不同行業(yè)樁基礎(chǔ)單樁豎向承載能力差異對比分析

楊 星 謝 峰 譚俊波 孫先鋒

（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)使用工況較為單一，基礎(chǔ)主要承受恒載，活載值較小，而公路和鐵路承受的活載較大。各行業(yè)規(guī)范對旋挖灌注樁單樁豎向承載能力的設(shè)計規(guī)范值差別較大，實(shí)際工程應(yīng)用時應(yīng)采用對應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行計算。本文結(jié)合實(shí)際工況對各規(guī)范承載能力計算進(jìn)行比較分析。

1 案例工況條件

對于公路、鐵路行業(yè)中一般樁基布置數(shù)量較少且為主要受力結(jié)構(gòu)，其樁徑較大，常規(guī)樁徑分布為1.1~2.5m。而建筑行業(yè)中一般樁基布置數(shù)量較多，且多為考慮承臺作用的復(fù)合樁基基礎(chǔ)，樁基受力相對較小，常規(guī)樁徑分布為0.4～1.5m。本文選取樁徑為1.2m，樁長25m的旋挖灌注樁，分別按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）[1]、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）[2]、《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（TB 10093-2017）[3]計算支承于土中的旋挖灌注摩擦樁和支承于基巖中的旋挖灌注嵌巖樁的單樁豎向承載能力特征值，并對其進(jìn)行分析比較。

表1 地質(zhì)情況一（土質(zhì)）

表2 地質(zhì)情況二（巖質(zhì)）

2 摩擦樁單樁承載能力

2.1 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范

式中：[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值，樁身自重與置換土重的產(chǎn)值作為荷載考慮；

li——第i層土厚度；

qik——與對應(yīng)的各土層與樁基側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

μ——樁基周長；

Ap——樁基面積；

qr——樁端處土的承載能力容許值，kPa；

[fa0]——樁端處土的承載能力基本容許值,kPa；

?——樁端的埋置深度，m；

k2——容許承載能力隨深度的修正系數(shù)；

γ2——樁端以上各土層的加權(quán)平均重度,kN；

λ——修正系數(shù)；

m0——清底系數(shù)。

經(jīng)計算，單樁軸向受壓承載力容許值：

樁端承載能力：Aqr=1335.9kN

樁側(cè)承載能力：

2.2 建筑樁基技術(shù)規(guī)范

式中：qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

qpk——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

μ——樁基周長；

li——第i層土厚度；

Ap——樁基面積；

ψp——大直徑樁端力尺寸效應(yīng)系數(shù)；

ψsi——大直徑樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)。

經(jīng)計算，樁基單樁承載能力特征值：

樁端承載能力：ψpqpk Ap=4940.0kN

樁側(cè)承載能力：

2.3 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范

式中：[P]——樁的容許承載力，kN；

U——樁身截面周長，m；

f i——各土層的極限摩阻力，kPa；

l i——第i層土厚度,m；

A——樁基面積；

[σ]——樁底地基土的容許承載力,kPa。

經(jīng)計算，單樁軸向受壓容許承載力：

樁端承載能力：m0A[σ]=592.8kN

3 嵌巖樁單樁承載能力

3.1 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范

式中：[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值，樁身自重與置換土重的產(chǎn)值作為荷載考慮，kN；

Ap——樁端截面面積，m2；

c1——根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的端阻發(fā)揮系數(shù)；

frk——樁端巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，黏土質(zhì)巖取天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

c2i——根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的第i層巖層的側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)；

μ——樁基周長，m；

?i——樁嵌入各巖層部分的厚度，m；

ζs——覆蓋層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)樁端frk確定，m；

l i——第i層土厚度；

qik——與對應(yīng)的各土層與樁基側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa；

n——土層的層數(shù)，強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化巖層考慮。

經(jīng)計算，單樁軸向受壓承載力容許值：

嵌巖樁端承載能力：

c1AP frk=3764.2kN

嵌巖段樁側(cè)承載能力：

土層樁側(cè)承載能力：

3.2 建筑樁基技術(shù)規(guī)范

式中：Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

frk——巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，黏土質(zhì)巖取天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

ζs——嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，與嵌巖深徑比、巖石軟硬程度和成樁工藝相關(guān)。

經(jīng)計算，樁基單樁承載能力特征值：

總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值：μ∑qsik li=7988.2kN嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值：

