浅析桩基优化设计中的若干问题

第43卷第19期

2 0 1 7 年 7 月

SHANXI ARCHITECTURE

山西建筑

Vol. 43 No. 19Jul. 2017

文章编号：1009-6825 (2017) 19-0064-03

浅析桩基优化设计中的若干问题

李永华

(山西中方森特建筑工程设计研究院，山西太原030002)

摘要:通过对单位桩体材料提供的承载力系数和桩的深度效应与群桩效应等问题的讨论与分析，简述了其对桩基设计合理与否 的制约作用，介绍了在一定条件下，选择合理的桩径、长径比、桩间距的方法以及确定桩的平面布置和设计计算参数的方法，以尽 可能地提高单位桩体材料提供的承载能力和群桩效率，达到优化设计的目的。关键词:承载力系数，临界深度，端阻稳值，群桩效率中图分类号:TU473.1

〇引言

确保桩基础工程质量前提下，如何使工程造价最优、承载效 果最好、工程施工最方便是桩基优化的基本原则。本文从单位桩 体材料的承载力、桩体深度效应和群桩效应、桩侧阻力和桩端阻 力取值、桩的几何尺寸及平面布置等方面着手，结合笔者实际工 作经验，浅谈桩基的优化设计。

1单位桩体材料的承载效果分析

1.1

单位桩体材料的承载力系数

桩长、桩径是桩基设计的重要参数，而桩的长径比是否合理

可以通过单位桩体材料的承载力系数》„来衡量。

假设圆形实心桩的桩长、桩径、桩身体积分别为i

,侧

阻、端阻的平均强度值分别为9,m，9p，单桩极限承载力、单位桩体 材料提供的承载力分别为，Qw = • L + T；d q/4=vd1 Lqsm/Ad(4 + qp/qsm • d/L)(1)Vc = Trd2 • L/4(2)则：Qvc = 或：QvcQrJVc= (4 • d/L)qsm/d

(3) = =4qsm/d + q/L

(4)令：

= 4 +g/gsm * d/L

(5)Qvc =^vc *

(6)

1.2单位桩体材料的承载效果分析

由式(4) ~式(6)可得出如下结论：

1) 1与9/^正相关，桩端与桩侧的平均强度比值越大单位桩体材料能够提供的承载力越高，桩端分担的承载力比例 越大；

2) 当时，桩端阻力对竖向承载的影响程度甚微;

且当i/d為25时，其桩端承担的荷载比不及10% ,荷载基本由桩 侧摩擦力承担；

3) L/d(长径比）与桩端分担的承载力比例负相关，当i/d ~ 70时，桩端阻力对竖向承载的影响程度很小，承担的荷载比亦不 及10% ;当100时，桩端土的性质对竖向承载基本没有任何 影响；

4)

由式(4)可见，桩径d对单位桩体材料承载力系数值影响非常显著，尤其是对以摩擦为主的桩和纯摩擦桩更为重要， 因为以摩擦为主的桩型其摩阻力承担的荷载一般高达70% ~ 80% ;因此，桩径d的选择尤为重要，因为桩径d越小，单位桩体 材料提供的桩侧面积(4/rf)就越大，单位桩体材料承载力系数

收稿日期:2017-04-26

作者简介:李永华（1963-),男，高级工程师

文献标识码:A

值也就越大。以桩径分别为1.0 m，0. 8 m和0. 6 m为例，单位桩 侧面积和单位桩体体积之比(4/d)分别为4.0,5.0和6.6，其比例 为 1:1.25:1.65。

因此，在一定的技术条件下，桩合理的几何设计非常重要，它 可以带来意想不到的技术经济效益。

2深度效应与群粧效应

2.1

深度效应

桩的深度效应（主要指桩端阻力的深度效应）应在桩基优化 设计中予以考虑，而目前JGJ 94—2008桩基技术规范尚未提及。 按照建立于刚塑体模型基础上的极限平衡理论，桩的人土深度愈 大，其极限端阻力愈大。但多年来国内外众多学者研究表明:桩 端阻力的提高存在临界深度(M

