙、核心筒底部荷载分别按上述公式进行桩顶竖向力和水平力的计算。
5.1.3 属于本条所列的第一种情况,为了考虑其在高烈度地震作用或风载作用下桩基承台和地下室侧墙的侧向土抗力,合理的计算基桩的水平承载力和位移,宜按附录C 进行承台-桩-土协同作用分析。属于本条所列的第二种情况,高承台桩基(使用要求架空的大型储罐、上部土层液化、湿陷),在较大水平力作用下,为使基桩桩顶竖向力、剪力、弯矩分配符合实际,也需按附录C 进行计算,尤其是当桩径、桩长不等时更为必要。
5.2 桩基竖向承载力计算
采用上述承载力极限状态设计表达式,桩基安全度水准与《建筑桩基技术规范》JGJ94-94相比,有所提高。这是由于(1)建筑结构荷载规范的均布活载标准值较前提高了1/3(办公楼、住宅),荷载组合系数提高了17%;由此使以土的支承阻力制约的桩基承载力安全度有所提高。(2)基本组合的荷载分项系数由1.25 提高至1.35(以永久荷载控制的情况);(3)钢筋和混凝土强度设计值略有降低。以上(2)、(3)因素使桩基结构承载力安全度有所提高。
5.2.4 对于本条规定的考虑承台土抗力的四种情况:一是上部结构刚度较大、体形简单的建(构)筑物,由于其可适应较大的变形,承台分担的荷载份额往往也较大;二是对于差异变形适应性较强的排架结构和柔性构筑物桩基,采用考虑承台效应的复合桩基不致降低安全度;三是按变刚度调平原则设计的核心筒外围框架柱桩基,适当增加沉降、降低基桩支撑刚度,可达到减小差异沉降、降低承台外围基桩反力、减小承台整体弯距的目标;四是软土地区减沉复合疏桩基础,考虑承台效应按复合桩基设计是该方法的核心。以上四种情况,在近年工程实践中的应用已取得成功经验。
5.2.5 关于承台效应及复合桩基承载力计算
1 承台效应系数
摩擦型群桩在竖向荷载作用下,由于桩土相对位移,桩间土对承台产生一定竖向抗力,成为桩基竖向承载力的一部分而分担荷载,称此种效应为承台效应。承台底地基土承载力特征值发挥率为承台效应系数。承台效应和承台效应系数随下列因素影响而变化。
(1)桩距大小。桩顶受荷载下沉时,桩周土受桩侧剪应力作用而产生竖向位移Wr
上式看出,桩周土竖向位移随桩侧剪应力qs 和桩径d 增大而线性增加,随与桩中心距离r 增大,呈自然对数关系减小,当距离r 达到nd 时,位移为零;而nd 根据实测结果约为(6~10) d ,随土的变形模量减小而减小。显然,土竖向位移愈小,土反力愈大,对于群桩,桩距愈大,土反力愈大。
2)承台土抗力随承台宽度与桩长之比B c / l减小而减小。现场原型试验表明,当承台宽度与桩长之比较大时,承台土反力形成的压力泡包围整个桩群,由此导致桩侧阻力、端阻力发挥值降低,承台底土抗力随之加大。由图5.2-1 看出,在相同桩数、桩距条件下,承台分担荷载比随B c /l 增大而增大。
(3)承台土抗力随区位和桩的排列而变化。承台内区(桩群包络线以内)由于桩土相互影响明显,土的竖向位移加大,导致内区土反力明显小于外区(承台悬挑部分),即呈马鞍形分布。从图5.2-2(a)还可看出,桩数由22 增至32、42,承台分担荷载比Pc/P 递减,这也反映出承台内、外区面积比随桩数增多而增大导致承台土抗力随之降低。对于单排桩条基,由于承台外区面积比大,故其土抗力显著大于多排桩桩基。图5.2-2 所示多排和单排桩基承台分担荷载比明显不同证实了这一点。
(4)承台土抗力随荷载的变化。由图5.2-1、图5.2-2 看出,桩基受荷后承台底产生一定土抗力,随荷载增加土抗力及其荷载分担比的变化分二种模式。一种模式是,到达工作荷载( Pu/ 2) 时,荷载分担比 P c /P 趋于稳值,也就是说土抗力和荷载增速是同步的;这种变化模式出现于B c / l≤1 和多排桩。对于B c / l >1 和单排桩桩基属于第二种变化模式, P c /P在荷载达到Pu/ 2 后仍随荷载水平增大而持续增长;这说明这两种类型桩基承台土抗力的增速持续大于荷载增速。
