规范相关规定
《建筑与市政地基基础通用规范》GB 55003-2021第5.2.9条为强制性条文:
《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008对于负摩阻力计算规定:
第5.4.3条区分摩擦型桩和端承型桩两种情况按不同的公式计算,在规范里并没有很明确的区分方法,在负摩阻力计算前首先要确定是哪种类型桩。
刘金砺的《建筑桩基技术规范应用手册》按承载性状分类,根据侧阻力与端阻力比例以50%为界进行区分:
刘金波的《桩基手册》按受力状态分类,根据侧阻力与端阻力比例进行区分,但分界线并不是很明确,如比例在30%~70%时的区分:
以上两位都是《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008主要起草人,有一定的参考价值:
在规范里写着“摩擦型桩”的条文,侧面都有说明此桩的沉降比较大的意思,例如《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第5.2.4条和第5.4.3条条文说明等:
《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第5.2.4条:
《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第5.4.3条条文说明:
再比如下图的嵌岩桩,随嵌岩深度的增加端阻力大幅度在降低,而侧阻力大幅度在增加,如果按根据侧阻力与端阻力比例进行区分,此嵌岩桩就成为了摩擦型桩,此时按式(5.4.3-1)进行计算不计入负摩阻下拉力;如果按沉降大小来分,它依然是端承型桩,此时按式(5.4.3-2)进行计算计入负摩阻下拉力,很明显这个桩按端承型桩更合理,以侧阻力与端阻力比例进行区分是不尽合理的。
那么,从以上分析可以得出,式(5.4.3-1)适用于基桩工后沉降比较大的桩,式(5.4.3-2)适用于基桩工后沉降比较小的桩;
什么是沉降比较大什么是沉降比较小,好像又是一个不明确的问题;我们知道,产生负摩阻力的主要原因是因为桩周土体沉降大于基桩沉降,如果采用式(5.4.3-1),说明基桩的沉降不小于桩周土体的沉降(对于比较厚的欠固结土层变形量可不小),那么,基桩变形量是否在“承台和上部结构”适应范围以内?所以,一般的结构可以按式(5.4.3-2)较为妥当。
实际项目计算
以一实际项目为例计算基桩负摩阻力,与“054 YJK软件吊车荷载导算错误”为同一项目,根据地勘显示回填年限未超过15年,属于新填土,柱状图和岩土参数如下:
柱状图填土层厚度为13.6米,换算至承台底约11.6米
岩土参数
对于厚度比较厚的欠固结新填土不容忽视负摩阻力对基桩的下拉影响,本项目采用《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008第5.4.3式(5.4.3-2)进行计算;
式(5.4.3-2)Nk+Qg=Ra转换为Nk=Ra–Qg,设R计=Nk,则R计=Ra–Qg、Ra=R计+Qg,其中,R计为输入程序计算的单桩竖向抗压承载力特征值;
基于负摩阻力中性点深度不确定性、厂房地面堆载不确定性、地下水位多变性(水位变动桩侧负摩阻力标准值也在变动)和工程设计简便性等,桩周土负摩阻力标准值直接取与正摩阻力标准值相同(规范规定当桩侧负摩阻力标准值大于正摩阻力标准值时,取正摩阻力标准值进行设计),不再按(5.4.4-1)计算,同时群桩效应系数偏安全取1.0(群桩效应系数计算原理:桩负摩阻力下拉力不得大于单桩相应范围土重以满足基本的静力平衡条件,此值不大于1);
桩端持力层为-6>粉质黏土,设桩端入持力层深度10米,端阻力Qpa取2700Kpa,中性点深度比取0.6,桩身直径为500的PHC管桩;
