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zgjy1992 2013-04-21 23:47

再议有关复合地基技术标准中的几条规定

0  概    述
复合地基在国内的历史可谓非常短暂,其概念从国外引入到国内也就30多年历史[1]20世纪90年代以来,我国土木建设工程蓬勃发展,复合地基技术随之迅猛发展,成为了土木工程领域中的一个热点。在复合地基的工程实践中,目前的理论研究水平及设计计算方法明显滞后于工程实践及工程需求,甚至连一些基本概念尚存在着较大分歧。这种分歧必然反映在相关的技术标准之中。对已经发布实施的有关技术标准,如地基基础设计规范,地基处理技术规范,复合地基技术规程等,对里面的有些规定,近些年来业界一直持续着热烈的探讨与研究,这些争议对技术的发展进步是有益和必经的。
笔者在《对复合地基载荷试验标准的一些探讨》、《浅议有关复合地技术标准中的几条规定》、《载荷试验标准对复合地基承载力计算公式影响及对策》等文中,结合自己的工程实践,对一些热点问题浅谈了自己的看法,主要观点大致为:技术标准通常要求用载荷试验确定桩、土及复合地基的承载力。一般采用相对变形值法确定土及复合地基的承载力特征值,CFG桩等刚性桩,对于缓变型Q-s曲线以绝对变形值40mm对应的荷载、对于陡降型Q-s曲线以拐点对应的荷载作为极限承载力,然后取其一半作为承载力特征值。桩、土及复合地基载荷试验方法标准不匹配,造成三者受力不能同时达到承载力特征值,这导致了目前通用的按桩、土承载力特征值计算复合地基承载力特征值的公式理论上不成立。建议通过协调三者的变形关系并采用极限状态设计法设计计算复合地基承载力来解决。几乎所有技术标准对复合地基承载力的深宽修正都规定为宽度修正系数为0,深度修正系数为1笔者认为保守了。建议补充一句:修正后的复合地基承载力特征值如小于相应天然地基修正后的承载力特征值,前者可按后者取值。计算复合土层的压缩模量时,CFG桩等刚性桩复合地基,不应采用以置换率为权的桩土模量叠加法,宜采用复合地基与土的承载力比法,且按分层总和法计算复合地基沉降时应修正沉降计算经验系数ψs,该系数适用于天然地基而不适应于复合地基荷载试验时,试验垫层很难压实会增加压缩变形,同时其应力扩散作用导致施加到桩顶的荷载小于试验荷载,两者对试验结果产生相反影响,导致试验结果不确定性较大,建议在试验结果中加以考虑;技术标准中,不同桩体复合地基载荷试验相对变形值指标不协调,建议按不同土质条件、不同使用要求统一且与天然地基的保持一致。现在,笔者就其它一些规定再谈几点看法
1  单桩承载力计算公式
1.1  特征值概念及来源
《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)规定初步设计时可采用下式估算刚性桩及柔性桩的单桩承载力特征值Ra
Ra=upΣqsili+αqpAp           (1
1中,up为桩的周长,qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值,li为第i层土的厚度,α为桩端土承载力折减系数,qp为桩端土承载力特征值,Ap为桩的截面积。CFG桩、旋喷桩、夯实水泥土桩等桩的α1,水泥土搅拌桩的α0.4~0.6α取值不影响本文结论,不予讨论。
《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)用式2估算单桩承载力特征值:
Ra=Quk/2=(Qsk + Qpk)/2=(uΣqsikli+qpkAp)/2   2
2中, Quk为单桩极限承载力qsik为桩周第i层土的极限侧阻力,qpk极限端阻力。两个公式的区别只是式1采用特征值,式2采用极限值。
1JGJ79-2002引用的《地基基础设计规范》(GB50007-2002)中的公式。GB50007-2002在各种技术标准中率先采用“特征值”一词,按条文说明,“特征值”用以表示正常使用极限状态计算时采用的地基、单桩及复合地基承载力的值,其涵义为发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值,采用目的是为了与国际接轨,避免过去一律采用“标准值”造成的混淆。按目前有关技术标准的规定,桩承载力特征值大体为极限承载力的一半或不到一半。
1除了桩承载力特征值外,还用到了“侧阻力特征值”及“端阻力特征值”两个概念。查看国内技术标准、手册及论文等文献,没见到这两个概念的定义。GB50007-2002率先采用了这两个概念,但既没定义,也没说明来源,只是笼统地说“由当地静载荷试验结果统计分析算得”。GB50007-2012(报批稿)中,还是没有定义,也没有来源。这两个概念的涵义是什么?如果概念都不清楚,又如何能算得出来呢?这两个名词使用已十年有余,仍没有技术标准对其进行定义,想必是不好下手。已有技术标准中,有一些地方标准,如广东省标准《地基基础设计规范》(DBJ15-31-2003)及黑龙江省标准《地基基础设计规范》(DB23/902-2005)等,提供了侧阻力特征值及端阻力特征值的经验值,但同样没有说清其来源及涵义。
国内说不清楚,那么国际上呢?以“桩侧阻力特征值”为例。查遍有关文献,与该名词对应的英文译词有 pile side resistance character valuePile side resistance value featurespile side resistance characteristicscharacteristic value of pile side resistancePile shaft resistance characteristic valuecharacteristics of pile shaft resistance valuePile side friction resistance characteristic valuecharacteristic value of pile side friction resistancePile friction characteristic valuecharacteristics of pile skin friction valuespile skin friction eigenvalueskin friction resistance character value for pileskin friction values characteristic of pile等,十几个。但令人费解的是,用百度、google等搜索引擎在互联网上搜索,能搜索到含有“桩承载力特征值”对应的英文名词“characteristic value of pile bearing capacity”对应的英文名词的文献,但含有上述这些“桩侧阻力特征值”英文译词的数百篇文献,都是国人文献的英译版,居然没有一篇是外国人原著的!笔者大胆推测:对应英译名词太多,是不是说明英文中没有相应的原创术语?那么,这两个概念是不是国内原创、国外没有的?或至少在国际上不是主流概念?
