馬 乾

(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

隨著社會(huì)發(fā)展越來(lái)越快,高鐵站、體育場(chǎng)館、會(huì)展中心等大型公共建筑工程越建越多,由于建筑空間和建筑外觀造型的需要,這類建筑的部分基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較大的水平推力。同時(shí)，在一些外部環(huán)境較為苛刻的地區(qū)建設(shè)多層、高層以及復(fù)雜體系的建筑,例如丘陵地區(qū),有不少建筑建于高坡上,有的建筑物的樁基會(huì)穿越高差較大的擋土墻后背的填土,對(duì)這類樁基在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí),還需進(jìn)行樁的水平抗力計(jì)算,甚至需要考慮邊坡失穩(wěn)后對(duì)基樁產(chǎn)生的水平力,在諸如地震、颶風(fēng)、邊坡土壓力甚至水壓力等外力作用下,許多建筑的基礎(chǔ)會(huì)因此承受較大的水平荷載,這給設(shè)計(jì)帶來(lái)不少困難。

當(dāng)前由于場(chǎng)地外部環(huán)境、施工條件及工期要求等因素的限制,各方優(yōu)先推薦使用樁基礎(chǔ)來(lái)解決水平荷載。影響單樁水平承載力及其位移的因素很多,包括樁身截面抗彎剛度、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度、樁側(cè)土質(zhì)性質(zhì)、樁身的入土深度、樁頂約束條件等。對(duì)于低配筋率(指配筋率小于0.65%)的灌注樁,通常是樁身先出現(xiàn)裂縫,而后斷裂破壞;此時(shí),單樁的水平承載力由樁身強(qiáng)度控制。對(duì)于抗彎性能較強(qiáng)的樁,如高配筋率(指配筋率不小于0.65%)的混凝土預(yù)制樁、鋼樁,樁身雖沒(méi)有斷裂,但由于樁側(cè)土體出現(xiàn)塑性隆起,或樁頂水平位移較大超過(guò)使用允許值,此時(shí)也認(rèn)為樁基水平承載力達(dá)到極限狀態(tài)。

常見(jiàn)單樁水平承載力的方法主要為水平靜載荷試驗(yàn)和計(jì)算分析2大類,國(guó)家規(guī)范以及各地方規(guī)范都首先推薦靜載荷試驗(yàn),當(dāng)試驗(yàn)條件不滿足時(shí),可以通過(guò)計(jì)算分析估算基樁水平承載力。本文重點(diǎn)闡述二者分析方法的優(yōu)缺點(diǎn),并針對(duì)預(yù)制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁,結(jié)合2019年勘察類考試案例試題計(jì)算分析單樁水平承載力特征值,以及地震作用下的單樁水平承載力特征值調(diào)整方法。

1 單樁水平承載力的主要確定方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 水平靜載荷試驗(yàn)法

優(yōu)點(diǎn):靜載荷試驗(yàn)?zāi)鼙容^真實(shí)地反映出單樁水平承載力的各項(xiàng)影響因素,是確定單樁水平承載力比較可靠的手段,其試驗(yàn)結(jié)果可以直接作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

缺點(diǎn):由于試驗(yàn)條件和技術(shù)水平有限等因素,當(dāng)前大多的試樁情況是在樁頂自由狀態(tài)下進(jìn)行的,樁頂沒(méi)有承臺(tái)嵌固也缺少豎向荷載的作用,這與建筑基樁實(shí)際使用時(shí)的狀態(tài)有較大差異; 而且大多數(shù)情況下,單樁水平靜載荷試驗(yàn)時(shí)標(biāo)高位置與實(shí)際樁頂標(biāo)高位置有一定差距,尤其當(dāng)基樁埋置較深的情況。所以單樁水平承載力試驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)難以反映實(shí)際使用時(shí)的工程情況。同時(shí)該方法相對(duì)耗時(shí)久、成本高。

1.2 水平承載力計(jì)算分析法

對(duì)于樁基水平承載力計(jì)算和設(shè)計(jì),《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1](JGJ 94-2008)(以下簡(jiǎn)稱樁基規(guī)范)中有較詳細(xì)的規(guī)定、說(shuō)明和計(jì)算方法。

