不同行业桩基础单桩竖向承载能力差异对比分析

杨 星 谢 峰 谭俊波 孙先锋

（中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

建筑结构使用工况较为单一，基础主要承受恒载，活载值较小，而公路和铁路承受的活载较大。各行业规范对旋挖灌注桩单桩竖向承载能力的设计规范值差别较大，实际工程应用时应采用对应的规范进行计算。本文结合实际工况对各规范承载能力计算进行比较分析。

1 案例工况条件

对于公路、铁路行业中一般桩基布置数量较少且为主要受力结构，其桩径较大，常规桩径分布为1.1~2.5m。而建筑行业中一般桩基布置数量较多，且多为考虑承台作用的复合桩基基础，桩基受力相对较小，常规桩径分布为0.4～1.5m。本文选取桩径为1.2m，桩长25m的旋挖灌注桩，分别按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）[1]、《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）[2]、《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093-2017）[3]计算支承于土中的旋挖灌注摩擦桩和支承于基岩中的旋挖灌注嵌岩桩的单桩竖向承载能力特征值，并对其进行分析比较。

表1 地质情况一（土质）

表2 地质情况二（岩质）

2 摩擦桩单桩承载能力

2.1 公路桥涵地基与基础设计规范

式中：[Ra]——单桩轴向受压承载力容许值，桩身自重与置换土重的产值作为荷载考虑；

li——第i层土厚度；

qik——与对应的各土层与桩基侧摩阻力标准值；

μ——桩基周长；

Ap——桩基面积；

qr——桩端处土的承载能力容许值，kPa；

[fa0]——桩端处土的承载能力基本容许值,kPa；

ℎ——桩端的埋置深度，m；

k2——容许承载能力随深度的修正系数；

γ2——桩端以上各土层的加权平均重度,kN；

λ——修正系数；

m0——清底系数。

经计算，单桩轴向受压承载力容许值：

桩端承载能力：Aqr=1335.9kN

桩侧承载能力：

2.2 建筑桩基技术规范

式中：qsik——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；

qpk——极限端阻力标准值；

μ——桩基周长；

li——第i层土厚度；

Ap——桩基面积；

ψp——大直径桩端力尺寸效应系数；

ψsi——大直径桩侧阻力尺寸效应系数。

经计算，桩基单桩承载能力特征值：

桩端承载能力：ψpqpk Ap=4940.0kN

桩侧承载能力：

2.3 铁路桥涵地基和基础设计规范

式中：[P]——桩的容许承载力，kN；

U——桩身截面周长，m；

f i——各土层的极限摩阻力，kPa；

l i——第i层土厚度,m；

A——桩基面积；

[σ]——桩底地基土的容许承载力,kPa。

经计算，单桩轴向受压容许承载力：

桩端承载能力：m0A[σ]=592.8kN

3 嵌岩桩单桩承载能力

3.1 公路桥涵地基与基础设计规范

式中：[Ra]——单桩轴向受压承载力容许值，桩身自重与置换土重的产值作为荷载考虑，kN；

Ap——桩端截面面积，m2；

c1——根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数；

frk——桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值，黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，kPa；

c2i——根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数；

μ——桩基周长，m；

ℎi——桩嵌入各岩层部分的厚度，m；

ζs——覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端frk确定，m；

l i——第i层土厚度；

qik——与对应的各土层与桩基侧摩阻力标准值,kPa；

n——土层的层数，强风化和全风化岩层考虑。

经计算，单桩轴向受压承载力容许值：

嵌岩桩端承载能力：

c1AP frk=3764.2kN

嵌岩段桩侧承载能力：

土层桩侧承载能力：

3.2 建筑桩基技术规范

式中：Qsk、Qrk——分别为土的总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值；

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值，黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，kPa；

