淺談單樁承載力估算方法

薛健

摘要：?jiǎn)螛冻休d力的估算是二級(jí)、三級(jí)建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-94）與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）都給出了相應(yīng)的估算公式，國(guó)外也有相應(yīng)的單樁承載力估算公式。本文通過摩擦樁算例，對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)外的單樁承載力公式給予介紹和對(duì)比，得出有關(guān)結(jié)論，可供工程設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；單樁承載力； 法；β法

TheContrastandDiscussiononEstimatingBearingCapacity

ofSinglePileinDomesticandforeign

Abstract：Theestimationofsinglepilecapacityisthekeytothepilefoundationdesignofthesecondandthirdgradebuildings.Therearecorrespondingestimationformulateinthedomestic"Technicalcodeforbuildingpilefoundation"（JGJ94-94）and"Codefordesignofbuildingfoundation"（GB50007-2002）.Thecorrespondingestimationformulatearegiveninabroadtextbooks.Theseformulaarepresentedandcontrastedbytwoexamplesoffictionpileinthispaper，someconslusionsaredrew.Theconclusionscanbereferencedbyengineerers.

Keywords：pilefoundation；bearingcapacityofsinglepile； methods；βmethod

0引言

樁基礎(chǔ)是一種歷史悠久而應(yīng)用廣泛的一種深基礎(chǔ)形式，就國(guó)內(nèi)而言，絕大部分高層建筑和橋梁的基礎(chǔ)采用的是樁基礎(chǔ)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)年用樁量達(dá)100萬根以上，從這一數(shù)字就可見樁基工程的地位和作用[1]。同時(shí)，樁基屬于隱蔽工程，它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)建筑的安危，特別是單樁承載力的確定將影響到整個(gè)建筑物的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。

單樁承載力的估算是樁基工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是在二級(jí)、三級(jí)建筑物單樁承載力的確定過程中。確定單樁極限力的方法很多，目前勘察設(shè)計(jì)階段主要采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法與單樁豎向靜載試驗(yàn)相結(jié)合的方法。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外確定單樁承載力的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法。

1國(guó)內(nèi)物理指標(biāo)估算方法

1.1《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-94）[2，4]

根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

= + = （1）

——單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN； ——單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，可按相應(yīng)表格取值；

——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，可按相應(yīng)表格取值。

單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R的計(jì)算公式如下：

（2）

—樁側(cè)阻抗力分項(xiàng)系數(shù)，查表取得； —樁端阻抗力分項(xiàng)系數(shù)，查表取得。

1.2《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）[3，4]

按土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算單樁豎向承載力特征值 可按下式進(jìn)行：

（3）

—樁底端橫截面面積，m2； —樁身周邊長(zhǎng)度，m； —第i層巖土層的厚度，m；

， —樁端端阻力，kPa；樁側(cè)阻力特征值，kPa；由當(dāng)?shù)仂o載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析算得，當(dāng)無資料時(shí)，可查相應(yīng)表格采用。

2國(guó)外單樁承載力估算方法（靜力估算法）[5]

單樁豎向極限承載力 計(jì)算公式如下：

= + （4）

—單樁極限側(cè)阻力，kN； —單樁極限樁端阻力，kN；

容許承載力 計(jì)算公式如下：

= （5）

FS—考慮全部因素的一個(gè)系數(shù)，一般大于2。

由于 和 計(jì)算的差異以及不同的適用范圍，單樁承載力估算方法主要有 法和β法，或者稱為總應(yīng)力分析法（TSA）和有效應(yīng)力分析方法（ESA）.

2.1 （TSA）法

法是建立在總應(yīng)力分析方法基礎(chǔ)之上的，一般適用于承受短期荷載且地基土質(zhì)為細(xì)粒土（如粘土，砂土）的樁基礎(chǔ)的承載力

2.1.1 的計(jì)算

（6）

—第i層土的不排水抗剪強(qiáng)度系數(shù)； —第i層土的不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；

—第i層土內(nèi)樁身截面周長(zhǎng)，m； —第i層土內(nèi)的樁長(zhǎng)，m。

令 = ，則原公式變?yōu)?=

對(duì)于土質(zhì)均勻，截面形狀一致的樁， （7）

其中 的值倍受爭(zhēng)議，很多學(xué)者通過試驗(yàn)給出了不同情況下的 值，可以根據(jù)需要，通過查表取得。

2.1.2 的計(jì)算

（8）

—樁底抗力，kPa； —樁底面積，m2；

—承載力系數(shù)，一般取為9； —樁底不排水抗剪強(qiáng)度，kPa。

2.2β（ESA）法

β法是建立在有效應(yīng)力分析基礎(chǔ)之上的，可用于估算在各種土質(zhì)當(dāng)中承受短期或長(zhǎng)期荷載的樁基礎(chǔ)的承載力。

