天津樁基設計的幾個疑難問題

         匯總了《建筑樁基技術規范》施行近半年以來遇到的幾個問題，歸納起來為三類：

        1）個別規范條文容易被誤解或忽略，如空心樁樁身截面模量W0的取值；

        2）規范條文沒有涉及的實際問題，如樁身壓屈效應和負摩阻力的疊加問題；

         3）極個別的規范規定值得商榷，如液化土中樁身壓屈計算長度lc的取值問題。

        對這些實際問題進行了討論，提出了作者的意見供同行參考。

        1、 樁身壓屈效應和樁負摩阻力的疊加問題

       ①  規范內容簡述

       新樁基規范強調了樁身壓屈效應和負摩阻力效應的重要性，分別在第3.1.3條第2款和5.4.2條以強制性條文的形式提出相關要求，并在第5.8.4條和5.4.3~5.4.4條分別提供了計算方法。

       樁身壓屈效應是使樁身承載力下降，需要乘以樁身穩定系數進行折減；負摩阻力效應是使樁身承受向下的附加荷載。

         ②  設計相關問題

        需要考慮樁身壓屈效應的場合往往也需要考慮負摩阻力效應。例如，廣州地區很多場地有較厚的淤泥，其性質較差（含水量w=60~，直接快剪指標c=3~5kPa、φ=1~30）,符合需要驗算樁身壓屈效應的條件。同時場地平整在其上有幾米厚的新近回填松散填土，也需要考慮負摩阻力的不利影響。是否應把兩者的不利影響疊加考慮，即對樁身承載力乘以樁身穩定系數進行折減，同時樁身還要另外附加負摩阻力。如果這樣算下來，樁數比以往要增加不少。

         ③  討論及設計建議

         判斷是否需要疊加樁身壓屈效應和負摩阻力的不利影響，應分析兩者是否會同時發生的。在工程的前期，樁側的淤泥還沒有固結，不存在樁周土層沉降超過基樁沉降的情況，不需要計算負摩阻力；同時淤泥性質較弱，對樁身受壓失穩的約束能力不足，應考慮樁身穩定性問題。在工程的后期，樁側的淤泥固結逐步達到穩定，樁周土層沉降超過基樁沉降，樁負摩阻力達到峰值，應計入負摩阻力的不利影響；但此時淤泥性狀已大大改善，對樁身受壓失穩的約束能力也有很大提高，樁身穩定系數甚至可取1.0?？梢妰烧叩母笾挡皇峭瑫r發生的。在樁負摩阻力逐漸增加的過程中，樁身壓屈效應逐漸減弱。

        建議設計時按新樁基規范第5.8.4條和5.4.3~5.4.4條分別單獨復核樁身壓屈效應和負摩阻力的不利影響，并適當留有余地。

         2、 空心樁樁身截面模量W0的取值問題

          ①  規范內容簡述

         在計算單樁水平承載力特征值、樁的水平變形系數α等環節都涉及樁身抗彎剛度EI，新樁基規范第5.7.2條提供EI的計算取值方法如下：

        對于鋼筋混凝土樁，樁身抗彎剛度 ；其中，Ec為混凝土的彈性模量，I0為樁身換算截面慣性矩，圓形截面 ，矩形截面 ；W0為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量，圓形截面:

        其中d為樁直徑，d0為扣除保護層厚度的樁直徑；b為方形樁截面邊長，b0為扣除保護層厚度的樁截面寬度； 為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值。

         ②  設計相關問題

         對照材料力學關于圓形和方形的截面模量W計算公式可知，（1）、（2）式是對應于實心圓形和方形樁，并且把樁身鋼筋等效地計入W0。由于規范條文沒有特別說明，也沒有另外提供空心樁的計算公式，有設計人員直接套用  （1）、（2）計算預應力混凝土管樁和預應力混凝土空心方樁的W0，造成偏差。

          以壁厚90mm的ф400預應力混凝土管樁為例，減去空心部分后樁身抗彎剛度EI相差約12.3%，對后續的單樁水平承載力特征值、樁的水平變形系數α等計算結果有較大影響。

          ③  設計建議

        計算預應力混凝土管樁和預應力混凝土空心方樁W0時，要減去空心部分，即預應力混凝土管樁為：

         其中dl為空心樁內徑。

         3、液化土中樁身壓屈計算長度lc的取值問題

           ①  規范內容簡述

        新樁基規范第5.8.4條規定，對于樁身穿越可液化土的基樁應考慮壓屈影響，樁身正截面受壓承載力乘以φ折減，穩定系數φ可根據樁身壓屈計算長度lc和樁的設計直徑d（或矩形樁短邊尺寸b）確定。樁身壓屈計算長度lc按規范表5.8.4-1確定。

        新樁基規范表5.8.4-1備注第3點提出，當樁側有厚度為dl的液化土層時，樁露出地面長度l0和樁的入土長度h分別調整為：

         ψl按新樁基規范表5.3.12取值。

          ②  對規范規定的討論及建議

          土層液化折減系數ψl值如表1所示（表中N為飽和土標貫擊數實測值；Ncr為液化判別標貫擊數臨界值），與抗震規范[2]表4.4.3同。

         從表1可見，飽和土標貫擊數實測值N越大，飽和土越密實，ψl值越大，液化土層樁側阻力需要折減的程度越??；同時飽和土對樁身受壓失穩的約束能力也越大，樁身壓屈計算長度lc理應越小。

