單樁水平承載力確定方法及抗震計算調整分析

馬 乾

(中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

隨著社會發展越來越快,高鐵站、體育場館、會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結構經常會出現較大的水平推力。同時，在一些外部環境較為苛刻的地區建設多層、高層以及復雜體系的建筑,例如丘陵地區,有不少建筑建于高坡上,有的建筑物的樁基會穿越高差較大的擋土墻后背的填土,對這類樁基在進行邊坡穩定性分析時,還需進行樁的水平抗力計算,甚至需要考慮邊坡失穩后對基樁產生的水平力,在諸如地震、颶風、邊坡土壓力甚至水壓力等外力作用下,許多建筑的基礎會因此承受較大的水平荷載,這給設計帶來不少困難。

當前由于場地外部環境、施工條件及工期要求等因素的限制,各方優先推薦使用樁基礎來解決水平荷載。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、結構材料強度、樁側土質性質、樁身的入土深度、樁頂約束條件等。對于低配筋率(指配筋率小于0.65%)的灌注樁,通常是樁身先出現裂縫,而后斷裂破壞;此時,單樁的水平承載力由樁身強度控制。對于抗彎性能較強的樁,如高配筋率(指配筋率不小于0.65%)的混凝土預制樁、鋼樁,樁身雖沒有斷裂,但由于樁側土體出現塑性隆起,或樁頂水平位移較大超過使用允許值,此時也認為樁基水平承載力達到極限狀態。

常見單樁水平承載力的方法主要為水平靜載荷試驗和計算分析2大類,國家規范以及各地方規范都首先推薦靜載荷試驗,當試驗條件不滿足時,可以通過計算分析估算基樁水平承載力。本文重點闡述二者分析方法的優缺點,并針對預制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁,結合2019年勘察類考試案例試題計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整方法。

1 單樁水平承載力的主要確定方法優缺點分析

1.1 水平靜載荷試驗法

優點:靜載荷試驗能比較真實地反映出單樁水平承載力的各項影響因素,是確定單樁水平承載力比較可靠的手段,其試驗結果可以直接作為設計依據。

缺點:由于試驗條件和技術水平有限等因素,當前大多的試樁情況是在樁頂自由狀態下進行的,樁頂沒有承臺嵌固也缺少豎向荷載的作用,這與建筑基樁實際使用時的狀態有較大差異; 而且大多數情況下,單樁水平靜載荷試驗時標高位置與實際樁頂標高位置有一定差距,尤其當基樁埋置較深的情況。所以單樁水平承載力試驗時的狀態難以反映實際使用時的工程情況。同時該方法相對耗時久、成本高。

1.2 水平承載力計算分析法

對于樁基水平承載力計算和設計,《建筑樁基技術規范》[1](JGJ 94-2008)(以下簡稱樁基規范)中有較詳細的規定、說明和計算方法。

優點:在勘察報告數據充分前提下,快速計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。現行樁基規范[1]中,計算分析方法有2種。一是單樁基礎,這里又分為低配筋率基樁和高配筋率基樁；二是群樁基礎,計算的公式中考慮了由承臺、樁群、土相互作用產生的群樁效應。這比靜載荷試驗的應用場景更豐富。

缺點:樁基水平受荷的復雜性,決定了其水平承載力的計算公式也比較復雜,計算公式選擇和應用起來也有較多限制,同時公式中各個參數的取值對計算結果都有一定影響。因此面對不同的設計場景,各參數如何合理取值成為了主要難點。樁身強度控制和樁頂水平位移控制兩種工況均會受樁周土水平抗力系數的比例系數m的影響,但是,前者呈1/5m倍的關系,受影響較小;后者呈3/5m倍的關系,受影響較大。與此同時,在單樁水平承載力的估算中,樁頂嵌固狀態對計算結果影響很大,同1種樁型在相同的土層條件下,按規范法進行計算時,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1倍甚至更多。實際上承臺與樁頂的嵌固關系介于固接與鉸接之間,使得m值的計算范圍較廣,進而水平承載力計算結果不夠精確,主觀影響較大。

