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眷凡薛
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1 Builig Structure 嵌岩桩竖向承载力规范计算方法的讨论古今强, 侯家健 / 广州市嘉诚建设顾问有限公司, 广州本文所讨论的嵌岩桩, 是指桩端嵌入中等风化或微风化基岩中的桩, 通常是钻 ( 冲 ) 孔或人工挖孔的灌注桩, 其桩端岩体能取样进行单轴抗压试验对于桩端支承于全风化强风化岩中的桩, 由于不能取岩样成型, 其强度不能通过单轴抗压试验确定, 本文不作具体讨论嵌岩桩具有承载力高沉降小群桩效应低的特点, 是高层建筑的主要基础形式之一单桩竖向承载 [1,2] 力是最基本的设计参数, 静载试验是规范推荐确定单桩竖向承载力的首选方法然而嵌岩桩单桩承载力大, 静载试验费用高, 一般难以直接压至极限荷载, 某些工程受设备或现场条件限制甚至无法进行静载试验, 因此对其承载机理的研究尚不够深入除重大工程外一般仅采用规范提供的经验参数法估算其承载力下文将对比常见的嵌岩桩承载力规范计算方法, 并对相关问题进行讨论 1 嵌岩桩竖向承载力的四种规范计算方法综合归纳 12 本国家行业和地方标准, 估算嵌岩桩竖向承载力共有四类规范方法, 见表 1 四类规范方法有很大的差异, 其差别要点汇总于表 2 嵌岩桩竖向承载力的四种规范计算方法表 1 计算方法规范方法出处规范计算公式采用类似计算方法的地方标准地基规范法国家标准建筑地基基础设计规范 (GB ) [1] 第条第 3,4 款及第条 R q A f A a pa p r rk p 式中 :q pa 为持力岩层端阻力特征值 ;ψ r 为折减系数, 对完整岩体可取 0.5, 对较完整岩体可取 0.2~0.5 [5] 湖北省标准 [6] 贵州省标准 [7] 浙江省标准 [8] 重庆市标准高层勘察规程法行业标准高层建筑岩土工程勘察规程 (JGJ ) [3] 第条 Q Q Q Q u q l u q h q A u sk rs rp s sik i r sir ri pr p i1 i1 式中 :Q sk,q rs,q rp 分别为土的总极限侧阻力标准值嵌岩段总极限侧阻力标准值持力岩层总极限端阻力标准值 ;q sir 为桩身全断面嵌入第 i 层中风化微风化岩层的极限侧力 ;q pr 为基岩持力层的极限端阻力标准值 [9] 福建省标准 1 R R R R u q l u C f h C f A a sa ra rp s s sik i r 2i rsi ri 1 rk p 2 i1 i1 公路规范法行业标准公路桥涵地基与基础设计规范 ( JTG D ) [4] 第条式中 :R sa,r ra,r rp 分别为土的总侧阻力特征值嵌岩段总侧力特征值持力岩层总端阻力特征值 ;ζ s 为覆盖层土的侧阻力发挥系数, 根据桩端 f rk 确定 ;C 1 为端阻力发挥系数, 由清孔情况岩石破碎程度等因素确定, 对完整较完整岩体可取 0.6, 对较破碎岩体可取 0.5, 对破碎极破碎岩体可取 0.4;C 2i 为第 i 层岩层侧阻力发挥系数, 由清孔情况岩石破碎程度等因素确 [10] 广东省标准定, 对完整较完整岩体可取 0.05, 对较破碎岩体可取 0.04, 对破碎极破碎岩体可取 0.03; f rsi 为桩侧第 i 层中风化微风化岩层的岩石单轴抗压强度标准值桩基规范法行业标准建筑桩基技术规范 (JGJ ) [2] 第条及对应条文说明 Q Q Q Q Q Q u q l u f h f A u q l f A u sk rs rp sk rk s sik i r s rk r p rk p s sik i r rk p i1 i1 式中 :Q rk 为嵌岩段总极限阻力标准值 ;ζ s,ζ p,ζ r 分别为嵌岩段侧阻力系数嵌岩段端阻力系数嵌岩段侧阻和端阻综合系数, 与嵌岩深径比 h r/ 岩石软硬程度和成桩工艺有关, 具 [2] 体取值见规范原文 [11] 成都地区标准 [12] 南京地区标准为了便于比较, 本文公式对相同的参数采用同一符号, 使用时宜对照各本规范的原文上述公式中相同符号的含义如下 :R a 为单桩竖向承备注载力特征值 ;A p 为桩端截面积, 对扩底桩, 取扩底截面积 ;f rk 为桩端岩石单轴抗压强度标准值 ;Q u 为单桩竖向极限承载力标准值 ;u s 为桩身在土层中的周长 ;q sik 为桩侧第 i 层土的极限侧阻力标准值 ;l i 为桩周第 i 层土的厚度 ;u r 为桩身在岩层中的周长 ;h ri 为桩身全断面嵌入第 i 层中风化微风化岩层内的长度 We lear we go 13

2 Builig Structure 四种规范计算方法之间的差别要点表 2 差别要点地基规范法高层勘察规程法公路规范法桩基规范法基岩风化程度未风化微风化中风化中等风化微风化 - 未风化岩中风化微风化 - 未风化岩 ( 其中对中风化层为持力层的情况,C 1,C 2 应分别乘以 0.75 的折减系数 ) 基岩坚硬程度硬质岩软岩较软岩较硬岩坚硬岩极软岩软岩较软岩较硬岩坚硬岩 ( 当 f rk<2mpa 时按常规摩擦桩计算 ) 极软岩软岩较软岩较硬岩坚硬岩基岩完整程度完整及较完整破碎较破碎较完整完整极破碎破碎较破碎较完整完整完整及较完整入岩深度嵌入完整和较完整的未风化微风化中风化硬质岩体的最小深度, 不宜小于 0.5m 当入岩深度不超过 0.5m 时,C 1 应乘以 0.75 的折减系数,C 2=0 对于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于 0.4 且不小于 0.5m; 倾斜度大于 30% 的中风化岩, 宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大嵌岩深度 ; 对于嵌入平整完整的坚硬岩和较硬岩的深度不宜小于 0.2, 且不应小于 0.2m 基岩的层数桩端可以嵌入岩性或风化程度不同的多个岩层中桩端可以嵌入岩性或风化程度不同的多个岩层中桩端仅可以嵌入岩性和风化程度相同的单个岩层 50~100mm( 当沉渣厚度小于桩径不超过 1.5m 时沉渣厚度 50mm 对泥浆护壁成孔灌注桩, 端承型桩沉桩端沉渣厚度无沉渣 50mm 时, 其极限端阻力可乘以内, 桩径超过 1.5m 时 100mm 以渣厚度 50mm 以内, 摩擦型桩沉渣厚以 1.1~1.2 取值 ) 内度 100mm 以内成桩工艺冲 ( 钻 ) 孔灌注桩无沉渣的挖孔桩钻孔灌注桩挖孔桩 ( 对钻孔桩, C 1,C 2 应降低 20% 采用 ) 适用于泥浆护壁成桩, 对于干作业成桩 ( 清底干净 ) 和泥浆护壁成桩后注浆,ζr 应乘以 1.2 取值是否考虑覆盖层土的侧阻力是否考虑嵌岩深径比效应完全不考虑考虑根据桩端 f rk 值大小考虑考虑不考虑不考虑不考虑考虑计算结果单桩竖向承载力特征值单桩竖向极限承载力标准值单桩竖向承载力特征值单桩竖向极限承载力标准值 2 对嵌岩桩岩土勘察报告的研读仔细研读正确使用岩土勘察报告, 是做好结构设计的关键环节之一, 其步骤和方法见文 [13] 四类规范计算方法都是直接或间接以基岩的 f rk 推算嵌岩段的桩承载能力, 因此对拟采用嵌岩桩的工程, 应重点检查勘察报告对基岩持力层的勘察和评价是否到位, 包括 : (1) 是否评定了基岩的坚硬程度完整程度和基本质量等级从表 2 可知, 该评价结论将是决定采用何种规范计算方法的主要依据 (2) 勘探孔是否已钻入预计嵌岩面以下 (3~5), 并穿过溶洞破碎带, 到达稳定地层 (3) 基岩持力层 f rk 