單樁水平承載力確定方法及抗震計算調(diào)整分析

馬 乾

(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

隨著社會發(fā)展越來越快,高鐵站、體育場館、會展中心等大型公共建筑工程越建越多,由于建筑空間和建筑外觀造型的需要,這類建筑的部分基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)常會出現(xiàn)較大的水平推力。同時，在一些外部環(huán)境較為苛刻的地區(qū)建設(shè)多層、高層以及復(fù)雜體系的建筑,例如丘陵地區(qū),有不少建筑建于高坡上,有的建筑物的樁基會穿越高差較大的擋土墻后背的填土,對這類樁基在進行邊坡穩(wěn)定性分析時,還需進行樁的水平抗力計算,甚至需要考慮邊坡失穩(wěn)后對基樁產(chǎn)生的水平力,在諸如地震、颶風(fēng)、邊坡土壓力甚至水壓力等外力作用下,許多建筑的基礎(chǔ)會因此承受較大的水平荷載,這給設(shè)計帶來不少困難。

當前由于場地外部環(huán)境、施工條件及工期要求等因素的限制,各方優(yōu)先推薦使用樁基礎(chǔ)來解決水平荷載。影響單樁水平承載力及其位移的因素很多,包括樁身截面抗彎剛度、結(jié)構(gòu)材料強度、樁側(cè)土質(zhì)性質(zhì)、樁身的入土深度、樁頂約束條件等。對于低配筋率(指配筋率小于0.65%)的灌注樁,通常是樁身先出現(xiàn)裂縫,而后斷裂破壞;此時,單樁的水平承載力由樁身強度控制。對于抗彎性能較強的樁,如高配筋率(指配筋率不小于0.65%)的混凝土預(yù)制樁、鋼樁,樁身雖沒有斷裂,但由于樁側(cè)土體出現(xiàn)塑性隆起,或樁頂水平位移較大超過使用允許值,此時也認為樁基水平承載力達到極限狀態(tài)。

常見單樁水平承載力的方法主要為水平靜載荷試驗和計算分析2大類,國家規(guī)范以及各地方規(guī)范都首先推薦靜載荷試驗,當試驗條件不滿足時,可以通過計算分析估算基樁水平承載力。本文重點闡述二者分析方法的優(yōu)缺點,并針對預(yù)制樁、鋼樁、樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁,結(jié)合2019年勘察類考試案例試題計算分析單樁水平承載力特征值,以及地震作用下的單樁水平承載力特征值調(diào)整方法。

1 單樁水平承載力的主要確定方法優(yōu)缺點分析

1.1 水平靜載荷試驗法

優(yōu)點:靜載荷試驗?zāi)鼙容^真實地反映出單樁水平承載力的各項影響因素,是確定單樁水平承載力比較可靠的手段,其試驗結(jié)果可以直接作為設(shè)計依據(jù)。

缺點:由于試驗條件和技術(shù)水平有限等因素,當前大多的試樁情況是在樁頂自由狀態(tài)下進行的,樁頂沒有承臺嵌固也缺少豎向荷載的作用,這與建筑基樁實際使用時的狀態(tài)有較大差異; 而且大多數(shù)情況下,單樁水平靜載荷試驗時標高位置與實際樁頂標高位置有一定差距,尤其當基樁埋置較深的情況。所以單樁水平承載力試驗時的狀態(tài)難以反映實際使用時的工程情況。同時該方法相對耗時久、成本高。

1.2 水平承載力計算分析法

對于樁基水平承載力計算和設(shè)計,《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1](JGJ 94-2008)(以下簡稱樁基規(guī)范)中有較詳細的規(guī)定、說明和計算方法。