2.2.1 的計(jì)算

（9）

（10）

對(duì)于一般固結(jié)土 ；對(duì)于超固結(jié)土 。

β—系數(shù)； —樁身法向有效應(yīng)力，kPa； —土壤有效內(nèi)摩阻角；

—樁與土之間的有效內(nèi)摩阻角；OCR—超固結(jié)度；K—土的靜止側(cè)壓力系數(shù)；

2.2.2 的計(jì)算

= = （11）

—樁底抗力，kPa； —樁底面積，m2； —樁底法向有效應(yīng)力，kPa。

其中對(duì)于 值的計(jì)算，很多學(xué)者都根據(jù)不同的土質(zhì)提出了相應(yīng)的不同的計(jì)算公式，例如Janbu計(jì)算公式、Fleming計(jì)算公式、Vesic計(jì)算公式。其中比較常用的是Janbu計(jì)算公式，公式如下：

（12）

—承載力系數(shù)； —土壤有效內(nèi)摩阻角；

—糊化角松軟的細(xì)粒土： ≤ ；密實(shí)的粗顆粒土和超固結(jié)土細(xì)粒土： ≤0.58

3算例

3.1某摩擦樁，截面形式為圓形，直徑D=400mm，樁長(zhǎng)L=10m，土層為一般固結(jié)軟粘土，0.75

3.1.1國(guó)外單樁承載力估算方法（靜力估算法）

1）選取 和β

Su=20kPa<25kPa，所以 =1（API）；Su=20kPa<35kPa，所以 =1（SempleandRigden，1984）

因?yàn)槭且话愎探Y(jié)土OCR=1，且 =

=0.28

2）用 （TSA）法計(jì)算

L=10m，P= D=1.26m； 0.126m2

=1×20×1.26×10=252kN； =22.7kN

因?yàn)楸纠?，樁為摩擦樁，所?= =252kN

3）用β（ESA）法計(jì)算

沿樁長(zhǎng)是均勻變化的，取其平均值

= =（18-9.8）× =41kPa

0.28×41×1.26×10=144.6kN

= = = ×（18-9.8）×10×0.126=10.3

我們用Janbu計(jì)算公式求

因?yàn)?=280，且假定 = （地基為軟粘土），求得 =8.4

=10.3×8.4=86.5kN

= =144.6kN

3.1.2根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-94估算單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R

= + = ，查表取得 =43kPa，

故 = =1.26×43×10=542kN

考慮到《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007---2002第附錄Q.0.10條第七條規(guī)定：將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2，為單樁豎向承載力特征值Ra。

R= = =271kN

3.1.3根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002估算單樁豎向承載力特征值Ra

，查表取得 =21kPa，故 =1.26×21×10=265kPa

可見，用JGJ94--94計(jì)算出來單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R與用GB50007—2002計(jì)算出來的單樁豎向承載力特征值Ra大致相等。

3.2某樁截面形式為正方形，邊長(zhǎng)b=400mm，樁長(zhǎng)L=10m，土層為兩層，上層土厚5米，為一般固結(jié)軟粘土，0.75

3.2.1國(guó)外單樁承載力估算方法（靜力估算法）

1）用 （TSA）法計(jì)算

= + =390+64.8=454.8kN，同時(shí)可以判斷此樁為摩擦樁，可取 = =390kN

故后續(xù)計(jì)算可只計(jì)算摩擦力。

2）用β（ESA）法計(jì)算

= + = =589.7kN

3.2.2根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-94估算單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R

= + = ， = =1.2×5×（43+87）=780kN

R= = =390kN

3.2.3根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002估算單樁豎向承載力特征值Ra

， =372kN

4結(jié)論

4.1《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中提到的單樁豎向承載力特征值Ra與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-94）提到的單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R是有一定區(qū)別的。通過計(jì)算，JGJ94-94計(jì)算中，取豎向承載力抗力分項(xiàng)系數(shù) = =2，計(jì)算出來的單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R與GB50007-2002計(jì)算出來的單樁豎向承載力特征值Ra的數(shù)值大小基本相等。

4.2對(duì)于摩擦樁，用基于總應(yīng)力分析方法基礎(chǔ)上的 （TSA）法中的 、JGJ94-94中的單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值R（豎向承載力抗力分項(xiàng)系數(shù) = =2）、GB50007-2002計(jì)算出來的單樁豎向承載力特征值Ra，它們的數(shù)值是接近的，主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)規(guī)范公式大的方面來說用的也是總應(yīng)力分析方法，即綜合考慮了水、土的作用。

4.3對(duì)于摩擦樁，用基于總應(yīng)力分析方法基礎(chǔ)上的 （TSA）法計(jì)算出來的單樁承載力和用基于有效應(yīng)力分析方法基礎(chǔ)上的β（ESA）法計(jì)算出來的單樁承載力相差較大，這種相差既體現(xiàn)概念和計(jì)算方法的不同，也體現(xiàn)在摩擦力、端阻力及極限阻力的數(shù)值大小的不同，β（ESA）法的概念比較明確，但是計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚澤良，簡(jiǎn)政.單樁的垂直極限承載力判定方法綜述與評(píng)價(jià)[J].西北水利發(fā)電，2004，3

[2]JGJ94-94，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].（第4版）.北京：清華大學(xué)出版社，2003.356-369.

[5]Muni.SoilMechanicsandfoundation[M].JohnWiley&Sons，Inc.NewYork，USA.2000.367-392.