中歐（新加坡）規范樁基豎向抗壓承載力計算方法對比

張培印

（中國水電基礎局有限公司，天津 301700）

0 引 言

隨著中國企業“走出去”戰略的逐步實施，中國建筑企業在全球范圍內的業務量逐步提升；不同地區都有各自適用的規范條文，在亞洲，尤其是新加坡自 2015年以來建筑設計規范逐步由英國標準轉為歐洲規范，即由 BS EN1997-1:2004、BS EN1997-2:2007分別轉為EN1997-1、EN1997-2。其中，EN1997-1為歐洲規范第 7卷巖土工程設計部分，其設計原理秉承歐洲規范的主要設計思想，即強調極限狀態設計，指定在設計中要區分出承載力極限狀態與正常使用極限狀態[1]。基于巖土設計本身的復雜性，并考慮各個國家地質、氣候、經濟條件等具體情況，發行各國家附錄（NA），具體到樁基承載力設計上，又有不同的設計方法、設計路徑、設計組合以及調整系數、模型系數可供選取[2]。

EN1997-1通過采用不同設計作用效應、設計抗力表達式組合及引進不同分項系數的方式，提出了3種設計路徑（Design Approach），分別被稱為DA-1、DA-2和DA-3。DA-1對荷載作用或抗力作用分項系數，DA-2對荷載作用和抗力作用分項系數，DA-3對結構作用和材料參數作用分項系數。選擇何種設計途徑是由相關國家自行決定的[3]，并在各國家附錄中明確規定。新加坡樁基規范指明采用路徑一進行設計。中方工程設計與施工人員往往對國標《建筑樁基技術規范》（下文簡稱“樁規”）較為熟悉，開展海外樁基工程不可避免地要理解并接受歐洲標準與國標的差異，需要分析國內外樁基設計中存在差異的原因。

1 新加坡樁基設計

1.1 設計路徑及分項系數

與我國標準不同的是，歐洲規范采用以概率理論為基礎、按分項系數表達的極限狀態設計方法。根據規定，新加坡選取設計路徑一進行樁基設計[4]，作用（A）、抗力（R）與材料（M）通過不同的分項系數組合，在路徑一中形成兩種組合方式：組合一 DA1-C1（Design approach 1, combination 1）與組合二 DA1-C2（Design approach 1, combination 2），見表1。

表1 設計路徑—兩種組合方式Table 1 Combinations under DA-1

表中，A1為作用分項系數，取A1組值；M1為材料分項系數，取M1組值；R1為抗力，取R1組值，依此類推。

作用分項系數見表2。

表2 作用分項系數Table 2 Partial load factor

歐洲規范鼓勵通過靜載荷試樁得到特征值，對利用數值求解樁基承載力特征值，沒有具體規定；若通過數值求解承載力，應當考慮計算模型的系統性錯誤或呈現一定范圍的不確定性，引入一個大于1的模型系數（model factor）來調整抗力系數[5]，對計算結果進行修正，以保證計算結果的精度或安全性。模型系數在國家附錄中有規定，該系數既可施加到作用效應上，也可施加到抗力項上；歐洲規范推薦值為1.4，新加坡通常采用1.35。

1.2 抗壓承載力設計值計算公式

根據1.1節描述，新加坡規范樁基抗壓承載力設計值計算公式為：

式中：Rc;d為樁基豎向承載力設計值；Rs;d為樁側抗力設計值，可視為樁側抗力；Rb;d為樁端抗力設計值，可視為樁端抗力；Rs;k為樁側阻力特征值；Rb;k為樁端阻力特征值；γR;d為模型系數；γs為樁側阻力分項系數；γb為樁端阻力分項系數；qsi;k為第i層土單位面積樁側阻力標準值；qb;k為樁端阻力標準值；As;i為第i層土樁身面積；Ab為樁端面積。值得注意的是，歐標中的承載力設計值，是極限狀態承載力的概念。從數值上講，Rs;k與Rb;k本身分別是樁側與樁端阻力的極限值，除以一個接近2的組合系數后即變為設計值；國標“樁規”中承載力特征值也可看作由樁側承載力特征值與樁端承載力特征值之和，見公式（9），只是這里的特征值是由樁側、樁端極限值除以安全系數2所得，從數值上看，兩個規范里的特征值約相差1倍，即歐標中的特征值大于“樁規”特征值。換言之，“樁規”中的承載力特征值Ra可認為是歐標中的承載力設計值Rc;d。

2 歐標、國標樁基設計的聯系與對比

依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[6]，單樁豎向抗壓承載力的設計方法為綜合安全系數法，估算樁基豎向極限承載力標準值如下式：

可以認為：式中：Qu;k為豎向極限承載力標準值；Qs;k為樁側極限承載力標準值；Qp;k為樁端極限承載力標準值；qsi;k為第i層土單位面積樁側阻力標準值；qb;k為樁端阻力標準值；As;i為第i層土樁身面積；Ab為樁端面積；K為綜合安全系數；Ra為豎向承載力特征值，內涵同歐標中的樁基承載力設計值Rc;d。

安全系數綜合涵蓋了諸多不確定因素，如地質條件、土體性能、施工因素等，極限承載力標準值除以安全系數K得到承載力特征值；該方法沒有考慮確定樁極限承載力方法的可靠性，不區分樁側、樁端達到極限狀態的先后順序，這顯然是值得商榷的。

3 計算實例

以新加坡大士污水處理廠 C3C樁基項目某試驗樁設計為例，項目地質勘察結果表明，自上而下土層劃分為：①砂質填土、②海相沉積黏土、③全風化砂巖、④強風化砂巖、⑤中風化砂巖。試樁時在護筒外側涂抹瀝青層以消除填土與海相黏土的樁側摩阻力。勘察報告給出的各土層標貫值見表3。

表3 各土層標貫值（SPT）Table 3 Standard penetration value of each soil layer

根據國內規范及歐洲規范計算結果見表4。

表4 承載力設計值Table 4 Design value of bearing capacity

從表4計算結果可以看出，EN1997-1兩種組合下計算出的樁總承載力相差較大，這是因為兩種組合對應的抗力分項系數不同，且由DA1-C2控制設計。歐洲規范考慮了樁側與樁端位移的不同步性，也就是樁側、樁端承載力發揮的不同步性，分別賦予不同的抗力分項系數。國標計算的樁承載力與DA1-C2計算結果相差不多，主要是因為歐洲規范中引入了模型系數，使得修正后的樁側承載力抗力系數達到 1.89，樁端抗力系數達到 2.295，綜合平均系數為2.01，這與國標中的安全系數K十分接近。

4 結 論

《建筑樁基技術規范》與EN1997-1關于極限承載力計算值的計算方法是相同的，均由側阻力與端阻力極限計算值組成；盡管中、歐（新加坡）規范從設計理論及思路上存在差異，但是由于抗力分項系數的組合作用，其國標承載力特征值與歐標（新加坡）承載力設計值計算結果相差不大；歐洲規范考慮了樁側、樁端阻力發揮的不同步性，國標沒有考慮這一過程。