《建筑桩基技术规范》和《铁路桥涵地基与基础设计规范》关于桩基承载力对比研究

'《建筑桩基技术规范》和《铁路桥涵地基与基础设计规范》关于桩基承载力对比研究　　摘要：通过实际工程中桩基承载力的计算发现，采用《建筑桩基技术规范》与采用《铁路桥涵地基和基础设计规范》计算出的桩基承载力差异较大。本文分别通过荷载取值原理、桩竖向承载力的评判标准以及桩基承载力的计算过程对两规范进行对比分析。通过选取不同类别土壤对两规范所计算的桩侧摩阻力、端阻力与桩基承载力分别进行对比分析。结果表明：《建筑桩基技术规范》相对于《铁路桥涵地基和基础设计规范》所计算出的桩基承载力较大，其主要原因是《建筑桩基技术规范》较《铁路桥涵地基和基础设计规范》所给出的各种类土壤力学性能优越。关键词：侧阻力；端阻力；承载力特征值；容许应力；中图分类号：U231文献标识码：A11 在实际地铁高架站工程的桩基础承载力计算中发现，采用《建筑桩基技术规范》与采用《铁路桥涵地基和基础设计规范》所计算出的桩基承载力差异较大，且通常《铁路桥涵地基和基础设计规范》所计算出的桩基承载力较为小。针对这种情况，本文通过对两规范中荷载取值原理、桩竖向承载力的评判标准以及桩基承载力计算过程等方面进行分析，用以指导今后的地铁高架车站桩基设计。1荷载取值原理《建筑桩基技术规范》[1]采用概率极限状态设计原理，采用恒荷载标准值、活荷载标准值及风荷载标准值等对结构进行计算，并要求各工况荷载通过标准组合进行桩基承载力设计。（1）S—荷载效应标准组合值；SGk—恒荷载作用标准值；SQik—第i个活荷载作用标准值；—第i个活荷载的组合系数；n—活荷载个数。式中的组合系数是通过考虑不同活荷载自身的特性以及变异性，为确保结构可靠度所引进的系数。同时为了考虑结构的重要等级，而引入了结构的重要性系数。由于材料自身存在着变异性，同样引入材料分项系数来考虑这一影响。（2）（3）ro—结构重要性系数；R—材料承载力设计值；Rk—材料承载力标准值；11 rR—材料分项系数；《建筑桩基技术规范》基于以上各系数来实现结构的具有一定可靠度的目的，且各系数的取值均由概率极限方法确定。《铁路桥涵地基和基础设计规范》[2]中的结构作用荷载分为主力与附加力，荷载组合通常采用一个主力与一个方向的附加力进行组合。我国铁路桥涵设计采用容许应力法进行设计。在主力、附加力的取值方面基本同《建筑桩基技术规范》，都取用各荷载的标准值。但在荷载组合过程中，并未引入荷载组合系数、结构重要性系数等概念，这是由于容许应力法的原则为，其结构的可靠度主要在于的取值上，容许应力值是由规定的材料弹性极限除以大于1的单一安全系数而得。由于容许应力法以材料的弹性极限为限制，所以此方法对材料强度的利用程度较低。由于《建筑桩基技术规范》中依据概率极限理论为基础，考虑了荷载自身的特性、变异性、结构自身的重要性与材料的变异性，较仅采用单一安全系数的《铁路桥涵地基和基础设计规范》更为科学。2桩竖向承载力的评判标准《建筑桩基技术规范》要求桩基的承载力计算应符合以下标准：荷载效应标准组合下11 轴心竖向力作用下（4）偏心竖向力作用下，除满足上式外，尚应满足下面公式（5）地震作用效应和荷载效应标准组合：轴心竖向力作用下（6）偏心竖向力作用下，除满足上式外，尚应满足下面公式（7）Nk—标准组合下桩的平均竖向力；Nkmax—标准组合下桩顶最大竖向力；NEk—有地震作用的标准组合下桩的平均竖向力；NEkmax—有地震作用的标准组合下桩顶最大竖向力；R—桩竖向承载力特征值；《建筑桩基技术规范》较为详细的给出了桩在轴心受荷、偏心受荷情况下的评判标准。