1.2  基桩竖向荷载传递机理及特点
基桩按受力形式,可分为端承桩、摩擦桩、端承摩擦桩及摩擦端承桩四种,用于复合地基时,通常为后两种,其桩、桩端阻力及桩侧阻力Q-s曲线如图1所示,荷载传递机理大致为:竖向荷载施加于桩顶,桩顶产生沉降趋势,桩侧上部土产生向上的摩阻力以抵抗,桩侧下部土及桩端土尚未开始发挥作用,桩大体工作在OC段及CF的前半段;随着荷载增加,桩侧上部土摩阻力达到峰值后跌落为残余值,上部桩身压缩及桩顶沉降,桩土间产生相对位移,桩侧阻力向下传递,桩侧下部土摩阻力开始发挥,桩侧阻力Q-s曲线表现为从C点向D点发展;桩身应力传递到桩端,桩端土受到压缩逐渐产生端阻力,桩端阻力Q-s曲线表现为从O点向A点发展,桩工作在CF段;荷载继续增加,桩顶继续沉降,桩土间相对位移继续增加,桩侧总摩阻力达到峰值后跌落为残余值,侧阻力Q-s曲线表现为从D点向E点发展;桩端阻力继续增加,端阻力Q-s曲线表现为从A点向B点发展;桩总承载力继续增加,工作在FG段,直至达到G点后破坏。图1BE点与G点相对应。

图1 桩顶、桩端阻力及桩侧阻力Q-s曲线
Fig. 1 Q-s curves of pile of tip resistance, shaft resistance and top
上述荷载传递机理有几个特点[2]①桩侧摩阻力是自上而下逐渐发挥的,不同深度的摩阻力是异步发挥的;②桩土间产生一定的相对位移后,桩侧摩阻力从峰值跌落为残余值;③桩端阻力与侧阻力是异步发挥的,只有当桩身应力传递到桩端后桩端土才产生端阻力;④桩端阻力随着桩端沉降增大而增大。
1.3  极限值设计法与特征值设计法合理性分析
对缓变型Q-s曲线,JGJ94-2008规定某一沉降值(基桩通常为40mm)对应的荷载为单桩极限承载力,与之对应的桩侧阻力及桩端阻力为极限值。总侧阻力是不同深度侧阻力之和,极限状态时不同深度的桩侧阻力是异步发挥的、不可能同时达到峰值状态,既可能工作在CD段、也可能工作在DE段;端阻力与侧阻力是异步发挥的,也不可能同步达到峰值状态。式2所示极限值设计法为承载能力极限状态设计法,要求端阻力及侧阻力之和达到单桩极限承载力(图1G点)即可,不要求桩侧阻力(图1E点)及桩端阻力(图1B点)工作在哪个阶段、有没有分别达到自己的峰值状态,得到单桩极限承载力后,除以安全系数2,得到承载力特征值。这种设计方法是现实的、合理的。
1所示的设计方法笔者称之为特征值设计法(笔者不认为其是正常使用极限状态设计法),规定了用桩端阻力特征值与桩侧阻力特征值计算得到单桩承载力特征值。该方法:①如何定义单桩承载力特征值状态?即,沉降值指标为何值时对应的荷载为承载力特征值?5mm10mm、还是15mm?正常使用的基桩,其承载力与沉降值是一一对应的,按特征值的定义,其工作在正常使用极限状态时,相应的沉降值应该是唯一的,即为载荷试验中用于确定承载力特征值的沉降值指标。但不同建构筑物正常使用极限状态(即承载力特征值状态)允许的沉降值是不同的,即承载力特征值要求相同时,对沉降量的要求是不同的,不可能统一成一个沉降值。这又给载荷试验用沉降值指标确定承载力特征值带来了麻烦:如果不能用一个统一的沉降值指标去确定承载力特征值,对于不同的建构筑物,就需要根据其沉降要求制订不同的承载力特征值确定指标-如对于框架结构,取沉降值15mm对应的荷载为承载力特征值,而对于砖混结构,则取沉降值10mm作为指标-这显然是无法做到的。但如果不用沉降值指标去确定承载力特征值,还能用什么指标呢?②不管规定用于确定承载力特征值的沉降值指标是多少,必须还要得到承载力极限值,需要建立特征值与极限值的关系,因为特征值不能超过极限值的一半。既然这样,用极限值就能够解决的问题,又何必多此一举?③如何定义桩侧阻力及端阻力特征值状态?即,沉降值指标为何值时对应的荷载为侧阻力及端阻力特征值?