優(yōu)點:在勘察報告數(shù)據(jù)充分前提下,快速計算分析確定樁基水平承載力是一般建筑樁基工程的重要手段?，F(xiàn)行樁基規(guī)范[1]中,計算分析方法有2種。一是單樁基礎(chǔ),這里又分為低配筋率基樁和高配筋率基樁；二是群樁基礎(chǔ),計算的公式中考慮了由承臺、樁群、土相互作用產(chǎn)生的群樁效應(yīng)。這比靜載荷試驗的應(yīng)用場景更豐富。

缺點:樁基水平受荷的復(fù)雜性,決定了其水平承載力的計算公式也比較復(fù)雜,計算公式選擇和應(yīng)用起來也有較多限制,同時公式中各個參數(shù)的取值對計算結(jié)果都有一定影響。因此面對不同的設(shè)計場景,各參數(shù)如何合理取值成為了主要難點。樁身強度控制和樁頂水平位移控制兩種工況均會受樁周土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的影響,但是,前者呈1/5m倍的關(guān)系,受影響較小;后者呈3/5m倍的關(guān)系,受影響較大。與此同時,在單樁水平承載力的估算中,樁頂嵌固狀態(tài)對計算結(jié)果影響很大,同1種樁型在相同的土層條件下,按規(guī)范法進行計算時,樁頂嵌固情況如由鉸接改成固接,單樁水平承載力可以增加超過1倍甚至更多。實際上承臺與樁頂?shù)那豆剃P(guān)系介于固接與鉸接之間,使得m值的計算范圍較廣,進而水平承載力計算結(jié)果不夠精確,主觀影響較大。

1.3 小結(jié)

按照規(guī)范要求,受水平荷載較大的設(shè)計等級為甲級、乙級的建筑樁基,應(yīng)通過現(xiàn)場單樁水平承載力試驗確定單樁水平承載力特征值。對于初設(shè)階段和設(shè)計等級非甲級、乙級建筑樁基可通過規(guī)范所列的按樁身承載力強度控制的規(guī)范[1]式(5.7.2-1)和按樁頂水平位移控制的規(guī)范[1]式(5.7.2-2)進行計算。最后對工程樁進行靜載荷試驗檢測。

2 勘察類考試案例試題計算分析

2.1 全國注冊巖土案例試題一

例【2019年全國注冊巖土工程師專業(yè)考試試題——專業(yè)案例(上午卷)】24題:

某高層建筑采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ),樁徑0.4 m,樁長12 m,樁身配筋率大于0.65%,樁周土層為黏性土,樁端持力層為粗砂,水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)為25 MN/m3,試估算單樁抗震水平承載力特征值最接近下列哪個選項?(假設(shè)樁頂自由,EI=32 MN·m2,樁頂允許水平位移取10 mm)

A.85 kN B.105 kN

C.110 kN D.117 kN

【答案】A

【解析及提示】根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008),5.7.6節(jié)第6條,注意配筋大于0.65%,按位移控制,公式計算是否調(diào)整1.25倍?根據(jù)第7條“應(yīng)將按上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)1.25?！庇嬎愎绞堑?條,按照規(guī)范要求無需乘1.25,但最終官方答案是按照乘1.25來計算。

解:d=0.4<1 m,b0=0.9(1.5×d+0.5)=0.99 m

α=5mb0EI=525×103×0.9932×103=0.95m-1αh=0.95×12=11.4>4,

表7.2.4vx=2.441式采用獨立

Rha=0.75α3EIvxχoa=0.75×0.953×32×1032.441×0.01=84.3 kN,1.25Rha=105.4 kN，故選B。

2.2 全國一級注冊結(jié)構(gòu)案例試題二

例【2019全國一級注冊結(jié)構(gòu)工程師專業(yè)考試試題——(下午卷)】10～11題:

某8度設(shè)防地震建筑,未設(shè)地下水,采用水下成孔混凝土灌注樁,如圖1所示，樁徑800 mm,混凝土強度等級C40,樁長30 m,樁底端進入強風(fēng)化片麻巖,樁基按位于腐蝕環(huán)境設(shè)計?；A(chǔ)形式采用獨立樁承臺,承臺間設(shè)連系梁。

圖1

10.假定樁頂固結(jié),樁身配筋率ρ=0.7%,樁身抗彎剛度4.33×105kN·m2,樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=4 MN/m4樁水平承載力由水平位移控制,允許位移為10 mm,試問初步設(shè)計時,按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)考慮地震作用組合的樁基單樁水平承載力特征值(kN)與下列何項數(shù)值最為接近?

