中歐（新加坡）規(guī)范樁基豎向抗壓承載力計(jì)算方法對比

張培印

（中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700）

0 引 言

隨著中國企業(yè)“走出去”戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，中國建筑企業(yè)在全球范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)量逐步提升；不同地區(qū)都有各自適用的規(guī)范條文，在亞洲，尤其是新加坡自 2015年以來建筑設(shè)計(jì)規(guī)范逐步由英國標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)為歐洲規(guī)范，即由 BS EN1997-1:2004、BS EN1997-2:2007分別轉(zhuǎn)為EN1997-1、EN1997-2。其中，EN1997-1為歐洲規(guī)范第 7卷巖土工程設(shè)計(jì)部分，其設(shè)計(jì)原理秉承歐洲規(guī)范的主要設(shè)計(jì)思想，即強(qiáng)調(diào)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，指定在設(shè)計(jì)中要區(qū)分出承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)[1]?；趲r土設(shè)計(jì)本身的復(fù)雜性，并考慮各個(gè)國家地質(zhì)、氣候、經(jīng)濟(jì)條件等具體情況，發(fā)行各國家附錄（NA），具體到樁基承載力設(shè)計(jì)上，又有不同的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)路徑、設(shè)計(jì)組合以及調(diào)整系數(shù)、模型系數(shù)可供選取[2]。

EN1997-1通過采用不同設(shè)計(jì)作用效應(yīng)、設(shè)計(jì)抗力表達(dá)式組合及引進(jìn)不同分項(xiàng)系數(shù)的方式，提出了3種設(shè)計(jì)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(xiàng)系數(shù)，DA-2對荷載作用和抗力作用分項(xiàng)系數(shù)，DA-3對結(jié)構(gòu)作用和材料參數(shù)作用分項(xiàng)系數(shù)。選擇何種設(shè)計(jì)途徑是由相關(guān)國家自行決定的[3]，并在各國家附錄中明確規(guī)定。新加坡樁基規(guī)范指明采用路徑一進(jìn)行設(shè)計(jì)。中方工程設(shè)計(jì)與施工人員往往對國標(biāo)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（下文簡稱“樁規(guī)”）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(biāo)準(zhǔn)與國標(biāo)的差異，需要分析國內(nèi)外樁基設(shè)計(jì)中存在差異的原因。

1 新加坡樁基設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)路徑及分項(xiàng)系數(shù)

與我國標(biāo)準(zhǔn)不同的是，歐洲規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)、按分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)規(guī)定，新加坡選取設(shè)計(jì)路徑一進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)[4]，作用（A）、抗力（R）與材料（M）通過不同的分項(xiàng)系數(shù)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(shè)計(jì)路徑—兩種組合方式Table 1 Combinations under DA-1

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

作用分項(xiàng)系數(shù)見表2。

表2 作用分項(xiàng)系數(shù)Table 2 Partial load factor

歐洲規(guī)范鼓勵(lì)通過靜載荷試樁得到特征值，對利用數(shù)值求解樁基承載力特征值，沒有具體規(guī)定；若通過數(shù)值求解承載力，應(yīng)當(dāng)考慮計(jì)算模型的系統(tǒng)性錯(cuò)誤或呈現(xiàn)一定范圍的不確定性，引入一個(gè)大于1的模型系數(shù)（model factor）來調(diào)整抗力系數(shù)[5]，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，以保證計(jì)算結(jié)果的精度或安全性。模型系數(shù)在國家附錄中有規(guī)定，該系數(shù)既可施加到作用效應(yīng)上，也可施加到抗力項(xiàng)上；歐洲規(guī)范推薦值為1.4，新加坡通常采用1.35。

1.2 抗壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式

根據(jù)1.1節(jié)描述，新加坡規(guī)范樁基抗壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為：

