单桩水平承载力计算方法研究与工程实例分析.pdf

第 43 卷 第 1 期 2013 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 1 Jan． 2013 单桩水平承载力计算方法研究与工程实例分析 方云飞， 孙宏伟， 闫莹 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045 ［摘要］针对建筑桩基技术规范 JGJ 942008 所采用的单桩水平承载力特征值 Rha的计算方法， 分析了不同 计算参数对 Rha计算值的敏感性。结果表明各计算参数均对 Rha计算值有较大影响， 尤其是桩侧土水平抗力系数的 比例系数 m。根据两个工程实例， 分别对桩顶铰接 或自由 和固接两种情况进行了计算， 并与实测结果进行了对 比分析。结果表明在桩顶铰接 或自由 情况下， 单桩水平承载力特征值计算公式相对适中; 桩顶固接情况下， 该计 算公式相对偏于不安全。 ［关键词］桩基;单桩水平承载力特征值;敏感性分析;实例分析 中图分类号 TU473． 1文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 01- 0095- 05 Research on the calculation of the horizontal bearing capacity for a single pile and analysis on engineering examples Fang Yunfei，Sun Hongwei，Yan Ying Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045，China Abstract According to the calculation of characteristic value Rhaof the horizontal bearing capacity for a single pile by Technical code for building pile foundations JGJ 942008 ，the sensitivities of different parameters on the calculated values of Rhawere analyzed．The results show that Rhawill be influenced by the calculation parameters， especially the proportional coefficient mof the horizontal resistance coefficient of the soil． According to two engineering examples，two cases of the pile top connected with fixed and hinged or freewere calculated，and comparative analysis of calculation results and measured data was done． The results show that calculation results of Rhafor the pile top connected with hinged or freeare relatively moderate，but calculation results of Rhafor the pile top connected with fixed are relatively unsafe． Keywords pile foundation;characteristic value of the horizontal bearing capacity for a single pile;sensitivity analysis; example analysis 作者简介 方云飞， 硕士， 工程师， 注册土木 岩土 工程师， Email fangyunfei 126． com。 