ζs——嵌岩段侧阻和端阻综合系数，与嵌岩深径比、岩石软硬程度和成桩工艺相关。

经计算，桩基单桩承载能力特征值：

总极限侧阻力标准值：μ∑qsik li=7988.2kN嵌岩段总极限阻力标准值：

3.3 铁路桥涵地基和基础设计规范

式中：[P]——桩的容许承载力，kN；

U——桩身截面周长，m；

ℎ——自新鲜岩石面算起的嵌入深度，m；

C1,C2——系数，根据岩石层破碎程度和清底情况确定；

A——桩基面积；

[σ]——桩底地基土的容许承载力，kPa。

经计算，单桩轴向受压容许承载力：

[P]=10665.3kN

4 两种桩的承载能力总结分析

通过对应地质情况下旋挖灌注摩擦桩和嵌岩桩承载能力的计算，对两种桩的承载能力进行了总结分析。

4.1 旋挖灌注摩擦桩

对于旋挖灌注摩擦桩，各规范单桩竖向容许承载能力大小依次为：建筑>公路>铁路。其主要计算取值差异：

（1）《公路桥涵地基与基础设计规范》中扣除桩基自重与原土自重间的差值，而其余两本规范中未进行考虑。此项在桩长较短时计算绝对值影响不大，对桩长较长时其绝对值影响较大，但影响相对值较为恒定。

（2）对于桩侧阻力，《公路桥涵地基基础设计规范》和《铁路桥涵地基和基础规范》计算值相同，《建筑桩基技术规范》中应考虑大直径桩效应，其值略低于前两本规范计算值。此项对于小直径桩影响不大，但对于大直径桩有较大影响。

（3）对于桩端阻力，经计算可得，三本规范计算值差异较大，是单桩承载能力计算值差异的主因：

①《公路桥涵地基与基础设计规范》中考虑桩基长细比λ、桩底施工清底系数m0、桩端埋深及桩端土的特性。并对持力层承载能力的深度修正规定了40m的上限值，以及对持力层承载能力的上限值进行了规定。

②《铁路桥涵地基和基础规范》考虑桩底施工清底系数m0及桩基埋深。对持力层承载能力深度修正时对不同埋深有所差异，最大修正埋深为10d；《建筑桩基技术规范》对于不同土层给出经验建议值，其值根据土层的特性相关。

4.2 旋挖灌注嵌岩桩

对于旋挖灌注嵌岩桩，各规范单桩竖向容许承载能力大小依次为：建筑>公路>铁路。其主要计算取值差异：

（1）《公路桥涵地基与基础设计规范》中扣除桩基自重与原土自重间的差值，而其余两本规范中未进行考虑。此项在桩长较短时计算绝对值影响不大，对桩长较长时其绝对值影响较大，但影响相对值较为恒定。

（2）《公路桥涵地基与基础设计规范》对土层中的侧阻力、岩层中的侧阻力及岩层的端阻力分别进行计算；《建筑桩基技术规范》对土层中的侧阻力、岩层中的总阻力分别进行计算；而《铁路桥涵地基和基础规范》中仅考虑岩层中的侧阻力和端阻力。此项为各规范计算差异的主要因素。

（3）《公路桥涵地基与基础设计规范》中对岩层中桩基侧阻力及端阻力修正系数考虑岩石的完整性并根据成孔工艺及岩石风化程度进行折减，对于土层中桩基侧阻力亦根据岩层的单轴抗压饱和强度进行折减；《建筑桩基技术规范》中仅根据嵌岩深径比及岩石强度对嵌岩段综合系数进行折减，对土层的侧摩阻不进行折减；《铁路桥涵地基和基础规范》中嵌岩段修正系数考虑岩石的破碎程度、清底情况，并当嵌入深度≤0.5m时对其进行折减。总体看来，对于单桩竖向承载力折减程度：铁路>公路>建筑。

（4）《公路桥涵地基与基础设计规范》中嵌岩段岩石采用的是岩石饱和单轴抗压强度标准值，而土层中侧阻力采用的是0.5倍的侧阻力标准值即特征值，计算得到单桩竖向承载能力特征值；《建筑桩基技术规范》采用土层侧阻力标准值和岩石饱和单轴抗压强度标准值，并根据计算出的单桩竖向极限承载力标准值除安全系数（K=2），得到单桩竖向承载力特征值；《铁路桥涵地基和基础规范》中则直接采用单轴抗压强度计算得到受压容许承载能力值。

5 结束语

建筑结构使用工况较为单一，基础主要承受恒载，活载值较小，而公路和铁路承受的活载较大，特别是铁路的列车活载，对基础的安全性要求更高。各行业规范对旋挖灌注桩单桩竖向承载能力进行不同因素的折减考虑，其中折减系数：铁路>公路>建筑。各规范中桩基竖向承载能力：建筑>公路>铁路。总之，各规范中单桩竖向承载能力差别较大，实际工程应用时应根据桩基使用荷载工况，采用对应的规范进行计算，不可混用。