浅谈桩基正常使用与承载力检测的边界条件差异

[主要内容]
结合工程实例，对桩基础设计中经常碰到的几类问题（如负摩阻力基桩、在自然地面检测承载力的地下室基桩、液化土层中的基桩等）进行思考和分析，指出在某些特殊工程条件下，基桩正常使用与承载力检测的边界条件差异是非常显著的，如不加分析和修正调整，将有可能导致承载力取值过大、配桩不足，而偏于不安全；并对这几类问题提出了解决的思路与方法。
[关键词]
桩正常使用；桩承载力检测；边界条件；负摩阻力；地下室；液化土

引言
单桩竖向承载力特征值Ra是设计阶段确定桩数的参数，桩基承载力检测得到的参数是竖向极限承载力标准值Quk。规范[1-3]规定Ra与Quk存在如下关系：
Ra=Quk/2 （1）
式（1）中“2”其实只是表观安全系数，因为基桩正常使用阶段与承载力检测的边界条件或多或少存在差异。在某些特殊工程条件下，这种差异是非常显著的，如不加分析，直接按式（1）确定Ra，将有可能导致承载力取值过大、配桩不足，而偏于不安全。下文列举3种典型情况，期望引起业界的重视，采取必要的措施以保证桩基安全度。


1、负摩阻力基桩
1.1 工程实例
例1[4]：哈尔滨市某小区取暖锅炉房建在厚度为4~16m的杂填土地基上。为减少地基的不均匀沉降，决定用桩基础穿过杂填土层，桩尖进入承载力较高的土层2m；先进行桩基静载试验，试桩结果表明单桩承载力远远大于设计荷载，然后进行桩基施工。建筑完工后投入使用仅6个月发现墙体出现大量斜裂缝，地面也出现明显沉陷和裂缝，墙体最大裂缝达20mm，墙体裂缝出现在对应杂填土层厚度较大处。事故分析认为测桩数据无误，由于地基杂填土填筑时间短、欠固结，锅炉房排灰道漏水加速其固结，对工程桩产生的负摩阻力起到了主要的不利作用，由于填土厚度不均匀，使桩基产生了不均匀沉降。


例2[5]：上世纪80年代末广东省江门市某七层房屋采用 450沉管灌注桩基础，单桩承载力特征值400kN，桩基施工完成后进行静载试验，桩承载力满足设计要求。在结构封顶并完成第一、二层墙体砌筑时，上部结构作用于桩基的荷载也只是每桩200kN，远小于单桩承载力特征值。但此时在楼梯间出现严重的裂缝，裂缝从一层贯通到顶层，把建筑物分为两块，其中一块沉降达35cm、另一块达15cm。事后用水电效应法和PDA动力测桩法进行了桩承载力补充检测，结果仍满足设计要求。事故分析反映，整个场地内广泛分布有深厚的软土层（平均厚度9m），其含水量w=60%、孔隙比e=1.6，在其上面填土约4m、造成大面积堆载约79.2kPa，填土后仅2个月即开始打桩；按软土Es=0.55MPa估算，其固结沉降约为130cm，由此对工程桩产生了较大的负摩阻力，使建筑物产生较大的沉降；由于桩尖进入了软硬不同的土层（一部分桩端进入了软塑~可塑的砂质黏性土层、另一部分进入了松散~稍密的细砂层），使建筑物两部分产生较大的沉降差异。


1.2、有关问题讨论
从工程实例可见，即使进行了静载试验，如果忽视了边界条件的差异，还是有可能导致严重的桩基工程事故。静载试验无法准确地测试负摩阻力基桩在正常使用阶段的承载力，原因在于：
1）桩周土沉降大于基桩的沉降，是产生桩负摩阻力的根本原因；2）地基土的固结沉降是个极其缓慢的过程，可以是几个月甚至是几年；
3）静载试验时荷载是在极短时间（如24h）内全部施加到桩顶上，施加的荷载也远大于正常使用阶段（至少是其2倍），试验时桩的沉降速度将远大于负摩阻力土层的固结沉降速度，负摩阻力土层与桩的相对位移是向上，试桩时负摩阻力土层也提供了正摩阻力。
负摩阻力基桩静载试验结果不但没有反映负摩阻力的不利影响，反而将中性点以上地基土负摩阻力转化为正摩阻力，边界条件差异明显，不能准确地反映负摩阻力基桩在正常使用阶段的承载力。两者的边界条件对比见图1。