0前言 车站、 体育艺术场馆等大型公共建筑工程越建 越多， 由于建筑造型和空间的需要， 往往造成这些建 筑的部分基础结构存在较大的水平推力; 同时， 在一 些建筑环境较为苛刻的地区开始兴建多层、 高层及 复杂体系的建筑， 在诸如地震、 风荷载、 边坡土压力 等外力作用下， 这些建筑的基础会产生较大的水平 荷载， 给设计带来种种困难。 目前， 由于场地环境及施工条件等因素的限制， 解决基础水平荷载的首选方法为桩基础。关于桩基 水平承载力的计算和设计， 建筑桩基技术规范 JGJ 942008 简称桩基规范 有比较详细的规 定和计算方法， 但由于桩基水平受力的复杂性， 其水 平承载力的计算公式亦比较复杂， 同时计算公式应 用起来也有诸多限制， 且公式中各参数的取值对计 算结果均有一定影响。因此面对不同的设计条件， 各计算参数如何合理取值成为一个难点。 对桩基规范采用的单桩水平承载力特征值计算 方法进行了详细介绍， 讨论了各参数对计算结果的 敏感性， 同时通过两个工程实例的计算与分析对单 桩水平承载力特征值的计算提出一些参考性意见。 1桩基规范单桩水平承载力特征值计算方法研究 1. 1 计算公式及其使用注意事项 根据桩基规范， 可按下式估算桩身配筋率小于 0. 65 的灌注桩的单桩水平承载力特征值 Rha 0． 75αγmftW0 νM 1． 25 22ρg1 ζNN γmftA n 1 当桩基水平承载力由水平位移控制， 可按下式 估算预制桩、 钢桩、 桩身配筋率不小于 0. 65 的灌 注桩的单桩水平承载力特征值 Rha 0． 75 α 3EI νx χ0a 2 应用式 1 ， 2 时， 需注意以下限制条件 1 验 算永久荷载控制的桩基水平承载力时， 应将按式 1 或式 2 确定的单桩水平承载力特征值乘以调 建筑结构2013 年 整系数 0. 80; 2 验算地震作用桩基的水平承载力 时， 宜将按式 1 或式 2 确定的单桩水平承载力特 征值乘以调整系数 1. 25。 作为桩基水平承载力计算中最为重要的一个参 数， 桩的水平变形系数 α 取值最为重要， 同时也最 为复杂， 根据桩基规范， 可按下式确定 α 5 mb0 槡 /EI 3 式中 α 为桩的水平变形系数 /1 /m; m 为桩侧土水 平抗力系数的比例系数 /μN/m4。 应用式 3 时， 根据桩基规范附录 C 第 C． 0. 2 条， 当基桩侧面为几种土层组成时， 应求得主要影响 深度 hm 2 d 1 范围内的 m 值作为计算值 当 hm深度内存在 2 层不同土时 m m1h2 1 m2 2h1 h 2 h2 h2 m 4 当 hm深度内存在 3 层不同土时 m m1h2 1 m2 2h1 h 2 h2 m3 2h1 2h2 h 3 h3 h2 m 5 同时 m 的取值尚需注意以下限制条件 1 当桩顶水平位移大于桩基规范表 5. 7. 5 中 所列数值或灌注桩配筋率较高 ≥0. 65 时， m 值 应适当降低; 当预制桩的水平向位移小于 10mm 时， m 值可适当提高。 2 当水平荷载为长期或经常出现的荷载时， 应该将桩基规范表 5. 7. 5 中所列数值乘以 0. 4 降低 采用。 3 当地基为可液化土层时， 应将桩基规范表 5. 7. 5 中所列数值乘以土层液化影响折减系数 φl。 可见， 单桩水平承载力特征值计算公式参数多， 且计算较为复杂， 应用时须小心谨慎。 1. 2 计算参数敏感性分析 根据式 1 和式 2 ， 桩基水平承载力的计算主 要与以下参数有关 桩侧土水平抗力系数的比例系 数 m、 桩径 d、 钢筋强度等级、 混凝土强度等级、 桩身 配筋率 ρg、 桩的入土长度 h、 桩顶竖向荷载值 Nk及其 受力方向等因素。 为探讨桩基水平承载力计算参数的敏感性， 根 据常规设计经验， 选取基本参数值 表 1 。在下面 的敏感性分析中， 每次将以某一个计算参数 钢筋 强度等级除外 为变量进行计算分析。