同时考虑了地震作用下瞬时作用对桩基承载力的放大作用。11 《铁路桥涵地基和基础设计规范》要求在任何形式的荷载作用下，桩所承担的最大荷载不应大于桩身的容许承载力与按岩土阻力确定的容许承载力二者的较小值。由于《铁路桥涵地基和基础设计规范》没有对偏心荷载作用与地震作用下的承载力进行放大，所以此计算方法对材料强度的利用程度相对于《建筑桩基技术规范》较低。3桩基承载力计算过程《建筑桩基技术规范》的桩基承载力特征值根据下试进行计算：（8）Quk—单桩竖向极限承载力标准值；K—安全系数，取K=2；桩的竖向极限承载力标准值通过下式进行计算：（9）qsik—第i层土极限侧阻力标准值；qpk—桩极限端阻力标准值；、—桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数；u—桩身周长；《铁路桥涵地基和基础设计规范》的桩基容许承载力（钻孔灌注桩）：（10）[P]—桩容许承载力；U—桩身周长；fi—第i层土极限侧阻力；—桩底地基土容许承载力；M0—桩底支撑力折减系数。11 通过式（9）与式（10）可知，《建筑桩基技术规范》与《铁路桥涵地基和基础设计规范》中桩的承载力都由桩侧摩阻力与桩端阻力两部分组成，并且每部分的公式组成也类似，同时发现两规范中都采用了1/2的折减系数，不同的是《建筑桩基技术规范》体现在桩侧摩阻力与桩端阻力上，而《铁路桥涵地基和基础设计规范》中只体现在桩侧摩阻力上。下面通过5类土壤，每类土壤2个状态，分别采用《建筑桩基技术规范》与《铁路桥涵地基和基础设计规范》对同一桩的端侧摩阻力、桩端阻力与桩基承载力进行分析对比。桩径统一取800mm，桩长统一取15m，假设在桩长范围内仅有一种性质的土层。各土壤的力学性能根据各规范推荐值进行取值，见表1与表2。表13001400表2图1桩侧摩阻力比较图2桩端阻力比较图3桩承载力比较图4桩摩阻力所占承载力的比重图5桩端阻力所占承载力的比重11 由于《建筑桩基技术规范》对桩侧摩阻力与端阻力进行1/2系数折减，而《铁路桥涵地基和基础设计规范》采用容许应力法进行桩端阻力的计算，本身具有一定的安全性，所以其仅对桩侧摩阻力进行1/2系数折减。为使两规范具有对比性，在图1中，把1/2Qsk与Qs（符号含义参见公式（9）（10））进行对比，在图2中把1/2Qpk与Qp进行对比分析。由图1看出，《建筑桩基技术规范》计算出的桩侧摩阻力略高于《铁路桥涵地基和基础设计规范》的计算结果，但差异并不明显。同时发现在《建筑桩基技术规范》中，干作业施工条件与泥浆护臂作业下的桩侧摩阻力也基本相近，仅在中砂土地质条件下出现较为明显的差异。由图2看出，《建筑桩基技术规范》计算出的桩端阻力明显高于《铁路桥涵地基和基础设计规范》的计算结果，这主要是由于《铁路桥涵地基和基础设计规范》所给出的桩端阻值明显小于《建筑桩基技术规范》所给出的桩端阻标准值（见表1与表2）。同时发现《建筑桩基技术规范》中，采用干作业施工方法较泥浆护臂作业方法会大幅度提高桩端阻力值。11 由图3发现，《建筑桩基技术规范》计算出的桩基承载力较《铁路桥涵地基和基础设计规范》高，同时发现在《建筑桩基技术规范》计算下，干作业施工情况下的桩基承载力比泥浆护臂施工情况下的高，差异较为明显，这主要是由于干作业施工可大幅度提高桩端阻力值。　　通过图4与图5的比较发现《铁路桥涵地基和基础设计规范》与《建筑桩基技术规范》计算出的桩侧摩阻力都占桩承载力的50％以上，说明在以上的假设条件下桩侧摩阻力为桩承载力的主要部分。