1.3、设计建议
1.3.1设计前采用静载试验测定了Quk
此Quk值包含了中性点以上负摩阻力土层的极限正侧阻力。根据《建筑桩基技术规范》[2]第5.4.3条的取值原则，无论对端承桩还是摩擦桩，确定Ra时均是取中性点以上侧阻力为零。因此不能直接按式（1）确定Ra，而应按下式计算：
Ra=（Quk-Qsk2）/2 (2)
式中Qsk2为中性点以上负摩阻力土层的总极限正侧阻力标准值。
1.3.2事前没有采用静载试验测定Quk，设计时采用岩土勘察报告提供的经验参数确定桩承载力
这种情况尚应在设计文件提出桩基检测时所要达到的Quk最低值。按《建筑桩基技术规范》[2]第5.4.3条进行验算时，Ra不包含中性点以上负摩阻力土层的极限正侧阻力，根据承载力检测的边界条件，检测的Quk最低值应计入此项，按下式计算：
Quk=2Ra+Qsk2 (3)


1.4、算例
为了说明采用式（3）的必要性，下面列举一个算例，计算简图如图1所示，主要计算条件如下：端承型桩，承载力检测阶段负摩阻力土层的总极限正侧阻力标准值Qsk2=400kN，正常使用阶段负摩阻力土层产生的下拉荷载为Qgn=200kN，非负摩阻力土层可提供的岩土抗力特征值为Rsa1+Rpa=1300kN（相应的总极限值为Qsk1+Qpk=2600kN），上部结构传至桩顶的荷载标准组合效应为Nk=1000kN。
（1）根据图1（b）承载力检测的边界条件，负摩阻力土层发挥正的侧阻力，所以试验得到的结果应该是Quk=Qsk1+Qpk+Qsk2=2600+400=3000kN。
（2）桩竖向承载力验算：根据《建筑桩基技术规范》[2]第5.4.3条的取值原则，无论对端承桩还是摩擦桩，确定Ra时均是取中性点以上侧阻力为零，取Ra=Rsa1+Rpa=1300kN。根据《建筑桩基技术规范》[2]式（5.4.3-2），Nk+Qgn=1000+200=1200kN
（3）按式（3）计算Quk试验最低值，Quk=2Ra+Qsk2=2×1300+400=3000kN，符合第（1）点的边界条件；按式（1）反算，Quk=2Ra=2×1300=2600kN，小于第（1）点边界条件的计算结果。
（4）假定某根桩的极限承载力实测值为2800kN，按式（3）确定试验最低值Quk，该桩显然是不合格的。若试验最低值Quk按式（1）反算，则会把该不合格桩误判为合格，遗留工程隐患。


2、在自然地面检测承载力的地下室基桩
随着高层建筑和地下空间开发利用的发展，基坑越来越深、越来越大。基坑开挖支护与工程桩的成桩、承载力检测是相互制约的。若先开挖基坑后成桩、检测承载力，工程桩的边界条件差异不大，但基坑支护结构的使用期限不得不延长，挤土型工程桩的挤土效应以及锤击型工程桩的振动都不利于基坑支护结构的安全，采用内撑式基坑支护时工程桩的成桩作业空间将受到限制。因此有时候不得不采用“先成桩并检测承载力、后开挖基坑”的施工顺序，对此需要密切关注工程桩边界条件的差异。


2.1、工程实例
例3[6,7]：山东菏泽某高层住宅楼工程，地上22层、地下2层，桩筏基础，钻孔灌注桩设计桩长28m，桩径600mm，单桩承载力特征值2200kN，基坑开挖段深度为6.80m。桩基正式施工前，在自然地面先施工了3根试验桩，试验桩总长32.150m（从自然地面算起），在自然地面进行了单桩竖向承载力静载试验，在基坑开挖至设计桩顶标高后又对其中2根桩进行了坑底静载试桩复测，前后承载力检测结果汇总于表1。





2.2、讨论及设计建议
从表1实例数据可见，自然地面测桩与地下室基桩正常使用阶段的边界条件差异有时是非常显著的，应予以适当调整方可保证桩基的安全度。由于在设计阶段尚不确定工程桩的施工顺序和检测方案，应就“先开挖后成桩”和“先成桩并检测、后开挖”两种施工顺序分别采取不同的设计措施，具体建议如下：
（1）如果设计前先通过自然地面静载试验测定Quk的，宜采取专门的技术手段来消除基坑开挖段桩侧摩阻力的影响，如松动开挖区土法、活桩头短桩试验法、双套筒试桩法等。如没有采取专门的测试手段予以处理，则不能直接按式（1）确定Ra，而应按式（4）计算Ra。若是先在基坑底测定了Quk，则与常规情况无异，可直接按式（1）确定Ra。
Ra=（Quk-Qsk3）/2 (4)
式中Qsk3为基坑开挖段土层的总极限侧阻力标准值。
（2）如果设计前没有通过静载试验测定Quk，设计时采用岩土勘察报告提供的经验参数确定桩承载力，除按规范[1,2]计算Ra、确定桩数外，尚应在设计文件同时提出“自然地面测桩”和“基坑底测桩”两种情况下所要达到的Quk最低值。对“自然地面测桩”， Quk按式（5）计算；对“基坑底测桩”，可按式（1）反算Quk。
Quk=2Ra+Qsk3 (5)