         但對照（5）、（6）式，ψl值越大，樁身自由長度的計算 反而越大，樁身受壓失穩的可能性越大。顯然（5）、（6）式值得商榷，建議改為：

        4、擠土樁的最小樁距

         ①  規范內容簡述

        新樁基規范第3.3.3條第1款提出了基樁的最小中心距，對照94版樁基規范[3]，擠土樁和部分擠土樁的最小中心距普遍增加了0.5d，反映出新樁基規范對擠土效應的重視。

          ②  對規范規定的討論及建議

          在軟土中采用擠土樁，可能產生擠土效應，造成地面隆起；鄰近建筑物上抬、下沉和開裂；鄰近管線變形、開裂；拉斷已沉樁的接頭等工程問題。規范的基樁最小中心距所考慮的因素之一就是成樁工藝。對于非擠土樁而言，無需考慮擠土效應問題；對于擠土樁，為減小擠土負面效應，在飽和粘性土和密實土層條件下，樁距應適當加大。

         但是，新樁基規范僅以成樁工藝分類規定基樁最小中心距，似乎并不全面。成樁方法只是其中一個影響因素，擠土效應的控制性因素是樁的面積置換率（即入土樁的總截面積與建筑物底面積之比）。例如，采用輕鋼結構屋面的大跨度結構，就算采用預應力混凝土管樁等擠土樁，由于結構自重輕、樁數少，總體樁的面積置換率低，擠土效應一般不明顯。

        建議對面積置換率在1~2%以內的擠土樁，基樁最小中心距可適當放寬。

       5、靜壓樁壓樁機接地壓強的控制問題

         ①  規范內容簡述

         新樁基規范第7.5.4條規定,采用靜壓沉樁時，場地地基承載力不應小于壓樁機接地壓強的1.2倍。

           ②  工程實例

          2003年廣州市某辦公樓工程，表層土分布自上而下為：（1）、0.1~0.5m厚的松散人工填土、（2）、2.2~5.0m厚的淤泥（fak<30kPa）、（3）、4.2~6.8m厚的淤泥質砂土（fak=40kPa）。在靜壓管樁完工后檢測發現超過半數斷樁，其原因主要是壓樁機的著地壓力達90kPa、超過表層土體承載能力，土體產生側向塑性變形而引起水平位移，把已壓樁推斷破壞。最后決定將改用鉆孔樁進行補樁處理。

          ③  討論及設計建議

        靜力壓樁具有無噪聲、沒有震動、不會對環境造成危害的優點，在很多城市的中心城區廣泛使用。但靜力壓樁需要大量的配重，對場地表層土承載力的要求比較高。靜力壓樁機的接地壓強一般介于66~120kPa，個別可高達160kPa甚至180kPa以上[4]。如果表層土非常軟弱，無法承受配重的過大壓力，就會發生陷機現象，使已壓樁造成壓斷或推斷破壞。

       新樁基規范第7.5.4條是施工方面的規定，而且條文說明也沒有詳細解釋，設計人員容易忽略。當場地軟土層厚而埋深淺、表層土承載力低時，應在設計文件中對壓樁機著地壓強作出限制，或適當處理表層土以提高其承載力。

          6、如何執行預制樁吊運和錘擊驗算的強制性條文規定

        ①  規范內容簡述

         新樁基規范第3.1.3條第2款規定，混凝土預制樁應按吊裝、運輸和錘擊作用進行樁身承載力驗算。

        ②  討論及設計建議

        這是強制性條文，必須嚴格執行。但規范規定比較籠統，可執行性不高。首先規范沒有明確進行驗算的主體，設計單位和施工單位可能互相推諉，使強制性條文無人執行，失去其嚴肅性。第二，新樁基規范第5.8.11和5.8.12條提供了預制樁吊運和錘擊驗算的原則和方法，從該條文在規范的位置來判斷，似乎暗示應由設計單位進行驗算工作；但在設計階段預制樁的施工方案未定，如何吊運、驗算更大錘擊應力的參數等無法事先知曉，設計單位無法進行驗算，反而容易令施工圖審查機構誤會設計單位不執行強制性條文、引起不必要的誤會。

          建議設計單位在樁基施工要求方面補充相關內容，要求施工單位在制定預制樁施工方案時，按《建筑樁基技術規范》（JGJ94－2008）第5.8.11和5.8.12條進行預制樁吊運和錘擊驗算，并報設計單位復核同意后方可施工。

         7、結語

       《建筑樁基技術規范》(JGJ94－2008)總結了近年來我國樁基礎設計、施工經驗，吸納了該領域新的科研成果。它的頒布實施為我國樁基工程提供了更加完善的技術指引。本文提出新樁基規范實施中的若干問題，只是想說明：工程實際情況千變萬化，任何技術規范不可能為所有工程實際問題都提供完整的答案，需要工程技術人員發揮聰明才智，對規范條文融會貫通。