相对于《建筑桩基技术规范》，《铁路桥涵地基和基础设计规范》计算下的桩侧摩阻力所占桩承载力的比重更大，这是由于《铁路桥涵地基和基础设计规范》给出的各土壤的桩端阻值较小，导致了其桩端阻力相对于摩阻力明显偏小。同时发现在《建筑桩基技术规范》计算下，干作业施工条件下的桩端阻力所占比重大于泥浆护臂作业下的比重，这是由于干作业施工会明显提高桩端阻力值，而对桩侧摩阻力的提高幅度不明显。11 通过以上分析发现，导致《建筑桩基技术规范》与《铁路桥涵地基和基础设计规范》所计算出的桩基承载力差异的本质原因在于两规范中给出的各土壤的桩端阻值差异较大，《铁路桥涵地基和基础设计规范》给出的桩端阻值明显小于《建筑桩基技术规范》给出的桩端标准值。《建筑桩基技术规范》中给出的桩承载力极限值、极限侧摩阻标准值与极限端阻力标准值主要是以大量的静载试验为基础，其中静载试验是以达到桩的极限状态为目的，从而测得其在极限状态下的承载力、侧摩阻力与端阻力。所以《建筑桩基技术规范》中所给出各土壤的侧摩阻标准与端阻力标注值都相对较大。而《铁路桥涵地基和基础设计规范》中的桩端阻力仍是沿用（土壤的基本承载力），这一概念与《建筑地基基础设计规范》[3]中所给出的地基承载力特征值相类似，在《建筑地基基础设计规范》中地基的承载力特征值大多用于非桩基础的设计中。对于同一土层，《铁路桥涵地基和基础设计规范》中的基本承载力与《建筑地基基础设计规范》中的承载力特征值都小于《建筑桩基技术规范》给出的端阻力标准值，例如某一实际工程地质报告中的中砂数据，其基本承载力值为400kPa，承载力特征值为220kPa，桩的端阻力标准值为1100kPa。之所以会出现以上的差异，其中一个原因是因为《铁路桥涵地基和基础设计规范》中很多种类的土壤试验数据不完整，且有较多土壤在承载力测量的试验过程中并未做到极限状态就停止了，所以其给出的大部分土壤的端阻值相对于《建筑桩基技术规范》的小。除上述原因，由于《建筑桩基技术规范》中是针对桩基这一单一构件进行大量的静载试验所得出的数据，数据的真实性与可靠性较高，但是《铁路桥涵地基和基础设计规范》试验对象较多，且测量对象不仅针对于桩基础同时也针对于大量的非桩基础，虽然规范考虑到深层土壤固结作用对承载力的提高，从而引进深度修正系数，但不能较为细致的反应桩端的实际受力情况，所以《铁路桥涵地基和基础设计规范》所计算出的桩端阻值偏于保守。11 4结论通过荷载取值原理、桩竖向承载力的评判标准以及桩基承载力计算过程三方面对《建筑桩基技术规范》与《铁路桥涵地基和基础设计规范》进行对比分析得出以下结论：由于《建筑桩基技术规范》采用概率极限状态设计理论进行设计，较《铁路桥涵地基和基础设计规范》所采用的容许应力法更为科学。《铁路桥涵地基和基础设计规范》相对于《建筑桩基技术规范》给出的桩基承载力评判标准较为保守，且未考虑地震瞬时作用对承载力的提高作用。《建筑桩基技术规范》计算出的桩承载力明显高于《铁路桥涵地基和基础设计规范》的计算值，其主要原因在于《建筑桩基技术规范》给出的各类土壤的端阻力标准值相对较大。《建筑桩基技术规范》中干作业施工情况下的桩端阻力明显大于泥浆护臂施工情况下的计算结果，但两种作业方法下的桩侧摩阻力的差异较小。参考文献：JGJ94-2008,建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008年TB10002.5-2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2009年11 GB50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011年11'