其中计算与 分析中， 以下几点需说明 1 桩顶 身 最大弯矩系数 νM和桩顶水平位 移系数 νx计算中， 由于桩基规范未给出部分区域的 取值， 特按以下原则取值计算 1 αh ＜ 2. 4 时， 按 αh 2. 4 取值; 2 αh ＞ 4. 0 时， 按 αh 4. 0 取值; 3 2. 4 ＜ αh ＜ 4. 0 时， 按线性插值取值。 基本参数值表 1 计算参数 m /MN /m4 d/m 混凝土 强度等级 钢筋强 度等级 ρg/h/m 参数取值101. 0C40HRB400 0. 5 /1. 512. 0 注 桩身钢筋保护层厚度取 50mm。 2 除桩身配筋率外， 每个参数的敏感性分析 中， 均包括 ρg分别取 0. 5 和 1. 5 ， 以及桩顶铰接 或自由 与固接共四种组合情况分析; 桩身配筋率 敏感性分析， 只包括桩顶铰接 或自由 与固接两种 情况。 3 分析时暂不考虑桩顶竖向荷载作用。 4 灌注桩纵筋常规采用 HRB335 和 HRB400 两种强度等级， 钢筋强度等级变量取值范围较小， 因 此分析时的变量不包含钢筋强度等级， 纵筋强度等 级选用 HRB400。 5 文中所有分析均基于表 1 的基本参数值， 若表中参数取值变动， 计算结果将随之变化， 但不会 对分析结论产生实质性的影响。 分别以 m， d， ρg， h 及混凝土强度等级为变量， 依次计算各参数与 Rha之间的关系取值与计算结果， 并得到各参数-Rha相应关系曲线， 如图 1 所示。由 图可知 1 除 ρg外， 各参数计算中， 桩顶固 接、 ρg ＞ 0. 65 情况的单桩水平承载力计算值最大， 为其他 三种组合计算值的 3 倍左右。 2 m 的取值大小对 Rha计算结果影响很大， 尤 其当 m ＜ 5 时影响尤为显著。 3 d 值越大， Rha的计算结果很大， 基本成线性 关系。 4 由于人为的设定， 在 ρg 0. 65 的前后， 单 桩水平承载力计算公式的不同造成计算结果差距很 大， 但在 ρg＜ 0. 65 或 ρg＞ 0. 65 的范围内， ρg的变 化并没有给 Rha的计算值带来多大影响。而现在一 般认为增加配筋将桩体近似于刚体会显著提高 Rha， 显然这种观点与计算结果不符。 5 由于桩基水平承载力的特殊性， 在桩长达 到一定长度后， 其 Rha不再提高， 因此为加大 Rha而盲 目增加桩长是不明智的。值得注意的是， 当 ρg＜ 0. 65 时， 在桩顶铰接 或自由 情况下， Rha随桩长 h 增大反而减小。 6 对于 ρg＜ 0. 65 的桩基， 提高混凝土强度 69 第 43 卷 第 1 期方云飞， 等． 单桩水平承载力计算方法研究与工程实例分析 图 1各参数-Rha关系曲线 等级对提高 Rha有较大帮助; 但对于 ρg＞ 0. 65 的桩 基， 提高混凝土强度等级对提高 Rha很有限。同时由 于桩基施工的隐蔽性， 且很多工程都是水下灌筑混 凝土， 较高强度等级的混凝土的浇筑质量难以保证， 因此混凝土强度等级不宜太高。 2桩顶铰接 或自由 情况下的工程实例分析 2. 1 工程一简介 图 2典型地质柱状图 工程一 图 3H 与 Y0， ΔY0/ΔH 关系曲线 工程一 工程一位于长春市， 钻孔灌注桩， 桩周土地质情 况详见图 2。桩径 1. 5m， 桩长 15. 0m， 为满足抗拉裂 缝条件要求， 主筋实配 10025， 桩身混凝土强度 等级 C40， 采用桩侧后注浆施工工艺。共检测了 4 根试验桩 SP1 ～ SP4， 其中试验桩 SP1 ～ SP3 采用单 向多循环加载法， 试验桩 SP4 采用慢速维持荷载法。 2. 2 检测结果分析 检测结果见表 2， 水平力与水平位移 H-Y0 关 系曲线和水平力与位移梯度 H-ΔY0/ΔH 关系曲线 见图 3。根据检测结果及建筑基桩检测技术规范 JGJ 1062003 简称基桩检测规范 式 6. 4. 1- 1 反算 m 值， 各试验桩 m 计算值见表 2。 