3.3 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范

式中：[P]——樁的容許承載力，kN；

U——樁身截面周長，m；

?——自新鮮巖石面算起的嵌入深度，m；

C1,C2——系數(shù)，根據(jù)巖石層破碎程度和清底情況確定；

A——樁基面積；

[σ]——樁底地基土的容許承載力，kPa。

經(jīng)計算，單樁軸向受壓容許承載力：

[P]=10665.3kN

4 兩種樁的承載能力總結(jié)分析

通過對應(yīng)地質(zhì)情況下旋挖灌注摩擦樁和嵌巖樁承載能力的計算，對兩種樁的承載能力進(jìn)行了總結(jié)分析。

4.1 旋挖灌注摩擦樁

對于旋挖灌注摩擦樁，各規(guī)范單樁豎向容許承載能力大小依次為：建筑>公路>鐵路。其主要計算取值差異：

（1）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中扣除樁基自重與原土自重間的差值，而其余兩本規(guī)范中未進(jìn)行考慮。此項在樁長較短時計算絕對值影響不大，對樁長較長時其絕對值影響較大，但影響相對值較為恒定。

（2）對于樁側(cè)阻力，《公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)規(guī)范》計算值相同，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中應(yīng)考慮大直徑樁效應(yīng)，其值略低于前兩本規(guī)范計算值。此項對于小直徑樁影響不大，但對于大直徑樁有較大影響。

（3）對于樁端阻力，經(jīng)計算可得，三本規(guī)范計算值差異較大，是單樁承載能力計算值差異的主因：

①《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中考慮樁基長細(xì)比λ、樁底施工清底系數(shù)m0、樁端埋深及樁端土的特性。并對持力層承載能力的深度修正規(guī)定了40m的上限值，以及對持力層承載能力的上限值進(jìn)行了規(guī)定。

②《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)規(guī)范》考慮樁底施工清底系數(shù)m0及樁基埋深。對持力層承載能力深度修正時對不同埋深有所差異，最大修正埋深為10d；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》對于不同土層給出經(jīng)驗建議值，其值根據(jù)土層的特性相關(guān)。

4.2 旋挖灌注嵌巖樁

對于旋挖灌注嵌巖樁，各規(guī)范單樁豎向容許承載能力大小依次為：建筑>公路>鐵路。其主要計算取值差異：

（1）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中扣除樁基自重與原土自重間的差值，而其余兩本規(guī)范中未進(jìn)行考慮。此項在樁長較短時計算絕對值影響不大，對樁長較長時其絕對值影響較大，但影響相對值較為恒定。

（2）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》對土層中的側(cè)阻力、巖層中的側(cè)阻力及巖層的端阻力分別進(jìn)行計算；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》對土層中的側(cè)阻力、巖層中的總阻力分別進(jìn)行計算；而《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)規(guī)范》中僅考慮巖層中的側(cè)阻力和端阻力。此項為各規(guī)范計算差異的主要因素。

（3）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中對巖層中樁基側(cè)阻力及端阻力修正系數(shù)考慮巖石的完整性并根據(jù)成孔工藝及巖石風(fēng)化程度進(jìn)行折減，對于土層中樁基側(cè)阻力亦根據(jù)巖層的單軸抗壓飽和強(qiáng)度進(jìn)行折減；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中僅根據(jù)嵌巖深徑比及巖石強(qiáng)度對嵌巖段綜合系數(shù)進(jìn)行折減，對土層的側(cè)摩阻不進(jìn)行折減；《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)規(guī)范》中嵌巖段修正系數(shù)考慮巖石的破碎程度、清底情況，并當(dāng)嵌入深度≤0.5m時對其進(jìn)行折減?？傮w看來，對于單樁豎向承載力折減程度：鐵路>公路>建筑。

（4）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中嵌巖段巖石采用的是巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，而土層中側(cè)阻力采用的是0.5倍的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值即特征值，計算得到單樁豎向承載能力特征值；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》采用土層側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，并根據(jù)計算出的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值除安全系數(shù)（K=2），得到單樁豎向承載力特征值；《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)規(guī)范》中則直接采用單軸抗壓強(qiáng)度計算得到受壓容許承載能力值。

5 結(jié)束語

建筑結(jié)構(gòu)使用工況較為單一，基礎(chǔ)主要承受恒載，活載值較小，而公路和鐵路承受的活載較大，特別是鐵路的列車活載，對基礎(chǔ)的安全性要求更高。各行業(yè)規(guī)范對旋挖灌注樁單樁豎向承載能力進(jìn)行不同因素的折減考慮，其中折減系數(shù)：鐵路>公路>建筑。各規(guī)范中樁基豎向承載能力：建筑>公路>鐵路?？傊?，各規(guī)范中單樁豎向承載能力差別較大，實(shí)際工程應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)樁基使用荷載工況，采用對應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行計算，不可混用。