1.3 小結

按照規范要求,受水平荷載較大的設計等級為甲級、乙級的建筑樁基,應通過現場單樁水平承載力試驗確定單樁水平承載力特征值。對于初設階段和設計等級非甲級、乙級建筑樁基可通過規范所列的按樁身承載力強度控制的規范[1]式(5.7.2-1)和按樁頂水平位移控制的規范[1]式(5.7.2-2)進行計算。最后對工程樁進行靜載荷試驗檢測。

2 勘察類考試案例試題計算分析

2.1 全國注冊巖土案例試題一

例【2019年全國注冊巖土工程師專業考試試題——專業案例(上午卷)】24題:

某高層建筑采用鋼筋混凝土樁基礎,樁徑0.4 m,樁長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,水平抗力系數的比例系數為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選項?(假設樁頂自由,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《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008),5.7.6節第6條,注意配筋大于0.65%,按位移控制,公式計算是否調整1.25倍?根據第7條“應將按上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調整系數1.25。”計算公式是第6條,按照規范要求無需乘1.25,但最終官方答案是按照乘1.25來計算。

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 全國一級注冊結構案例試題二

例【2019全國一級注冊結構工程師專業考試試題——(下午卷)】10～11題:

某8度設防地震建筑,未設地下水,采用水下成孔混凝土灌注樁,如圖1所示，樁徑800 mm,混凝土強度等級C40,樁長30 m,樁底端進入強風化片麻巖,樁基按位于腐蝕環境設計。基礎形式采用獨立樁承臺,承臺間設連系梁。

圖1

10.假定樁頂固結,樁身配筋率ρ=0.7%,樁身抗彎剛度4.33×105kN·m2,樁側土水平抗力系數的比例系數m=4 MN/m4樁水平承載力由水平位移控制,允許位移為10 mm,試問初步設計時,按《建筑樁基技術規范》(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)與下列何項數值最為接近?

A.161 kN B.201 kN

C.270 kN D.330 kN

【答案】

D

【解析及提示】本題重點考察規范[1]中,5.7.2第7條“驗算永久荷載控制的樁基的水平承載力時,應將上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調整系數0.80;驗算地震作用樁基的水平承載力時,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整系數1.25。”

樁規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

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條計算公式:Rha=0.75α3EIvxχoa，其地震作用樁基的水平承載力原本按照規范第7條無須乘以調整系數1.25,但是查閱上版《建筑樁基技術規范》(JGJ94-94)并對比現行規范[1]得知,新版規范中5.7.2第5條為新增,導致第6條為原規范第5條的遞延,規范中“應將上述2～5款方法”內容未更新,故采用第6條計算地震作用的樁基水平承載力后仍需乘以1.25。同時，這樣的調整做法與《建筑抗震設計規范》[2](GB 50011-2010)處理結果也是吻合的。

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”,此時按照現行規范[1]中5.7.2第6條計算得出的結果不需要乘1.25。考慮地震作用下的結果放大,我們不光可以認為是承載力的放大,是否可以認為是因為位移的放大進而使得計算結果的放大,

3 總 結

(1) 實際工程中在樁頂嵌固狀態不明前提下,從可靠度、安全性的角度考慮,單樁水平承載力特征值計算建議按鉸接考慮,但仍需進一步積累工程經驗后明確。

(2) 結合規范[1]和規范[2]中有關規定,單樁水平向抗震承載力特征值,無論是低配筋率基樁還是高配筋率、鋼制等基樁,均比非抗震設計時提高25%。

(3) 當依據豎向載荷完成布樁,水平承載力不滿足要求時,可以采用增加基礎埋深、增大樁徑或增加樁數等措施來滿足樁基水平承載要求。

(4) 樁基水平承載力的確定是一個非常復雜的問題,將實際工程計算分析與水平靜載荷試驗結合起來研究可以對規范[1]公式中各參數的取值進行修正調整,進而較準確驗算出其他位置樁基水平力承載力。

(5) 不少國家規范標準、地方規范條例對樁基的水平抗震驗算均有涉及,但計算方法和使用范圍缺少統一明確的規定,設計時建議結合設計主體的類別選擇相應的國家規范及地方規范。