R计=3.14*0.5*(–2*12*11.6*0.6+12*11.6*(1-0.6)+25*1.4+33*5.8+43*3.7+43*10)+3.14*0.25*0.25*2700=1635 KN,设计取R计=1500 KN
其中,负摩阻力下拉力Qg=3.14*0.5*2*12*11.6*0.6=262 KN
(以上“2*12”为负摩阻下拉力的侧阻力标准值,由正摩阻力特征值12乘以系数2转换而来)
以上R计=1500 KN为输入程序计算的单桩竖向抗压承载力,而不是施工图要表达的单桩竖向抗压承载力特征值Ra,施工图要表达的Ra=R计+Qg=1500+262=1762 KN
对于没有负摩阻力的基桩静载检测加载力为QU=2Ra,对于有负摩阻力的基桩,在检测加载过程中基桩沉降大于土体沉降,负摩阻力变为正摩阻力,为了抵消由负转正摩阻力需要加上负摩阻力下拉力Qg,则静载检测加载力应为QU=2Ra+Qg,QU=2Ra+Qg= 2*(R计+Qg)+ Qg= 2R计+3Qg=2*1500+3*262=3786 KN
重新整理以上各数据:
输入程序计算的单桩竖向抗压承载力R计=Ra–Qg=1500 KN
施工图要表达的单桩竖向抗压承载力Ra=R计+Qg=1762 KN
载荷试验静载检测的加载力QU=2R计+3Qg=3786 KN(要写到施工图里作为检测要求,否则检测结果偏低)
另外:
1.如果要做沉降计算,可以把负摩阻力下拉力Qg乘以承台下基桩数量作为附加恒荷载单工况输入到墙柱竖向构件节点上,此结果仅用于沉降;
2.输入程序计算的R计在偏心荷载作用下偏于安全,因为R计里面包含了负摩阻力下拉力Qg,如下图的1.2R、1.25R和1.5R里也相当于把负摩阻力下拉力Qg放大了1.2、1.25和1.5倍,如果计算结果在边界处,可以考虑相应加上0.2Qg、0.25Qg和0.5Qg。
负摩阻力时效性
降低负摩阻力影响的措施
根据对桩负摩阻力的分析结果,可以采取有针对性的措施来减小负摩阻力的不利作用:
1、承台底的欠固结土层处理
当欠固结土层厚度不大时可以考虑人工挖除,并替换好土,以减少土体本身的沉降;当欠固结土层厚度较大时或无法挖除时,可以对欠固结土层(如新填土地基)采用强夯挤淤、土层注浆等措施,使承台底土在打桩前或打桩后快速固结,以消除负摩阻力;
2、在桩基设计时,考虑桩负摩阻力后,单桩竖向承载力设计值要折减,并注意单桩轴力的最大点不再在桩顶,而是在中性点位置,所以,桩身混凝土强度和配筋要增大,并验算中性点位置强度;
3、考虑负摩阻力后,承台底部地基的承载力不能考虑,而且贴地的低承台由于地基土的本身沉降有可能转变成高承台;
4、套管保护桩法
即在中性点以上桩段的外面罩上一段尺寸较桩身大的套管,使这段桩身不致受到土的负摩阻力作用,该法能显著降低下拉荷载,但会增加施工工作量;
5、桩身表面涂层法
即在中性点以上的桩侧表面涂上涂料,一般用特种的沥青,当土与桩发生相对位移出现负摩阻力时,涂层便会产生剪应变而降低作用于桩表面的负摩阻力,这是目前被认为降低负摩阻力最有效的方法;
6、预钻孔法
此法既适用于打入桩又适用于钻孔灌注桩,对于不适于采用涂层法的地质条件,可先在桩位处钻进成孔,再插人预制桩,在计算中性点以下的桩段宜用桩锤打人以确保柱的承载力,中性点以上的钻孔孔腔与插入的预制桩之间灌人膨润土泥浆,用以减少桩负摩阻力;
7、考虑负摩阻力后,要在设计时增强桩基础的整体刚度,以避免不均匀沉降,由于欠固结填土、堆载等引起的桩负摩阻力不但增加了下拉荷载,而且可能使房屋基础梁与地基土脱开,从而引起过大沉降或不均匀沉降,所以设计时应事先考虑;
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