试验值是否具有足够的代表性一方面应采取不少于 6 组的岩样进行单轴抗压强度试验, 另一方面岩样应取自预计桩端深度范围有的场地上部基岩裂隙发育而取样困难, 用于抗压强度试验的岩样取自该岩带的下部, 甚至取样深度已接近钻孔终孔深度对此有必要要求勘察单位取上部的破碎岩样补充做点荷载试验, 或根据地方经验对岩样 f rk 值作适当降低对基岩设计参数的检查判断, 可进一步参考文 [14] 3 注意规范方法适用条件, 避免嵌岩桩设计误区笔者认为, 嵌岩桩竖向承载力四种规范计算方法的差异, 可能是源于地区行业的习惯和统计数据来源的差异按照我国技术标准体系的特点, 列入规范 14 We lear we go

3 Builig Structure 的方法公式一般都有一定的实测数据成功的工程经验予以支持, 是比较成熟可靠的根据有关研究 [15-19], 各种规范方法的承载力估算结果都普遍偏于安全, 个别情况下有较大的富余, 因此不存在哪种方法更好的问题具体使用时需注意规范方法的适用条件配套的施工要求 ( 如成桩工艺桩端沉渣厚度等 ) 和调整系数的正确取值, 因地制宜地合理选择采用下面就一些相关问题进行分析讨论 3.1 是否可以采用地基规范法估算嵌入软岩的嵌岩桩承载力对嵌入完整较完整硬质基岩的嵌岩桩, 地基规范法提供了只计端阻力的单桩承载力简化计算公式按建筑地基基础设计规范 [1] 表 4.1.3, 硬质岩 f rk >30MPa 有些工程师没有注意到此法的适用条件例如文 [15] 记载了一个嵌岩桩承载力实测值与规范估算值对比的实例, 该工程实测值与估算值见表 3; 原文未交代桩端持力层 f rk 值和完整程度, 按该文规范估算值反算, 其持力层 f rk 值低于 30MPa( 表 3), 可见该工程基岩不属于硬质岩, 是不能采用地基规范法估算承载力的又如文 [16] 记载了另一个嵌岩桩承载力实测值与规范估算值对比的实例, 原文按 89 版建筑地基基础设计规范的规定进行估算, 若从现行建筑地基基础设计规范 [1] 的角度来看, 该工程基岩 f rk 值仅为 10MPa 低于桩身混凝土强度 C25, 也是不能采用地基规范法估算承载力的文 [15] 试桩结果与规范估算值对比表 3 地基规范桩实测单桩按 ψ r=0.5 反按 ψ r=0.2 反桩法估算单径承载力特算桩端持力算桩端持力号桩承载力 /m 征值 /kn 层 f rk 值 /MPa 层 f rk 值 /MPa 特征值 /kn 3.2 设计阶段是否可以采用高层勘察规程法高层勘察规程法本来是供勘察阶段估算单桩竖向极限承载力的作为全国性的行业标准, 考虑到我国地域宽阔岩石性状变化大, 高层建筑岩土工程勘察规程 [3] 提供的嵌岩段桩侧阻力桩端阻力范围值较大, 可靠性相对较低该法实际上是传统桩基设计概念的延续, 直接建立嵌岩段桩侧阻力桩端阻力与基岩风化程度完整程度和软硬程度之间的经验关系, 利用这种关系预估单桩承载力当与地方经验相结合, 该法估算结果的 [9] 可靠性比较高, 如福建地方标准提供的中风化岩桩侧阻力桩端阻力范围值就较小, 可用于常规嵌岩深径比的嵌岩桩工程 3.3 建筑工程是否适合采用公路规范法公路规范法在我国交通部门广泛采用, 对大多数建筑行业的工程师而言则比较陌生, 只是在广东地区 [10,20] 建筑工程应用较多, 广东省标准一直沿用此法, 多年的实践证明是安全可靠的例如广州某 18 层酒店采用钻 ( 冲 ) 孔嵌岩桩基础, 如图 1 所示塔楼桩径 Φ1200~Φ1800, 桩端嵌入较完整的微风化花岗岩 0.5m, 基岩 f rk 值为 25.5MPa, 按公路规范法 ( 广东省标准 [10] ) 确定单桩承载力特征值为 11000~25100kN 受现场条件限制未进行静载试验, 改用钻芯法测定桩底沉渣厚度并钻取桩端持力层岩土芯样检验桩端持力层, 