工程一检测结果表 2 试验 桩 水平承载力特征值水平极限承载力 实测值 Rha/kN 对应的水平 位移 /mm 对应的 m /MN /m4 实测值 /kN 对应的水平 位移 /mm 对应的 m /MN /m4 SP11 05011. 3010. 031 50027. 734. 07 SP21 05010. 5611. 231 50027. 724. 07 SP39006. 0621. 911 50032. 773. 08 SP49005. 0130. 091 50028. 343. 93 79 建筑结构2013 年 2. 3 计算及对比分析 各计算参数如下 d 1. 5m， 混凝土强度等级 C40， 钢 筋 强 度 等 级 HRB400， ρg 2. 778 ， h 15. 0m。因为 ρg＞ 0. 65 ， 采用式 2 计算水平单桩 承载力特征值， 并按桩顶铰接 或自由 计算桩顶水 平位移系数 νx， m 值取值范围为 0 ～ 40MN/m 4， 混凝 土保护层厚度为 50mm。计算结果见图 4 和表 3。 工程一计算结果表 3 单桩水平承载力实测值 Rha/kN 9001 0501 500 m/MN /m414. 3518. 5533. 6 根据图 2， 灌注桩桩顶下 2. 7m 范围内为软塑状 粉质黏土， 其下为 4. 5m 厚的可塑状粉质黏土， 根据 桩基规范表 5. 7. 5 软塑状黏 土 m 取 值范围 6 ～ 14MN/m4， 可塑状黏土 m 取值范围 14 ～ 35MN/m4。 由表 3 可知， 此工程 m 值取 15MN/m4较为合 适， 根据式 4 ， 计算出桩顶下第 1 层土 m1和第 2 层 土 m2之间的关系， 见图 5。由图可见， 桩顶铰接 或 自由 情况下的计算公式相对适中， 计算时应综合 考虑 hm范围内土层性状及其厚度， m 值宜按桩基规 范表 5. 7. 5 之中值取值。 图 4m-Rha关系曲线图 工程一 图 5m1-m2关系曲线 工程一 3桩顶固接情况下的工程实例分析 3. 1 工程二简介 工程二位于青岛市， 钻孔灌注桩， 桩周土地质情 况详见图 6。桩径 1. 5m， 为满足抗压承载力要求， 桩长 40. 0m， 主筋 2432， 桩身混凝土强度等级 C45， 采用桩侧后注浆施工工艺。由于工程建设场 地原为生活垃圾填埋场， 桩顶处于垃圾土中， 考虑到 单桩桩顶铰接 或自由 情况下单桩水平承载力较 低， 故采用两桩承台的水平承载力试验， 详见图 7， 共两组承台 HPS， HPN， 每组承台由两根桩组成， 其 中 HPS 由 HP1， HP2 组成， HPN 由 HP3， HP4 组成。 承台尺寸详见图 7， 承台高 1. 5m。 试验桩桩顶嵌入承台 100mm， 深度较浅， 桩身 纵筋锚入承台内， 桩顶约束状态实际上介于铰接与 图 6典型地质柱状图 工程二 图 7试验桩平面图 固接之间， 偏于固接， 因此按桩顶固接考虑， 同时适 当考虑桩顶铰接。检测时， 两承台互为反力， 采用慢 速维持荷载法。 3. 2 检测结果分析 检测结果见表 4， 水平力与水平位移 H-Y0 关 系曲线和水平力与位移梯度 H-ΔY0/ΔH 关系曲线 见图 8， 此处 H 为承台所受水平荷载。 工程二检测结果 按承台下单桩考虑表 4 承台 编号 水平承载力特征值水平极限承载力 实测值 Rha/kN 对应的水平 位移 /mm 对应的 m /MN /m4 实测值 /kN 对应的水平 位移 /mm 对应的 m /MN /m4 HPS6403. 267. 091 12013. 851. 62 HPN6402. 6110. 281 12010. 902. 41 试验桩桩顶连接方式处于铰接和固接之间， 基 桩检测规范式 6. 4. 1- 1 只适用于桩顶铰接 或自由 情况下的 m 值计算， 但为进行比较分析， 亦根据检 测结果及该公式， 反算出 m 值， 各承台下基桩对应 的 m 计算值见表 5。 工程二计算结果表 5 单桩水平承载力实测值 Rha/kN m/MN /m4 桩顶铰接 或自由桩顶固接 6401. 818. 90 1 1204. 