，当桩端进人均匀持力层的深度

大于该深度后，极限端阻力基本维持恒定,恒定值称为端阻稳值(&)。针对端阻临界深度和端阻稳值特性，笔者总结如下：

1)

当桩端持力层为砂层时，&和&均随持力砂层相对A■的增大而增大，&亦随&增大而增大；

2)

覆盖压力P„不同，&和知的变化规律不同。当P„ =<随&增大而呈线性增大;当P。>〇时与&呈非线性关系： P。越大,Aq,随知增大的比率越小。

3) &随桩径增大而增大，而&仅与持力砂层的相对密有关，与桩径大小无关；

4) 知与覆盖厚度无关。

对端阻稳值，笔者按照砂层中极限端阻稳值的半经验公式

(则

Grenoble University)，

查其相关曲线图经计算得出：当0. 4 ~

0.5(中密粗砂或砂砾）

时，知=2.0 MPa~3.0 MPa;flr =0.6 ~0.8 (密实粗砂或砂砾）时，知=5.0 MPa~10.0 MPa;其值与JGJ 94— 2008规范推荐的经验值较为拟合，笔者认为《规范》推荐经验值可 能偏于安全。

对端阻力的临界深度,笔者按照刘金砺先生的试验研究成 果，经计算得出:密实的中粗砂、砾砂或砂卵石，当P。=50 kPa~ 60 kPa,gpi =7.0 MPa ~ 10.0 MPa 时,/iq> = 8.0 m ~ 15.0 m。笔者在太原某高层住宅小区,其场地有两个层位的持力层 (砂卵石），

分别在基底下2〇. 〇 m和32. 0 m处，厚度均为6. 0 m ~

7.0 m,上覆土为粉土，中细砂等，设计单桩极限承载力8 400 kN。

两个层位各设计三组试桩，

即有效桩长20. 0 m三组，有效桩长32.0m三组，桩径均为0.7 m(后压浆）。试桩结果达到单桩设计 极限荷载时沉降均在22 mm ~ 30 mm之间，短桩稍大。笔者认为 这也可以不同程度地验证桩端阻力深度效应的作用。

密度 0时，

度久

，的第43卷第19期2 0 1 7牟7月

李永华:浅析桩基优化设计中的若干问题

•

65

•

2.2 群桩效应

2.2.1

端承型群桩

对于端承型群桩，桩端持力层一般刚度较大，桩端在承担绝 大部分上部荷载的作用下贯人变形较小，从而导致通过桩侧阻力 传递到土层的应力较小，工作性状与独立单桩相近，群桩效率可 近似取为1。

摩擦型群桩

笔者结合现有研究成果[5]，对摩擦型群桩的侧阻(g.,„)、端阻 3.1 极限桩端阻力的计算

极限桩端阻力的计算理论公式有:古典的极限桩端阻力理论

公式(Terzanghi 1943)和考虑土的压缩性极限端阻理论公式（Ve- sic 1975)等，通常较为习惯采用后者（Vesic)进行计算，而且亦较

为接近实际。3_ 2

极限桩侧阻力的计算

极限桩侧阻力的计算可分为总应力法和有效应力法两大类， 分别为a法（总应力）、P法(有效应力）和X法（综合），a法和入 2.2.2

()及群桩效率等方面的特性总结如下：

1) 群桩侧阻(9„)。a.