确认满足设计要求后予以验收在施工过程中进行了系统的沉降观测, 直至沉降趋于稳定 ( 工程竣工 2 年后 ) 为止, 最大沉降量为 13.29mm, 最大沉降差为 2.29mm, 说明该工程桩承载力的设计取值是安全合理的 zh < <30 zh < <30 zh < <30 zh < 地基规范法的意义在于硬质基岩强度超过了桩身混凝土强度, 嵌岩桩承载力以桩身强度控制, 不必要再计入侧阻嵌岩阻力等不确定因素这种情况下, 用何种规范方法估算岩土对嵌岩桩的支承阻力其实并不重要, 重点在于保证桩身强度, 不必做桩端扩底, 也没有必要过分追求嵌岩深度 ; 提高单桩承载力的有效途径是增大桩径提高桩身材料强度以及在施工中确保桩身质量减少桩端沉渣厚度图 1 某酒店嵌岩桩基础平面公路规范法也是传统桩基设计方法的延续, 根据基岩风化程度完整程度建立嵌岩段桩侧阻力桩端阻力与基岩 f rk 之间的比例关系其优点是适用条件宽 We lear we go 15

4 Builig Structure 松范围广, 例如下文提到的两种基岩特殊情况都可以用公路规范法很方便地估算出桩承载力其缺点是没有考虑嵌岩深径比对桩侧阻力端阻力分摊比例的影响, 公式中端阻力与嵌岩深度无关侧阻力随嵌岩深度无限增加, 是与实际不符的当嵌岩深径比较大或需要详细考虑嵌岩桩侧阻力和端阻力分摊比例时, 宜采用桩基规范法 3.4 桩基规范法的有关问题理论及试验表明, 在竖向荷载作用下, 桩侧阻力较桩端阻力先发挥, 且嵌岩段的侧阻力相当大, 嵌入中微风化基岩一定深度后桩底压力已很小 94 版建筑桩基技术规范 [21] 引入嵌岩段侧阻力端阻力系数反映了这一现象, 但该规范参数在 h r / 5 时嵌岩段总极限阻力反而减少, 似乎不合理 2008 版建筑桩基技术规范 [2] 修改了嵌岩段侧阻力阻力修正系数, 克服了旧版规范的上述问题, 比较符合嵌岩桩的竖向承载性状以下就两种特殊情况下如何运用桩基规范法进行分析讨论桩端中 ( 微 ) 风化基岩能取样测定 f rk 值完整程度为破碎较破碎根据本文的定义, 这种情况仍属于嵌岩桩建筑桩基技术规范 [2] 对此存在以下问题 : (1) 该规范表和表提供了传统桩基设计方法的经验参数, 其中仅有强风化岩层的参数, 似乎暗示对中 ( 微 ) 风化基岩就可以按嵌岩桩模式进行计算 (2) 该规范第条则规定, 仅完整较完整的基岩方可按嵌岩桩模式进行计算 (3) 因此对风化程度为中 ( 微 ) 风化完整程度为破碎较破碎的基岩, 该规范没有清晰的设计指引鉴于基岩完整程度只是定性评价指标, 多数勘察报告判定完整程度并不十分严谨, 笔者认为, 只要中 ( 微 ) 风化基岩能取样测定 f rk 值, 即使勘察报告判定其完整程度为破碎较破碎, 仍可采用桩基规范法建议考虑岩层破碎的影响, 对嵌岩段侧阻和端阻综合系数 ζr 适当折减, 折减系数可参考公路桥涵地基与基础设计规范 [4] 中 C 1,C 2 在基岩不同完整程度下的比例关系, 对较破碎基岩建议取 0.8~0.85, 对破碎基岩建议取 0.6~0.65 此外应重视桩基沉降问题, 建议对桩端沉渣厚度提出更加严格的要求, 施工期间加强沉降观测以监控桩基沉降的发展桩端嵌入岩性或风化程度不同的多个岩层建筑桩基技术规范 [2] 对嵌岩段总极限阻力作了如下简化计算 : Q Q Q rk rs rp π s πhr p 4 4hr π s rp 4 π 2 r (1) 推导过程中嵌岩段侧阻力和端阻力采用了相同的 f rk 值, 说明建筑桩基技术规范 [2] 的简化计算公式仅适用于桩端嵌入岩性和风化程度相同的单一岩层当地面以下第一个中 ( 微 ) 风化岩层厚度较小或 f rk 值较低时, 为满足承载力要求嵌岩桩往往需要穿越该岩层进入下一层岩性或风化程度不同的岩层 ( 图 2) 对这种情况, 建筑桩基技术规范 [2] 的简化计算公式反而容易造成认识上的混乱, 如图 2 中的嵌岩深度 h r 应该取 h r1,h r1 +h r2 还是 h r2? 