干货 | 桩基承载力计算及试桩的是是非非

干货 | 桩基承载力计算及试桩的是是非非

北京峰源结构设计

以下文章来源于JIE构生活 ，作者鲲鹏

一、极限状态法与安全系数法

从根源上来说，桩身强度与桩岩土承载力验算公式的差异，主要在于计算理论的不同。桩身强度采用极限状态设计法，桩岩土承载力采用安全系数法。极限状态设计法本身是一种近似概率法，背后的理论是可靠度理论，在设计中的呈现，就是各种分项系数，包括荷载分项系数与抗力分项系数。承载力极限状态验算，通常采用基本组合。而安全系数法，本身是一种纯经验方法，采用包络的思想，将设计中的所有不确定性因素都打包到安全系数这个单一变量。这些不确定性因素包括：荷载、材料、施工、后期使用等因素。由于各种分项系数最终都体现为安全系数，所以这种方法采用的验算组合通常为标准组合。上部结构设计普通采用极限状态法，而与岩土承载力相关的，目前仍普遍采用安全系数法。所以，在设计结构基础时，这两种方法可能会交织在一起，甚至出现矛盾。上篇文章提到的，桩基承载力计算的冲突，只是其中一个侧影。事实上，我们可以举出更多例子。1）抗拔桩桩身截面验算（《桩规》5.8.7条），N≤fyAs，这里的桩身截面验算采用极限状态法，对应的是基本组合。抗拔桩桩侧承载力验算采用安全系数法，对应的是标准组合。我翻看广东省《地规》10.2.11条，抗拔桩桩身强度验算改用了安全系数法。2）广东省《地规》5.2.6条，土层锚杆抗拔承载力计算和锚杆截面承载力计算，采用的都是安全系数法。《抗浮锚杆技术规程》（YB/T）4659-2018，锚杆抗拔承载力计算采用安全系数法，安全系数为2.0；锚杆截面承载力计算采用极限状态法，并规定荷载效应基本组合与标准组合之间的关系为1.35倍。在计算筋体黏结段长度时，又采用了安全系数法。《建筑工程抗浮设计规程》（DBJ/T15-125-2017）,抗拔桩和抗浮锚杆，无论是抗拔承载力，还是截面承载力，均采用安全系数法。《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ476-2019），对锚杆抗拔承载力验算采用安全系数法，但对截面承载力验算，采用极限状态法，同时又引入了一个安全系数2.0，这就比较古怪。你看，相关的验算其实比较混乱。目前，我们也无能为力。以桩身强度验算为例，荷载基本组合与标准组合之间的关系为1.35倍，混凝土材料分项系数为1.4，以桩基岩土承载力类比，桩身强度验算的安全系数为1.35X1.4=1.89＜2.0。如果单纯对比安全系数，桩身强度的安全度小于桩基岩土承载力。但如果从可靠度理论来分析，可能桩身强度的安全度大于桩基岩土承载力，因为桩身强度的变异系数小于桩基岩土承载力。

讲了这么多，结论是什么呢？

1）抗压桩、抗拔桩以及锚杆的岩土承载力，均采用安全系数法，安全系数通常取为2.0；2）抗压桩、抗拔桩以及锚杆的截面承载力，有的规范采用极限状态法，有的采用安全系数法。两种方法在数值上有差异，但从工程角度来说，差异可以接受。
二、抗压桩试桩问题

《建筑基桩检测技术规范》4.1节规定：1）为设计提供依据的试验桩，应加载至桩侧与桩端的岩土阻力达到极限状态；当桩的承载力由桩身强度控制时，可按设计要求的加载量进行加载。2）工程桩验收检测时，加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2.0倍。我们知道，对桩的岩土承载力，我们是按极限承载力标准值除以安全系数2.0，得到特征值。试验时，加载至特征值的2.0倍，没有问题。但如果是桩身强度控制，此时安全系数仅为1.89，加载至2.0倍，是否不安全呢？这个问题其实不用担心。1）《桩基》规范5.8.2条条文说明，通过试验证明，桩身受压承载力安全系数，实际上大于桩岩土承载力的安全系数2.0；2）我们再看看，究竟有哪些因素导致桩身强度安全系数大幅提高：a）桩身箍筋的作用，箍筋对轴心受压混凝土起到侧向约束增强的作用，带箍筋的约束混凝土轴压强度较无约束混凝土提高80%左右；对抗压桩来说，轴力最大的位置在桩顶，桩顶配置有螺旋箍筋，且通常加密；b）桩周土的约束，这意味着，桩的受力条件优于上部结构柱；c）成桩工艺系数，泥浆护壁灌注桩工艺系数通常取为0.7~0.8；严格来说，成桩工艺与桩深度有关，在靠近桩顶位置，成桩质量较好，成桩工艺系数可以提高。
三、抗拔桩试桩问题
《建筑基桩检测技术规范》5.1节给出了单桩竖向抗拔静载试验的一般规定。1）为设计提供依据的试验桩，应加载至桩侧岩土阻力达到极限状态或桩身材料达到设计强度；2）工程桩验收检测时，施加的上拔荷载不得小于单桩竖向抗拔承载力特征值的2.0倍或使桩顶产生的上拔量达到设计要求的限值；3）当抗拔承载力受抗裂条件控制时，可按设计要求确定最大加载值；4）预估的最大试验荷载不得大于钢筋的设计强度；我们知道，抗拔桩的承载力包括两个方面，桩身强度和桩侧岩土承载力，同时，抗拔桩还需要做裂缝验算。下面，我们分别阐述。①桩侧岩土承载力，抗拔极限承载力标准值和抗拔承载力特征值之间的关系还是2.0倍；②对抗拔桩来说，桩身强度的富裕度为1.35，即最大的拔力加载量为1.35倍的桩身抗拉强度设计值。③如果抗拔桩需要考虑裂缝，则配筋通常由裂缝控制。我们按单桩抗拔承载力特征值计算裂缝，意味着，可承受的最大拔力也为承载力特征值。因此，对工程桩验收检测时，必须要按裂缝控制要求增大配筋，这会与桩基检测的随机性矛盾；如果要满足随机性，所有的抗拔桩都必须加大配筋，这又与结构设计的经济性矛盾。
对此，李国胜曾建议：

1）当抗拔桩位于稳定的无腐蚀性或微腐蚀性的地下水以下时，钢筋锈蚀速度很慢，且抗拔静载试验时桩抗裂不满足是短期的，卸载后裂缝一般能弥合（钢筋处于弹性阶段），此时可不考虑抗拔桩承载力检测时抗裂不满足的问题，随机抽取工程桩进行抗拔承载力检测即可。2）当一个单体范围内抗拔桩均匀分布、数量较多、上部结构整体性较好、检测桩均匀分布且检测桩数量不超过总桩数的2%（即桩数不少于150根）时，可不考虑抗拔桩承载力检测时抗裂不满足的问题，随机抽取工程桩进行抗拔承载力检测即可。因为即便2%的桩出问题，对整体影响不大。这其中的核心逻辑是：工程桩验收检测毕竟是少数，裂缝超限属于临时工况，对少数桩可以适当放宽，但钢筋应力需要小心控制，即使在试桩的短期工况，钢筋应力仍应处于弹性阶段，否则，应该加大配筋。