由于承台的“削弱效应”，相同条件的低承台群桩的低于高承台群桩。当桩长增大，其降低幅度将相应减小。b. 当5足时，低承台群桩的发挥至相应单桩值后，仍

随沉降(4的增加而明显增长，当mm时，其侧阻达到峰值;

当i <見时，则出现“沉降软化”，

即达到峰值后,随沉降增加而

降低。究其原因是整个桩群被承台土反力形成的压力泡所包围，

桩间土和桩底土因受竖向应力而变形，导致桩侧土的剪应力松弛

从而导致9.,值降低。

2) 群桩端阻(9;,)。

a. 对于高承台群桩，由于邻桩的相互影响，其小于单桩一情况随桩距的增大而影响减小;对于低承台群桩，其随沉降

的增加要超过相应的单桩值，这是由于承台对端阻的“增强效应”

所致，其效应将随桩长与承台宽度比的增大而减小，原因是承台

土反力传递至桩端平面减小了主应力差，而且承台还限制桩土的

相对位移而减少桩端土的侧向挤出，从而提高桩端阻力。

b. 高低承台群桩的^均在桩距为3d时出现峰值，当桩距不

小于时，低承台群桩的心趋近于单桩值;承台对端阻的增强效

应使低承台群桩的比高承台群桩提高50% ~ 100% ;当桩距为

2d时，承台对端阻无增强效应。

3) 群桩效率U)。

a. 群桩效率与桩距的关系：当桩距& <4d时，对于高/低承台

群桩或双桩，7?峰值均出现于乂 =3d时;对于低承台群桩，当& >

4d后t;随又的增大而增大;当时，r;高达2. 23，

表明在大

桩距条件下承台分担荷载的作用很显著[5]。

b. 群桩效率与排列和桩数的关系:对于i/d和相同的低 承台群桩，其r;值在等桩数条件下，方形排列 > 矩形排列 > 条形 排列;无论何种排列，r?均随桩数增加而减少。由于群桩侧阻的 “沉降硬化”效应,通常情况下群桩效率不会引起承载力降低，而 使其得到提高。

总之，桩板土的相互作用在特定的技术条件下，它是一较为 复杂的理论问题，要满足工程实践的需要，尚需做进一步的试验 和理论研究。3

粧的侧摩阻力与粧端阻力的取值问题

目前，在工程设计计算中采用诸多的桩侧摩阻力与桩端阻

力，都是在土的物理力学性质指标和原位测试指标的基础上，笼 统的采用查表法确定的，这是极为不合理的。即使不考虑深度效 应问题，但不考虑桩的人土深度，对桩侧摩阻力而言不符合桩的 荷载传递机理和桩侧摩阻的有效应力原理,因为桩侧摩阻力来源 于上覆土竖向压力产生的水平应力与桩土的相对位移;对桩端阻 力也应考虑桩端阻力极限平衡理论，工程实践证明这比简单的查 表法较为接近实际;因此，笔者认为:在考虑桩侧摩阻有效应力原 理和桩端阻极限平衡理论的基础上，结合《规范》规定的查表法， 综合确定桩的侧摩阻力与桩端阻力较为合理。