3、液化土层中的基桩
3.1规范要求简述
《建筑抗震设计规范》[8]第4.4.3条提出了液化土层中低承台桩基抗震验算的相关要求，要分别验算主震和余震时的桩基竖向承载力[9]：
（1）地震（主震）时土体尚未完全液化，但土体刚度明显降低，故基桩承载力仍按地震作用下提高25%取用，但应对液化土层的摩阻力做适当折减。
（2）地震后液化土中的超静水孔隙压力需要较长时间消散，地面喷水冒砂在震后数小时发生，并可能持续1~2d。在此过程中，液化土层完全丧失承载力。由于主震后有余震发生，故余震的地震作用按水平地震影响系数最大值的10%采用，基桩承载力仍按地震作用下提高25%取用，但应扣除液化土层全部桩侧阻力和承台下2m深度范围内非液化土层桩侧摩阻力。


3.2、讨论及设计建议
液化土中基桩需要验算3种工况的竖向承载力，3种工况下的桩顶作用效应以及基桩承载力取值各不相同，汇总对比于表2。





很显然，基桩静载试验结果不能反映土层地震液化的不利影响，其边界条件仅对应于非抗震工况的Ra1。建议采取以下设计措施：
（1）如果设计前先通过静载试验测定了Quk，按式（1）只能确定Ra1，验算非抗震工况桩基竖向承载力。验算主震和余震工况的桩基竖向承载力时，必须按规范要求（也就是表2的取值原则）修正后确定Ra2和Ra3。
（2）如果设计前没有通过静载试验测定Quk，设计时采用岩土勘察报告提供的经验参数确定桩承载力，则按表2的原则分别计算确定Ra1，Ra2和Ra3，以及对应的桩顶作用效应，进行3种工况的桩基竖向承载力验算。此外尚应在设计文件提出桩基检测时所要达到的Quk最低值。不论是由哪个工况决定配桩数量，Quk最低值均应该用Ra1按式（1）反算，即Quk=2Ra1。


4、结语
静载试验是规范[1,2]推荐确定单桩竖向承载力的首选方法，是常规桩基设计中评价承载力最为可靠的方法。即使如此，对静载试验结果也应进行必要的研读判断，对边界条件差异明显者，应根据正常使用阶段的边界条件进行必要的修正，方可用来确定配桩数量，以避免承载力取值过大、配桩不足而偏于不安全；若是事后进行验证性检测桩承载力的，应根据承载力检测的边界条件，在设计文件提出所要达到的Quk最低值，避免检测Quk值取得过小，把承载力不符合要求的桩误判为合格，遗留工程隐患。
必须指出，桩基承载力检测只是保证其承载能力极限状态满足规范要求的必要手段，并不能说明其正常使用极限状态也同时满足要求，文中所列的工程事故正是忽视了正常使用极限状态的结果。因此必须重视桩基的变形控制，设计阶段尚需要对桩基础进行必要的沉降变形验算，施工和使用阶段进行必要的沉降观测。


相关阅读：参考文献


参考文献[6]作者认为，该实例中工程桩承载力损失很大的主要原因是桩侧有效土压力减少、导致桩侧摩阻力严重降低。本人则认为还可能存在另外一个的原因：深基坑开挖的回弹变形效应，即基坑土方开挖过程中，基土发生回弹变形，带动已施工的工程桩向上产生一定的上拔变形，导致桩端与持力层一定程度的脱离，导致桩端承载力有较大的损失。回弹变形同样是基坑中部大、边缘小，相应工程桩端阻力的损失同样是基坑中部大、边缘小。但由于该实例中2次测桩均仅得到总的单桩承载力，没有在试验桩的桩身内埋设传感器，没有具体检测出试验桩的侧阻力和端阻力在2次测桩中数据的变化情况，究竟真正的原因是前者还是后者，又或者是两者兼而有之，已无从稽考、死无对证了。不过，深基坑开挖的回弹变形对工程桩的上拔不利影响是需要关注的问题。

参考文献[6]对“自然地面测桩”的各种承载力修正调整方法进行了比较全面的综述。用“有效应力法（?法）”可能可以得到更精确的修正结果，但由于相关计算方法没有被列入我国的技术规范，多数工程师对其不熟悉，只有一些相对冷门的技术手册（如史佩栋主编、人民交通出版社2008年出版的《桩基工程手册（桩与桩基基础手册）》P70～P76）有所介绍。因此本文按多数工程师的工作习惯，建议采用直接计算的修正方法。