(5)承台效应系数模型试验实测、工程实测与计算比较(表5.2-1、表5.2-1)
2 复合基桩承载力特征值
根据粉土、粉质粘土、软土地基群桩试验取得的承台土抗力的变化特征(表5.2-1),结合15 项工程桩基承台土抗力实测结果(表5.2-2),给出承台效应系数ηc 。承台效应系数ηc按距径比S a /d 和承台宽度与桩长比B c / l确定(规范表5.2.5)。相应于单根桩的承台抗力特征值为ηcfakAc ,由此得规范式(5.2.5-1)、(5.2.5-2)。对于单排条形桩基的ηc,如前所述大于多排桩群桩,故单独给出其ηc值。但对于承台宽度小于1.5d 的条形基础,内区面积比大,故ηc 按非条基取值。上述承台土抗力计算方法,较JGJ 94-94 简化,不区分承台内外区面积比。按该法计算,对于柱下独立桩基计算值偏小,对于大桩群筏形承台差别不大。Ac为计算基桩对应的承台底净面积。关于承台计算域A、基桩对应的承台面积 Ac 和承台效应系数ηc ,具体规定如下:
(1)柱下独立桩基:A 为全承台面积。
(2)桩筏、桩箱基础:按柱、墙侧1/2 跨距,悬臂边取2.5 倍板厚处确定计算域,桩距、桩径、桩长不同,采用上式分区计算,或取平均Sa 、B c / l计算ηc 。
(3)桩集中布置于墙下的剪力墙高层建筑桩筏基础:计算域自墙两边外扩各1/2 跨距,对于悬臂板自墙边外扩2.5 倍板厚,按条基计算ηc。
(4)对于按变刚度调平原则布桩的核心筒外围平板式和梁板式筏形承台复合桩基:计算域为自柱侧1/2 跨,悬臂板边取2.5 倍板厚处围成。
不能考虑承台效应的特殊条件:可液化土、湿陷性土、高灵度软土、欠固结土、新填土、沉桩引起孔隙水压力和土体隆起等,这是由于这些条件下承台土抗力随时可能消失。
对于考虑地震作用时,按规范式(5.2.5-2)计算复合基桩承载力特征值。由于地震作用下轴心竖向力作用下基桩承载力按规范式(5.2.1-3)提高25%,故地基土抗力乘以ξa/1.25 系数,其中ξa为地基抗震承载力调整系数;除以1.25 是与规范式(5.2.1-3)相适应的。
3 忽略侧阻和端阻的群桩效应的说明
影响桩基的竖向承载力的因素包含三个方面,一是基桩的承载力;二是桩土相互作用对于桩侧阻力和端阻力的影响,即侧阻和端阻的群桩效应;三是承台底土抗力分担荷载效应。
对于第三部分,上面已就条文的规定作了说明。对于第二部分,在《建筑桩基技术规范》JGJ94-94 中规定了侧阻的群桩效应系数ηs ,端阻的群桩效应系数ηp 。所给出的ηs 、ηp 源自不同土质中的群桩试验结果。其总的变化规律是:对于侧阻力,在粘性土中因群桩效应而削弱,即非挤土桩在常用桩距条件下ηs小于1,在非密实的粉土、砂土中因群桩效应产生沉降硬化而增强,即ηs大于1;对于端阻力,在粘性土和非粘性土中,均因相邻桩桩端土互逆的侧向变形而增强,即ηp >1。但侧阻、端阻的综合群桩效应系数ηsp 对于非单一粘性土大于1,单一粘性土当桩距为3~4d 时略小于1。计入承台土抗力的综合群桩效应系数略大于1,非粘性土群桩较粘性土更大一些。就实际工程而言,桩所穿越的土层往往是两种以上性质土层交互出现,且水平向变化不均,由此计算群桩效应确定承载力较为繁琐。另据美国、英国规范规定,当桩距sa≥3d 时不考虑群桩效应。本规范第3.3.3 条所规定的最小桩距除桩数少于3 排和9 根桩的非挤土端承桩群桩外,其余均不小于3d。鉴于此,本规范关于侧阻和端阻的群桩效应不予考虑,即取ηs = ηp=1.0 。这样处理,方便设计,多数情况下可留给工程更多安全储备。对单一粘性土中的小桩距低承台桩基,不应再另行计入承台效应。