法适用于计算黏性土中的桩，P法可用于计算黏性土和砂性土中 的桩。

4 桩基几何设计与平面布置

4.1 桩径与桩长

确定桩径与桩长需考虑的因素：

1) 结构承载要求:基桩单桩承载力主要根据上部结构传递给

基础的荷载来确定，同时需考虑布桩的构造要求及合理性，如避

免条形基础下桩距过大形成大跨度承台梁、避免独立柱基下桩数

过多导致承台平面尺寸过大等。

2) 地质条件要求:根据土层分布与性质合理确定桩端持力层

及这

桩长，而桩径则需考虑施工的可操作性、桩土共同作用特性等

综合考虑。如摩擦桩则采用细长桩，增大其比表面积，提高单位

桩体材料的承载力；端承桩则根据持力层与桩身材料的强度关

系、持力层埋深等因素，选用扩底灌注桩、单柱单桩等布桩形式。

3) 长径比(i/rf):—般不大于40,仅当高承台桩基露出地面

的长度较大或桩侧土为可液化土、超软土时，要根据满足压屈稳

定条件确定桩的长径比。同时，宜考虑单位桩体材料提供的承载

力问题。

4) 端阻的深度效应:桩端进人持力层的深度，一般不宜小于

端阻的临界深度&，对于中、密砂层、砂砾层和硬黏性土层可近似

取k = (5 ~ 12)rf。桩端距离软弱下卧层一般不应小于临界厚度

U笔者认为偏保守可近似取W ~ 10^。

4.2桩距（又）

由于群桩效应，群桩基础的桩侧阻力和桩端阻力比单桩会降 低或有所提高，经调查:各类土的群桩效率明显降低的最小桩距

为2d左右，高承台群桩的群桩效率峰值所对应的桩距见表1。为 得到较高的群桩效率，设计桩距宜取接近效率峰值的桩距。

表1

高承台群桩的群桩效率峰值对应的桩距

土类桩型

挤土桩

非挤土桩

砂土3. 5d~A. 0d

3.0粉土~3d

^3.5d

黏性土

4.3桩基的平面布置

基桩布置宜将群桩承载力合力点与长期荷载作用点重合，并 使桩基受水平力和力矩较大的方向有足够的模量。对于桩箱基 础,宜将桩布置于墙下;对于带梁(肋）桩筏基础，宜将桩布置于梁 (肋）下;对于大直径桩宜采用一柱一桩。在条件允许采用墙、梁 下桩基时，可尽量调整以使桩布置于墙下或筏基的梁（肋）下，这 能大大减少箱基和筏基的底板厚度。5

结语

“桩基优化设计”作为桩基础设计中的难点，涉及桩基工程的 多个热点技术问题，目前仍采用理论计算与实际经验相结合的研 究方法，许多技术问题仍有待于进一步试验验证和研究。

参考文献：

？„要，• 66 •

第43卷第19期

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SHANXI ARCHITECTURE

山西建筑

Vol. 43 No. 19Jul. 2017

文章编号：1009-6825 (2017) 19-0066-02

建筑深基坑支护专项论证中常见问题探讨

杨建忠

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西大同037008)

摘要:对建筑深基坑支护工程进行了专项论证，介绍了支护方案确定前需做的工作，阐述了土钉支护设计应当遵守的一些原则, 指出深基坑支护作为一个复杂的分部分项工程，其设计方案和施工方案的合理与否，直接关系到基坑支护的安全与经济。关键词:建筑深基坑，土钉支护，专项论证中图分类号:TU463

随着社会的进步，经济的发展，高层建筑成为城市发展的必 然产物，相应的深基坑项目也越来越普遍。城市中用地紧张，使 得向地下要空间成为趋势。深基坑在施工过程中,质量安全事故 时有发生，给人民的生命财产造成严重损失。为此住建部在2009 年发布87号文件，出台《危险性较大的分部分项工程安全管理办 法》，文件明确指出：以下深基坑工程属于危险性较大的分部分项

文献标识码:A

开挖和边坡稳定的一种支护结构形式，它由较密的土钉、被加固 稳定的土体、配筋混凝土喷射面层组成，形成复合、稳定、类似重 力式挡土墙的结构，用以抵抗墙后的土压力和其他如施工道路荷 载，地面堆载等作用力，达到挖基坑或边坡稳定的目的。复合土 钉支护，是针对土钉支护自身具有的局限性，在松散砂土、软土或 基坑较深，对基坑变形要求较严格，周边较近有建筑物等情况不

工程，施工单位在施工前应当组织专家对专项方案进行论证，能单独使用该支护形式而应采用复合土钉支护。大同地区因大 1) 开挖深度超过5 m(含5 m)的基坑开挖、支护、降水工程。多不存在降水问题，因此采用土钉+预应力锚杆+喷射混凝土支 2) 开挖深度虽未超过5 m,但地质条件、周围环境和地下管线相对 护的情况较多。预应力锚杆的存在，改变了单纯使用土钉支护的 复杂，或影响邻近建筑物安全的基坑土方开挖、支护、降水等分部 分项工程。