式中：Rc;d為樁基豎向承載力設(shè)計(jì)值；Rs;d為樁側(cè)抗力設(shè)計(jì)值，可視為樁側(cè)抗力；Rb;d為樁端抗力設(shè)計(jì)值，可視為樁端抗力；Rs;k為樁側(cè)阻力特征值；Rb;k為樁端阻力特征值；γR;d為模型系數(shù)；γs為樁側(cè)阻力分項(xiàng)系數(shù)；γb為樁端阻力分項(xiàng)系數(shù)；qsi;k為第i層土單位面積樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qb;k為樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)中的承載力設(shè)計(jì)值，是極限狀態(tài)承載力的概念。從數(shù)值上講，Rs;k與Rb;k本身分別是樁側(cè)與樁端阻力的極限值，除以一個(gè)接近2的組合系數(shù)后即變?yōu)樵O(shè)計(jì)值；國標(biāo)“樁規(guī)”中承載力特征值也可看作由樁側(cè)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(cè)、樁端極限值除以安全系數(shù)2所得，從數(shù)值上看，兩個(gè)規(guī)范里的特征值約相差1倍，即歐標(biāo)中的特征值大于“樁規(guī)”特征值。換言之，“樁規(guī)”中的承載力特征值Ra可認(rèn)為是歐標(biāo)中的承載力設(shè)計(jì)值Rc;d。

2 歐標(biāo)、國標(biāo)樁基設(shè)計(jì)的聯(lián)系與對比

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[6]，單樁豎向抗壓承載力的設(shè)計(jì)方法為綜合安全系數(shù)法，估算樁基豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值如下式：

可以認(rèn)為：式中：Qu;k為豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qs;k為樁側(cè)極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qp;k為樁端極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；qsi;k為第i層土單位面積樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qb;k為樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)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(shù)；Ra為豎向承載力特征值，內(nèi)涵同歐標(biāo)中的樁基承載力設(shè)計(jì)值Rc;d。

安全系數(shù)綜合涵蓋了諸多不確定因素，如地質(zhì)條件、土體性能、施工因素等，極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值除以安全系數(shù)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(qū)分樁側(cè)、樁端達(dá)到極限狀態(tài)的先后順序，這顯然是值得商榷的。

3 計(jì)算實(shí)例

以新加坡大士污水處理廠 C3C樁基項(xiàng)目某試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)為例，項(xiàng)目地質(zhì)勘察結(jié)果表明，自上而下土層劃分為：①砂質(zhì)填土、②海相沉積黏土、③全風(fēng)化砂巖、④強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑤中風(fēng)化砂巖。試樁時(shí)在護(hù)筒外側(cè)涂抹瀝青層以消除填土與海相黏土的樁側(cè)摩阻力?？辈靾?bào)告給出的各土層標(biāo)貫值見表3。

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

根據(jù)國內(nèi)規(guī)范及歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 承載力設(shè)計(jì)值Table 4 Design value of bearing capacity

從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，EN1997-1兩種組合下計(jì)算出的樁總承載力相差較大，這是因?yàn)閮煞N組合對應(yīng)的抗力分項(xiàng)系數(shù)不同，且由DA1-C2控制設(shè)計(jì)。歐洲規(guī)范考慮了樁側(cè)與樁端位移的不同步性，也就是樁側(cè)、樁端承載力發(fā)揮的不同步性，分別賦予不同的抗力分項(xiàng)系數(shù)。國標(biāo)計(jì)算的樁承載力與DA1-C2計(jì)算結(jié)果相差不多，主要是因?yàn)闅W洲規(guī)范中引入了模型系數(shù)，使得修正后的樁側(cè)承載力抗力系數(shù)達(dá)到 1.89，樁端抗力系數(shù)達(dá)到 2.295，綜合平均系數(shù)為2.01，這與國標(biāo)中的安全系數(shù)K十分接近。

4 結(jié) 論

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》與EN1997-1關(guān)于極限承載力計(jì)算值的計(jì)算方法是相同的，均由側(cè)阻力與端阻力極限計(jì)算值組成；盡管中、歐（新加坡）規(guī)范從設(shè)計(jì)理論及思路上存在差異，但是由于抗力分項(xiàng)系數(shù)的組合作用，其國標(biāo)承載力特征值與歐標(biāo)（新加坡）承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果相差不大；歐洲規(guī)范考慮了樁側(cè)、樁端阻力發(fā)揮的不同步性，國標(biāo)沒有考慮這一過程。