乌当桩基设计的几个疑难问题

         汇总了《建筑桩基技术规范》施行近半年以来遇到的几个问题，归纳起来为三类：

        1）个别规范条文容易被误解或忽略，如空心桩桩身截面模量W0的取值；

        2）规范条文没有涉及的实际问题，如桩身压屈效应和负摩阻力的叠加问题；

         3）极个别的规范规定值得商榷，如液化土中桩身压屈计算长度lc的取值问题。

        对这些实际问题进行了讨论，提出了作者的意见供同行参考。

        1、 桩身压屈效应和桩负摩阻力的叠加问题

       ①  规范内容简述

       新桩基规范强调了桩身压屈效应和负摩阻力效应的重要性，分别在第3.1.3条第2款和5.4.2条以强制性条文的形式提出相关要求，并在第5.8.4条和5.4.3~5.4.4条分别提供了计算方法。

       桩身压屈效应是使桩身承载力下降，需要乘以桩身稳定系数进行折减；负摩阻力效应是使桩身承受向下的附加荷载。

         ②  设计相关问题

        需要考虑桩身压屈效应的场合往往也需要考虑负摩阻力效应。例如，广州地区很多场地有较厚的淤泥，其性质较差（含水量w=60~，直接快剪指标c=3~5kPa、φ=1~30）,符合需要验算桩身压屈效应的条件。同时场地平整在其上有几米厚的新近回填松散填土，也需要考虑负摩阻力的不利影响。是否应把两者的不利影响叠加考虑，即对桩身承载力乘以桩身稳定系数进行折减，同时桩身还要另外附加负摩阻力。如果这样算下来，桩数比以往要增加不少。

         ③  讨论及设计建议

         判断是否需要叠加桩身压屈效应和负摩阻力的不利影响，应分析两者是否会同时发生的。在工程的前期，桩侧的淤泥还没有固结，不存在桩周土层沉降超过基桩沉降的情况，不需要计算负摩阻力；同时淤泥性质较弱，对桩身受压失稳的约束能力不足，应考虑桩身稳定性问题。在工程的后期，桩侧的淤泥固结逐步达到稳定，桩周土层沉降超过基桩沉降，桩负摩阻力达到峰值，应计入负摩阻力的不利影响；但此时淤泥性状已大大改善，对桩身受压失稳的约束能力也有很大提高，桩身稳定系数甚至可取1.0。可见两者的更大值不是同时发生的。在桩负摩阻力逐渐增加的过程中，桩身压屈效应逐渐减弱。

        建议设计时按新桩基规范第5.8.4条和5.4.3~5.4.4条分别单独复核桩身压屈效应和负摩阻力的不利影响，并适当留有余地。

         2、 空心桩桩身截面模量W0的取值问题

          ①  规范内容简述

         在计算单桩水平承载力特征值、桩的水平变形系数α等环节都涉及桩身抗弯刚度EI，新桩基规范第5.7.2条提供EI的计算取值方法如下：

        对于钢筋混凝土桩，桩身抗弯刚度 ；其中，Ec为混凝土的弹性模量，I0为桩身换算截面惯性矩，圆形截面 ，矩形截面 ；W0为桩身换算截面受拉边缘的截面模量，圆形截面:

        其中d为桩直径，d0为扣除保护层厚度的桩直径；b为方形桩截面边长，b0为扣除保护层厚度的桩截面宽度； 为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值。

         ②  设计相关问题

         对照材料力学关于圆形和方形的截面模量W计算公式可知，（1）、（2）式是对应于实心圆形和方形桩，并且把桩身钢筋等效地计入W0。由于规范条文没有特别说明，也没有另外提供空心桩的计算公式，有设计人员直接套用  （1）、（2）计算预应力混凝土管桩和预应力混凝土空心方桩的W0，造成偏差。

          以壁厚90mm的ф400预应力混凝土管桩为例，减去空心部分后桩身抗弯刚度EI相差约12.3%，对后续的单桩水平承载力特征值、桩的水平变形系数α等计算结果有较大影响。

          ③  设计建议

        计算预应力混凝土管桩和预应力混凝土空心方桩W0时，要减去空心部分，即预应力混凝土管桩为：

         其中dl为空心桩内径。

         3、液化土中桩身压屈计算长度lc的取值问题

           ①  规范内容简述

        新桩基规范第5.8.4条规定，对于桩身穿越可液化土的基桩应考虑压屈影响，桩身正截面受压承载力乘以φ折减，稳定系数φ可根据桩身压屈计算长度lc和桩的设计直径d（或矩形桩短边尺寸b）确定。桩身压屈计算长度lc按规范表5.8.4-1确定。