優(yōu)點(diǎn):在勘察報(bào)告數(shù)據(jù)充分前提下,快速計(jì)算分析確定樁基水平承載力是一般建筑樁基工程的重要手段?，F(xiàn)行樁基規(guī)范[1]中,計(jì)算分析方法有2種。一是單樁基礎(chǔ),這里又分為低配筋率基樁和高配筋率基樁；二是群樁基礎(chǔ),計(jì)算的公式中考慮了由承臺(tái)、樁群、土相互作用產(chǎn)生的群樁效應(yīng)。這比靜載荷試驗(yàn)的應(yīng)用場(chǎng)景更豐富。

缺點(diǎn):樁基水平受荷的復(fù)雜性,決定了其水平承載力的計(jì)算公式也比較復(fù)雜,計(jì)算公式選擇和應(yīng)用起來(lái)也有較多限制,同時(shí)公式中各個(gè)參數(shù)的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果都有一定影響。因此面對(duì)不同的設(shè)計(jì)場(chǎng)景,各參數(shù)如何合理取值成為了主要難點(diǎn)。樁身強(qiáng)度控制和樁頂水平位移控制兩種工況均會(huì)受樁周土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的影響,但是,前者呈1/5m倍的關(guān)系,受影響較小;后者呈3/5m倍的關(guān)系,受影響較大。與此同時(shí),在單樁水平承載力的估算中,樁頂嵌固狀態(tài)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大,同1種樁型在相同的土層條件下,按規(guī)范法進(jìn)行計(jì)算時(shí),樁頂嵌固情況如由鉸接改成固接,單樁水平承載力可以增加超過(guò)1倍甚至更多。實(shí)際上承臺(tái)與樁頂?shù)那豆剃P(guān)系介于固接與鉸接之間,使得m值的計(jì)算范圍較廣,進(jìn)而水平承載力計(jì)算結(jié)果不夠精確,主觀影響較大。

1.3 小結(jié)

按照規(guī)范要求,受水平荷載較大的設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)、乙級(jí)的建筑樁基,應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁水平承載力試驗(yàn)確定單樁水平承載力特征值。對(duì)于初設(shè)階段和設(shè)計(jì)等級(jí)非甲級(jí)、乙級(jí)建筑樁基可通過(guò)規(guī)范所列的按樁身承載力強(qiáng)度控制的規(guī)范[1]式(5.7.2-1)和按樁頂水平位移控制的規(guī)范[1]式(5.7.2-2)進(jìn)行計(jì)算。最后對(duì)工程樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)。

2 勘察類考試案例試題計(jì)算分析

2.1 全國(guó)注冊(cè)巖土案例試題一

例【2019年全國(guó)注冊(cè)巖土工程師專業(yè)考試試題——專業(yè)案例(上午卷)】24題:

某高層建筑采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ),樁徑0.4 m,樁長(zhǎng)12 m,樁身配筋率大于0.65%,樁周土層為黏性土,樁端持力層為粗砂,水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)為25 MN/m3,試估算單樁抗震水平承載力特征值最接近下列哪個(gè)選項(xiàng)?(假設(shè)樁頂自由,EI=32 MN·m2,樁頂允許水平位移取10 mm)

A.85 kN B.105 kN

C.110 kN D.117 kN

【答案】A

【解析及提示】根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008),5.7.6節(jié)第6條,注意配筋大于0.65%,按位移控制,公式計(jì)算是否調(diào)整1.25倍?根據(jù)第7條“應(yīng)將按上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)1.25。”計(jì)算公式是第6條,按照規(guī)范要求無(wú)需乘1.25,但最終官方答案是按照乘1.25來(lái)計(jì)算。

解:d=0.4<1 m,b0=0.9(1.5×d+0.5)=0.99 m

α=5mb0EI=525×103×0.9932×103=0.95m-1αh=0.95×12=11.4>4,

表7.2.4vx=2.441式采用獨(dú)立

Rha=0.75α3EIvxχoa=0.75×0.953×32×1032.441×0.01=84.3 kN,1.25Rha=105.4 kN，故選B。

2.2 全國(guó)一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)案例試題二

例【2019全國(guó)一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師專業(yè)考試試題——(下午卷)】10～11題:

某8度設(shè)防地震建筑,未設(shè)地下水,采用水下成孔混凝土灌注樁,如圖1所示，樁徑800 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40,樁長(zhǎng)30 m,樁底端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化片麻巖,樁基按位于腐蝕環(huán)境設(shè)計(jì)?；A(chǔ)形式采用獨(dú)立樁承臺(tái),承臺(tái)間設(shè)連系梁。

圖1

10.假定樁頂固結(jié),樁身配筋率ρ=0.7%,樁身抗彎剛度4.33×105kN·m2,樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=4 MN/m4樁水平承載力由水平位移控制,允許位移為10 mm,試問(wèn)初步設(shè)計(jì)時(shí),按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)考慮地震作用組合的樁基單樁水平承載力特征值(kN)與下列何項(xiàng)數(shù)值最為接近?