基岩 f rk 值是取 f rk1, f rk2 还是加权平均? (a) 基岩特殊情况 1 (b) 基岩特殊情况 2 图 2 桩端基岩特殊情况举例如用桩基规范法计算嵌岩段有多个岩层的情况, 建议不采用建筑桩基技术规范 [2] 的简化计算公式, 而按下面公式直接计算嵌岩段侧阻力和端阻力 : Q Q Q Q u q l u f h f A u sk rs rp s sik i r si rki ri p rk p i1 i1 (2) 式 (2) 中各嵌岩段侧阻力系数 ζ si 端阻力系数 ζ p 可参阅建筑桩基技术规范 [2] 第条条文说明的表 9, 查表时嵌岩总深度 h r 可按下式计算, 即 h r 从地面以下第一个中风化岩面起计 ( 如中风化岩层缺失则从第一个微风化岩面起计 ): 4 结语 h r h (3) i1 ri 结构设计没有唯一解, 在保证安全的前提下可用解可以有很多技术规范是工程实践经验和教训的总 16 We lear we go

5 Builig Structure 结, 因此对同一个工程问题, 不同的规范可能会有不同的规定, 提供不同的解决方案结构工程师一方面应尊重技术规范中包含的工程经验, 另一方面应注意各种规范方法的适用范围, 分析其局限性, 对比其地区性合理性的差别, 并在工程实践对其进行检验, 不断地改进和提高参考文献 [1] GB 建筑地基基础设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2002. [2] JGJ 建筑桩基技术规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2008. [3] JGJ 高层建筑岩土工程勘察规程 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2004. [4] JTG D 公路桥涵地基与基础设计规范 [S]. 北京 : 人民交通出版社,2007. [5] DB42/ 建筑地基基础技术规范 [S]. ( 湖北省地方标准, 内部发行 ). [6] DB22/ 贵州建筑地基基础设计规范 [S]. ( 贵州省地方标准, 内部发行 ). [7] DB33/ 建筑地基基础设计规范 [S]. ( 浙江省标准, 内部发行 ). [8] DBJ 建筑地基基础设计规范 [S]. ( 重庆市工程建设标准, 内部发行 ). [9] DBJ 建筑地基基础技术规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2006. [10] DBJ 建筑地基基础设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2003. [11] DB51/T 成都地区建筑地基基础设计规范 [S]. ( 四川省地方标准, 内部发行 ). [12] DGJ32/J 南京地区建筑地基基础设计规范 [S]. ( 江苏省地方标准, 内部发行 ). [13] 古今强, 侯家健. 浅谈结构工程师对岩土勘察报告的研读与使用 [J]. 建筑结构技术通讯,2009,39(5): 16-19,12. [14] 张先亮. 关于岩基承载力取值分析与探讨 [J]. 岩土工程界,2009,12(8): [15] 有智慧, 龚维明, 戴国亮. 嵌岩桩极限承载力理论分析与试验研究 [J]. 路基工程,2009(1): [16] 葛崇勋, 张永胜. 关于嵌岩桩竖向承载力计算方法的探讨 [J]. 江苏建筑,2001(4): [17] 施峰, 陈孝贤, 许国平, 等. 嵌岩桩承载力取值的探讨 [J]. 