本人作为山西省危险性较大分部分项工程论证专家，近问题,谈一点个人的看法。

深基坑支护是一个复杂的分部分项工程，设计方案的合理与 否，直接关系到基坑支护的安全与经济。支护方案确定前，首先 应作以下工作:1)详细了解基坑周边的环境、道路、建筑物及地下 管网埋深走向。2)对已提供的地质报告作深人研究，拿出结合实 际、安全、经济的支护方案。3)进行多方案比较，进一步优化基坑 支护方案。4)进行基坑支护设计计算，对土层计算参数应选择准 确，基坑周边荷载考虑周全，数值选取切合实际。5)施工场地允 许的情况下，优先选择自然放坡施工。

大同市城区及周边地区地下水位较深，对基坑深度5

受力特性，减小了基坑变形，预应力锚杆对复合土钉支护产生的 影响大小取决于锚杆数量的多少及预应力值的大小，因此合理的 设计，精确的计算对复合土钉支护意义重大。本地区多采用的土 钉支护、复合土钉支护均对防水、防渗要求较高，施工时防水、排 水应引起足够的重视，以免因水引起土钉、预应力锚杆失效，危及 基坑安全。另外，预应力锚杆长度较长，施工时应注意是否对长 度范围内其他基础、管沟造成影响，同时也影响锚杆自身的受力。

土钉支护设计的一些原则应当遵守:土钉钢筋为n级以上螺 纹钢筋，其直径一般为18 mm ~ 32 mm，土钉长度i与开挖深度// 之比一般为〇.6~1.0,土钉水平间距一般为1.0 m~2.0 m,垂直 间距一般为0.8 m~l. 5 m,上下排为梅花形排列，土钉与水平面 夹角一般为5° ~ 20°，土钉支护面层，通常采用80 mm ~ 150 mm厚的喷射混凝土加钢筋网组成，钢筋网的钢筋直径为6 ~ 8,网格尺寸150 mm ~ 300 mm喷射混凝土强度等级不低于C20,

，

5年

来参与了大同市几十项工程的深基坑专项论证，就评审中遇到的

15 m的深基坑施工，可基本不考虑地下水的影响。从近几年论证

的项目看，大多采用土钉支护和复合土钉支护。土钉支护是基坑

SO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-S

m~

土钉支护施工是分层分段开挖，对砂性土一般为0.5 m~2.0 m, 对粘性土可适当增大。

SO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-S SO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-C

[1] 刘金砺.桩基础设计与计算[M].北京：中国建筑工业出版

土工程学报,1981,3(2):15-17.[2] 佟世祥.第三届全国土力学及基础工程学术会议论文集

[C].北京：中国建筑工业出版社,1981.[5] 刘金砺.第四届全国土力学基础工程学术会议论文集[C].[3] 孙更生，郑大同.软土地基与地下工程[M].北京：中国建筑北京：中国建筑工业出版社,1984.

社，1990=103-104.

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工业出版社，1984:80-92.

陈强华.进入持力层不同程度对单桩承载力的影响[J] •岩

Analysis on various pile foundation optimization design matters

Abstract： The thesis discusses and analyzes pile material bearing coefficient, pile depth effect and pile group efficiency and other problems,

briefly illustrates their constraints for rational pile foundation design, and introduces pile diameter, length diameter ratio and pile distance deter­mining methods and pile plane distribution determining methods and designing calculation parameter methods, with a view to improve the single pile material bearing capacity and pile group efficiency as much as possible and to achieve the goal of optimal design as well.

Li Yonghua

(Shanxi Zhongfang Sente Building Engineering Design Academy, Taiyuan 030002, China)Key words： bearing capacity coefficient, critical depth, terminal stabilized value, pile group efficiency

收稿日期=2017-04-22

作者简介:杨建忠（1964-),男，高级工程师，国家一级注册结构工程师