A.161 kN B.201 kN

C.270 kN D.330 kN

【答案】

D

【解析及提示】本題重點(diǎn)考察規(guī)范[1]中,5.7.2第7條“驗(yàn)算永久荷載控制的樁基的水平承載力時(shí),應(yīng)將上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)0.80;驗(yàn)算地震作用樁基的水平承載力時(shí),宜將按上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)1.25?！?/p>

樁規(guī)5.7.5:d=0.8<1 m,b=0.9(1.5×d+0.5)=1.53 m

αh=0.4266×30=12.8>4,α=5mb0EI=54×103×1.534.33×105=0.4266 m-1

表7.2.4vx=0.94

Rha=0.75α3EIvxχoa=0.75×0.42663×4.33×1050.94×0.01=268.21 kN,RhaE=268.21×1.25=335.26 kN，故選D。

2.3 小結(jié)

以上兩題中均屬于配筋率不小于0.65%的灌注樁情況,故采用5.7.2第6條計(jì)算公式:Rha=0.75α3EIvxχoa，其地震作用樁基的水平承載力原本按照規(guī)范第7條無(wú)須乘以調(diào)整系數(shù)1.25,但是查閱上版《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)并對(duì)比現(xiàn)行規(guī)范[1]得知,新版規(guī)范中5.7.2第5條為新增,導(dǎo)致第6條為原規(guī)范第5條的遞延,規(guī)范中“應(yīng)將上述2～5款方法”內(nèi)容未更新,故采用第6條計(jì)算地震作用的樁基水平承載力后仍需乘以1.25。同時(shí)，這樣的調(diào)整做法與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](GB 50011-2010)處理結(jié)果也是吻合的。

延伸分析,如果題目中條件“允許水平位移為10 mm”改為“地震作用下允許水平位移為10 mm”,此時(shí)按照現(xiàn)行規(guī)范[1]中5.7.2第6條計(jì)算得出的結(jié)果不需要乘1.25?？紤]地震作用下的結(jié)果放大,我們不光可以認(rèn)為是承載力的放大,是否可以認(rèn)為是因?yàn)槲灰频姆糯筮M(jìn)而使得計(jì)算結(jié)果的放大,

3 總 結(jié)

(1) 實(shí)際工程中在樁頂嵌固狀態(tài)不明前提下,從可靠度、安全性的角度考慮,單樁水平承載力特征值計(jì)算建議按鉸接考慮,但仍需進(jìn)一步積累工程經(jīng)驗(yàn)后明確。

(2) 結(jié)合規(guī)范[1]和規(guī)范[2]中有關(guān)規(guī)定,單樁水平向抗震承載力特征值,無(wú)論是低配筋率基樁還是高配筋率、鋼制等基樁,均比非抗震設(shè)計(jì)時(shí)提高25%。

(3) 當(dāng)依據(jù)豎向載荷完成布樁,水平承載力不滿足要求時(shí),可以采用增加基礎(chǔ)埋深、增大樁徑或增加樁數(shù)等措施來(lái)滿足樁基水平承載要求。

(4) 樁基水平承載力的確定是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,將實(shí)際工程計(jì)算分析與水平靜載荷試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)研究可以對(duì)規(guī)范[1]公式中各參數(shù)的取值進(jìn)行修正調(diào)整,進(jìn)而較準(zhǔn)確驗(yàn)算出其他位置樁基水平力承載力。

(5) 不少國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、地方規(guī)范條例對(duì)樁基的水平抗震驗(yàn)算均有涉及,但計(jì)算方法和使用范圍缺少統(tǒng)一明確的規(guī)定,設(shè)計(jì)時(shí)建議結(jié)合設(shè)計(jì)主體的類別選擇相應(yīng)的國(guó)家規(guī)范及地方規(guī)范。