关于群桩沉降变形的群桩效应,由于桩-桩、桩-土、土-桩、土-土的相互作用导致桩群的竖向刚度降低,压缩层加深,沉降增大,则是概念设计布桩应考虑的问题。
5.3 单桩竖向极限承载力
5.3.1 本条说明不同桩基设计等级对于单桩竖向极限承载力标准值确定方法的要求。
目前对单桩竖向极限承载力计算受土强度参数、成桩工艺、计算模式不确定性影响的可靠度分析仍处于探索阶段的情况下,单桩竖向极限承载力仍以原位原型试验为最可靠的确定方法,其次是利用地质条件相同的试桩资料和原位测试及端阻力、侧阻力与土的物理指标的经验关系参数确定。对于不同桩基设计等级应采用不同可靠性水准的单桩竖向极限承载力确定的方法。单桩竖向极限承载力的确定,要把握两点,一是以单桩静载试验为主要依据,二是要重视综合判定的思想。因为静载试验一则数量少,二则在很多情况下如地下室土方尚未开挖,设计前进行完全与实际条件相符的试验不可能。因此,在设计过程中,离不开综合判定。
本规范规定采用单桩极限承载力标准值作为桩基承载力设计计算的基本参数。试验单桩极限承载力标准值指通过不少于2 根的单桩现场静载试验确定的,反映特定地质条件、桩型与工艺、几何尺寸的单桩极限承载力代表值。计算单桩极限承载力标准值指根据特定地质条件、桩型与工艺、几何尺寸、以极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值的统计经验值计算的单桩极限承载力标准值。
5.3.2 本条主旨是说明单桩竖向极限承载力标准值及其参数包括侧阻力、端阻力以及嵌岩桩嵌岩段的侧阻力、端阻力如何根据具体情况通过试验直接测定,并建立承载力参数与土层物性指标、静探等原位测试指标的相关关系以及岩石侧阻、端阻与饱和单轴抗压强度等的相关关系。直径为0.3m 的嵌岩短墩试验,其嵌岩深度根据岩层软硬程度确定。
5.3.5 根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系计算单桩竖向极限承载力,核心问题是经验参数的收集,统计分析,力求涵盖不同桩型、地区、土质,具有一定的可靠性和较大适用性。
原《建筑桩基技术规范》JGJ94-94 收集的试桩资料经筛选得到完整资料229 根,涵盖11 个省市。本次修订又共收集试桩资料416 根,其中预制桩资料88 根,水下钻(冲)孔灌注桩资料184 根,干作业钻孔灌注桩资料144 根。前后合计总试桩数为645 根。以原规范表列qsik 、qpk为基础对新收集到的资料进行试算调整,其间还参考了上海、天津、浙江、福建、深圳等省市地方标准给出的经验值,最终得到规范表5.3.5-1、表5.3.5-2 所列各桩型的qsik 、 qpk 经验值。
对按各桩型建议的qsik 、qpk经验值计算统计样本的极限承载力Quk ,各试桩的极限承载力实测值Q'uk与计算值Quk 比较,η=Q'u/Quk,将统计得到预制桩(317 根)、水下钻(冲)孔桩(184 根)、干作业钻孔桩(144 根)的h 按0.1 分位与其频数N 之间的关系,Q'u /Quk平均值及均方差Sn 分别表示于图5.3-1~图5.3-3。
5.3.6 关于大直径桩(d≥800mm)极限侧阻力和极限端阻力的尺寸效应
(1)大直径桩端阻力的尺寸效应。大直径桩静载试验Q - S 曲线均呈缓变型,反映出其端阻力以压剪变形为主导的渐进破坏。G.G.Meyerhof(1998)指出,砂土中大直径桩的极限端阻随桩径增大而呈双曲线减小。根据这一特性,将极限端阻的尺寸效应系数表示为
(2)大直径桩侧阻尺寸效应系数
桩成孔后产生应力释放,孔壁出现松弛变形,导致侧阻力有所降低,侧阻力随桩径增大呈双曲线型减小(图5.3-5 H.Brand1.1988)。本规范建议采用如下表达式进行侧阻尺寸效应计算。
ψs=(0.8/d)m
式中 d -桩身直径;
m -经验指数;粘性土、粉土m=1/5;砂土、碎石m=1/3。