        新桩基规范表5.8.4-1备注第3点提出，当桩侧有厚度为dl的液化土层时，桩露出地面长度l0和桩的入土长度h分别调整为：

         ψl按新桩基规范表5.3.12取值。

          ②  对规范规定的讨论及建议

          土层液化折减系数ψl值如表1所示（表中N为饱和土标贯击数实测值；Ncr为液化判别标贯击数临界值），与抗震规范[2]表4.4.3同。

         从表1可见，饱和土标贯击数实测值N越大，饱和土越密实，ψl值越大，液化土层桩侧阻力需要折减的程度越小；同时饱和土对桩身受压失稳的约束能力也越大，桩身压屈计算长度lc理应越小。

         但对照（5）、（6）式，ψl值越大，桩身自由长度的计算 反而越大，桩身受压失稳的可能性越大。显然（5）、（6）式值得商榷，建议改为：

        4、挤土桩的最小桩距

         ①  规范内容简述

        新桩基规范第3.3.3条第1款提出了基桩的最小中心距，对照94版桩基规范[3]，挤土桩和部分挤土桩的最小中心距普遍增加了0.5d，反映出新桩基规范对挤土效应的重视。

          ②  对规范规定的讨论及建议

          在软土中采用挤土桩，可能产生挤土效应，造成地面隆起；邻近建筑物上抬、下沉和开裂；邻近管线变形、开裂；拉断已沉桩的接头等工程问题。规范的基桩最小中心距所考虑的因素之一就是成桩工艺。对于非挤土桩而言，无需考虑挤土效应问题；对于挤土桩，为减小挤土负面效应，在饱和粘性土和密实土层条件下，桩距应适当加大。

         但是，新桩基规范仅以成桩工艺分类规定基桩最小中心距，似乎并不全面。成桩方法只是其中一个影响因素，挤土效应的控制性因素是桩的面积置换率（即入土桩的总截面积与建筑物底面积之比）。例如，采用轻钢结构屋面的大跨度结构，就算采用预应力混凝土管桩等挤土桩，由于结构自重轻、桩数少，总体桩的面积置换率低，挤土效应一般不明显。

        建议对面积置换率在1~2%以内的挤土桩，基桩最小中心距可适当放宽。

       5、静压桩压桩机接地压强的控制问题

         ①  规范内容简述

         新桩基规范第7.5.4条规定,采用静压沉桩时，场地地基承载力不应小于压桩机接地压强的1.2倍。

           ②  工程实例

          2003年广州市某办公楼工程，表层土分布自上而下为：（1）、0.1~0.5m厚的松散人工填土、（2）、2.2~5.0m厚的淤泥（fak<30kPa）、（3）、4.2~6.8m厚的淤泥质砂土（fak=40kPa）。在静压管桩完工后检测发现超过半数断桩，其原因主要是压桩机的着地压力达90kPa、超过表层土体承载能力，土体产生侧向塑性变形而引起水平位移，把已压桩推断破坏。最后决定将改用钻孔桩进行补桩处理。

          ③  讨论及设计建议

        静力压桩具有无噪声、没有震动、不会对环境造成危害的优点，在很多城市的中心城区广泛使用。但静力压桩需要大量的配重，对场地表层土承载力的要求比较高。静力压桩机的接地压强一般介于66~120kPa，个别可高达160kPa甚至180kPa以上[4]。如果表层土非常软弱，无法承受配重的过大压力，就会发生陷机现象，使已压桩造成压断或推断破坏。

       新桩基规范第7.5.4条是施工方面的规定，而且条文说明也没有详细解释，设计人员容易忽略。当场地软土层厚而埋深浅、表层土承载力低时，应在设计文件中对压桩机着地压强作出限制，或适当处理表层土以提高其承载力。

          6、如何执行预制桩吊运和锤击验算的强制性条文规定

        ①  规范内容简述

         新桩基规范第3.1.3条第2款规定，混凝土预制桩应按吊装、运输和锤击作用进行桩身承载力验算。

        ②  讨论及设计建议

        这是强制性条文，必须严格执行。但规范规定比较笼统，可执行性不高。首先规范没有明确进行验算的主体，设计单位和施工单位可能互相推诿，使强制性条文无人执行，失去其严肃性。第二，新桩基规范第5.8.11和5.8.12条提供了预制桩吊运和锤击验算的原则和方法，从该条文在规范的位置来判断，似乎暗示应由设计单位进行验算工作；但在设计阶段预制桩的施工方案未定，如何吊运、验算更大锤击应力的参数等无法事先知晓，设计单位无法进行验算，反而容易令施工图审查机构误会设计单位不执行强制性条文、引起不必要的误会。

          建议设计单位在桩基施工要求方面补充相关内容，要求施工单位在制定预制桩施工方案时，按《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008）第5.8.11和5.8.12条进行预制桩吊运和锤击验算，并报设计单位复核同意后方可施工。

         7、结语

       《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008)总结了近年来我国桩基础设计、施工经验，吸纳了该领域新的科研成果。它的颁布实施为我国桩基工程提供了更加完善的技术指引。本文提出新桩基规范实施中的若干问题，只是想说明：工程实际情况千变万化，任何技术规范不可能为所有工程实际问题都提供完整的答案，需要工程技术人员发挥聪明才智，对规范条文融会贯通。