建筑结构,2005,35(12):9-11. [18] 钟亮, 许锡宾, 许光祥. 嵌岩桩竖向承载力设计问题的分析与探讨 [J]. 路基工程,2009(5): [19] 魏巍, 冷伍明, 聂如松, 等. 东江大桥大直径软岩嵌岩桩自平衡试验研究 [J]. 岩土工程界,2008,11(10): [20] DBJ 建筑地基基础设计规范 [S]. ( 广东省标准, 内部发行 ). [21] JGJ94 94 建筑桩基技术规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,1995. 作者简介 : 古今强, 高级工程师, 注册土木工程师 ( 岩土 ), 一级注册结构工程师, 英联邦结构工程师 (MISructE), kigckog@tom.com 侯家健, 博士, 高级工程师, 一级注册结构工程师, 英联邦结构工程师 (MISructE), kethou@tom.com ( 上接第 12 页 ) 最大值的 1.5 倍 ( 取二者的较小值 ), 为此, 宜使框架 - 剪力墙结构的刚度特征值不小于框支柱调整上限建筑抗震设计规范 (GB ), 对部分框支剪力墙结构, 除了明确规定框支层的楼层侧向刚度不应小于相邻非框支层楼层侧向刚度的 50% 外, 还首次明确要求框支框架的底层框架部分承担的地震倾覆力矩, 不应大于结构总地震倾覆力矩的 50%, 其目的是要使部分框支剪力墙结构在转换层以下具有足够的落地剪力墙量, 即部分框支剪力墙结构在转换层及转换层以下的部分也应具有框架 - 剪力墙结构的属性所以, 部分框支剪力墙结构的框支柱的最小地震剪力也应进行调整 ( 详见建筑抗震设计规范 (GB ) 和高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3 2010) 的相关条文的要求 ) 框支柱的地震剪力调整同样不建议设上限, 当调整系数超过 5 较多时, 宜调整结构的布置 4.7 顶塔楼内力放大顶塔楼内力放大突出屋面的楼电梯间等小塔楼, 由于刚度突变, 在地震时易于发生鞭梢效应而破坏根据建筑抗震设计规范 (GB ) 第条的规定, 当采用底部剪力法进行抗震设计计算时, 对突出屋面的楼电梯间等小塔楼宜乘以增大系数 3 对结构内力进行放大, 此内力增大部分不往下传, 但与屋顶小塔楼相连的构件应考虑这种放大的影响当采用振型分解反应谱法进行结构整体计算时, 突出屋面的楼电梯间等小塔楼, 可按层建模分层输入, 可不考虑增大系数建议结构工程师在进行结构整体计算时, 宜将屋顶小塔楼分层建模输入, 用振型分解反应谱法进行抗震设计计算, 不乘内力增大系数当屋面上有多个小塔楼时, 可定义多塔计算顶塔楼内力放大起算层号当采用底部剪力法进行结构整体计算时, 可按工程的实际情况填入顶塔楼内力放大起算层号, 并相应填入内力放大系数 3; 当采用振型分解反应谱法进行结构整体计算时, 只要取够计算振型数, 可以不必填入内力放大系数, 此时, 内力放大起算层号和内力放大系数均填为 0 参考文献 [1] 高立人, 方鄂华, 钱稼茹. 高层建筑结构概念设计 [M]. 北京 : 中国计划出版社,2005. We lear we go 17

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Untitiled 浅谈桩挤土效应对锤击 PHC 桩竖向极限承载力的影响 Extrusion Effect of Hammering PHC Pile on Vertical Ultimate Bearing Capacity of PHC Pile 秦建军 Qin Jianjun [ 摘要 ] 通过工程实例, 采用经验参数法和静载试验相结合的方法, 分析桩挤土效应对锤击 PHC 桩竖向极限承载力的影响 [ 关键词 ]