A.161 kN B.201 kN

C.270 kN D.330 kN

【答案】

D

【解析及提示】本題重點考察規(guī)范[1]中,5.7.2第7條“驗算永久荷載控制的樁基的水平承載力時,應(yīng)將上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)0.80;驗算地震作用樁基的水平承載力時,宜將按上述2～5款方法確定的單樁水平承載力特征值乘以調(diào)整系數(shù)1.25?！?/p>

樁規(guī)5.7.5:d=0.8<1 m,b=0.9(1.5×d+0.5)=1.53 m

αh=0.4266×30=12.8>4,α=5mb0EI=54×103×1.534.33×105=0.4266 m-1

表7.2.4vx=0.94

Rha=0.75α3EIvxχoa=0.75×0.42663×4.33×1050.94×0.01=268.21 kN,RhaE=268.21×1.25=335.26 kN，故選D。

2.3 小結(jié)

以上兩題中均屬于配筋率不小于0.65%的灌注樁情況,故采用5.7.2第6條計算公式:Rha=0.75α3EIvxχoa，其地震作用樁基的水平承載力原本按照規(guī)范第7條無須乘以調(diào)整系數(shù)1.25,但是查閱上版《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)并對比現(xiàn)行規(guī)范[1]得知,新版規(guī)范中5.7.2第5條為新增,導(dǎo)致第6條為原規(guī)范第5條的遞延,規(guī)范中“應(yīng)將上述2～5款方法”內(nèi)容未更新,故采用第6條計算地震作用的樁基水平承載力后仍需乘以1.25。同時，這樣的調(diào)整做法與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2](GB 50011-2010)處理結(jié)果也是吻合的。

延伸分析,如果題目中條件“允許水平位移為10 mm”改為“地震作用下允許水平位移為10 mm”,此時按照現(xiàn)行規(guī)范[1]中5.7.2第6條計算得出的結(jié)果不需要乘1.25?？紤]地震作用下的結(jié)果放大,我們不光可以認為是承載力的放大,是否可以認為是因為位移的放大進而使得計算結(jié)果的放大,

3 總 結(jié)

(1) 實際工程中在樁頂嵌固狀態(tài)不明前提下,從可靠度、安全性的角度考慮,單樁水平承載力特征值計算建議按鉸接考慮,但仍需進一步積累工程經(jīng)驗后明確。

(2) 結(jié)合規(guī)范[1]和規(guī)范[2]中有關(guān)規(guī)定,單樁水平向抗震承載力特征值,無論是低配筋率基樁還是高配筋率、鋼制等基樁,均比非抗震設(shè)計時提高25%。

(3) 當依據(jù)豎向載荷完成布樁,水平承載力不滿足要求時,可以采用增加基礎(chǔ)埋深、增大樁徑或增加樁數(shù)等措施來滿足樁基水平承載要求。

(4) 樁基水平承載力的確定是一個非常復(fù)雜的問題,將實際工程計算分析與水平靜載荷試驗結(jié)合起來研究可以對規(guī)范[1]公式中各參數(shù)的取值進行修正調(diào)整,進而較準確驗算出其他位置樁基水平力承載力。

(5) 不少國家規(guī)范標準、地方規(guī)范條例對樁基的水平抗震驗算均有涉及,但計算方法和使用范圍缺少統(tǒng)一明確的規(guī)定,設(shè)計時建議結(jié)合設(shè)計主體的類別選擇相應(yīng)的國家規(guī)范及地方規(guī)范。