6122. 60 3. 3 计算结果分析 各计算参数如下 d 1. 5m， 混凝土强度等级 89 第 43 卷 第 1 期方云飞， 等． 单桩水平承载力计算方法研究与工程实例分析 图 8H 与 Y0， ΔY0/ΔH 关系曲线 工程二 图 9m-Rha关系曲线图 工程二 C45， 钢 筋 强 度 等 级 HRB335， ρg 1. 092 ， h 40. 0m。因为 ρg＞ 0. 65 ， 采用式 2 进行单桩水平 承载力特征值计算， 并按桩顶固接、 铰接 或自由 分别计算桩顶 身 最大弯矩系数 νM和桩顶水平位 移系数 νx， m 值取值范围为 0 ～ 10MN/m 4， 混凝土保 护层厚度为 70mm。计算结果见图 9 和表 5。 根据图 9， 桩顶下 hm 2 d 1 5. 0m 范围内 为填土、 生活垃圾组成的杂填土， 根据桩基规范表 5. 7. 5 松散、 稍密填土 m 取值范围 6 ～ 14MN/m4。 由表 5 可知， 此工程 m 取值 1. 8MN/m4较为合适， 更 趋近于淤泥质土的取值 淤泥质土 m 取值范围 2. 5 ～ 6MN/m4 ， 这正与本工程杂填土含有腐殖土和生 活垃圾、 土层力学性质较差相吻合。 同时亦可见， 桩顶固接情况下的单桩水平承载 力特征值计算公式相对偏于不安全， m 取值时需适 当保守， 宜按偏下限或下限合理取值。 4结论 1 桩顶固接且桩身配筋率大于 0. 65 的情况 比其他三种组合情况下的单桩水平承载力特征值计 算值均要大， 为其他三种组合情况下计算值的 3 倍 左右， 可见桩顶固接、 桩身配筋率大于 0. 65 对于 桩基水平承载力较为有利。 2 m， d， ρg， h 及混凝土强度等级等计算参数的 取值大小对桩基水平承载力的计算结果均有直接影 响， 其中 m 值对计算结果影响很大， 取值尤需慎重。 3 桩顶铰接 或自由 情况下， 桩基规范采用 的单桩水平承载力特征值计算公式相对适中， 计算 时应综合考虑 hm范围内土层性状及其厚度， m 值宜 按中值合理取值; 桩顶固接情况下， 该计算公式相对 偏于不安全， m 值宜按偏下限或下限合理取值。 4 本文分析结果对预制桩、 钢桩等桩型的桩 基水平承载力计算亦有借鉴意义。 上接第 21 页 直相交的次梁在端部加腋。 7结语 本工程为复杂高层建筑结构， 通过合理的结构 布置和详细的计算分析， 并采用基于性能的设计方 法进行分析和论证， 使结构具有必要的抗震能力。 同时， 针对本工程的特殊性， 对大跨度钢连廊结构、 超长地下室结构、 钢骨混凝土悬挑结构进行了详细 分析， 根据分析结果采取了有效的设计措施， 并在大 跨度连廊中采用 TMD 减振措施保证其舒适度。可 为类似的工程提供参考。 参考文献 ［1］ 熊向阳， 戚震华． 侧向荷载分布方式对静力弹塑性分 析结果的影响［J］． 建筑科学，2001 5 8- 13． ［2］ 杨溥． 基于位移的结构地震反应分析方法研究［D］． 重庆 重庆建筑大学， 1999． ［3］ JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． 北 京 中国建筑工业出版社， 2011． 上接第 102 页 6结论 1 全夯桩承载力较高， 桩身质量良好， 不仅可 以在多层和小高层建筑中广泛应用， 也可以在 20 层 以上的高层建筑中使用。 2 与嵌岩桩相比， 全夯桩基础造价低， 可节约 基础总造价 30 左右， 并可以大幅度缩短施工周 期。本工程用全夯桩替代嵌岩桩， 取得了较好的经 济效益。 3 在南昌地区土层中广泛分布有较厚的粗 砂、 砾砂层， 可作为全夯桩理想的稳定持力层。随着 城市建设的发展， 南昌出现了许多 20 层以上的高层 住宅， 能否在这些高层建筑基础中较大范围地使用 全夯桩以达到节约基础造价、 缩短工期、 减少资源消 耗的目的， 还有待于更多的工程实践的验证。 参考文献 ［1］ 席宁中， 刘金砺， 张春生． 扩底桩的侧阻松弛削弱效应 ［J］． 土木工程学报， 2007， 40 S1 179- 183． 99