目前通常按极限承载力一半取特征值,尚没有见到其它取值办法。如果按一半取值,因为端阻力与侧阻力不能同步发挥,端阻力的一半(如图1A’所示)与侧阻力的一半(如图1C’所示)对应的沉降值不同,两者不能同步达到,式1理论上不成立;而且,还是需要事先分别确定侧阻力及端阻力的极限状态,因为特征值不能大于极限的一半。如前所述,用极限值就能够解决的问题,又何必舍近求远?如果采用极限值设计法类似的作法,把单桩承载力特征值对应的端阻力及侧阻力规定为特征值(如图1中所示虚线与各曲线的交点),理论上三者能够同步达到,但需要先确定单桩承载力特征值,这又陷入了第1点所述矛盾之中。总之,不管是通过单桩承载力特征值确定侧阻力及端阻力特征值,还是通过侧阻力及端阻力特征值计算单桩承载力特征值,都有很难解决的矛盾,特征值设计法理论上不严谨、不合理,也很难实现。查看国内技术标准、手册及论文等文献,除了用于按式1估算桩承载力特征值外,侧阻力及端阻力特征值尚没见到其它用途。既然如此,创造这两个概念作用不大,不用也罢。岩土工程通常都是理论滞后于实践,这两个概念也许是超前了吧。
2  载荷试验压板面积
《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)规定,复合地基载荷试验时,压板尺寸应按桩所承担的处理面积、即置换率m确定。
这在实际工程中是很难实现的。实际工程中,每个工程的m、一个工程不同区域、一个区域不同承台下的m都可能是变化的;在按沉降控制设计时,为了使沉降差较大的两个区域变形协调,两个区域间的m通常是连续变化的。刚性桩、柔性桩及散体材料桩等各种桩体复合地基的m范围大致为0.03~0.40,如果按不同m配备压板,其尺寸规格达上百种,要求检测单位预先备齐这么多压板是不现实的。因工期、造价等原因,也不可能根据每个工程的具体情况单独去订做压板。检测单位大多是按整数面积配备压板的,如1m22m23m24m26m29m2等,故实际工程中,压板尺寸恰好与m相符的概率很低[3]
因工程实际m与载荷试验时压板下m不同,试验得到的承载力特征值通常并不是设计预期的承载力特征值,是需要按置换率换算的。即,需要试验验证的承载力并不是承载力特征值的设计值,而是根据实际压板的不同尺寸,按压板下m与实际m换算后的承载力。JGJ79-2002几乎对各种桩体复合地基都规定了竣工验收时除了复合地基载荷试验外、还需要进行单桩载荷试验,但单桩载荷试验结果又不作为工程验收依据。很多人规定不理解,笔者认为其主要作用之一就是为了能够根据荷载试验验证的单桩承载力,来换算实际承载力是否满足了设计要求。
故建议技术标准中补充一句:压板尺寸与实际置换率不符时,应按压板下桩的置换率计算复合地基承载力的检验值。
3  单桩复合与多桩复合地基载荷试验
JGJ79-2002对各种桩体复合地基均规定了竣工验收时,应采用复合地基载荷试验去检验复合地基承载力,但没有规定检验对象何时采用单桩复合地基、何时采用多桩复合地基。
检验单桩复合地基还是多桩复合地基,是个见仁见智的问题。载荷试验检测复合地基的承载力有3种方式可以得到检测结果:一是比例界限法,二是取最大试验荷载的一半,三是相对变形值法,这里只讨论采用第三种方式。按相对变形值法得到的载荷试验结果,多桩复合地基与单桩复合地基的相比,有三种现象:得到的承载力偏大,得到的承载力偏小,两者相当。偏大的原因有:通常情况下,土的模量及承载力是随深度逐渐增加的。多桩复合地基压板尺寸较大,荷载在地基中产生的应力传递得更深,容易使深层土的模量及承载力发挥出来②承压板尺寸越大,在刚性板边缘产生塑性区的开展越不容易造成地基的破坏[4]对复合地基的宽度效应越显著;③同时受荷的桩数较多,对桩间土的侧向约束效应越强,越有利于桩间土承载力的提高;④压板宽度较大,对应的沉降较大,这对土的承载力影响不大,但桩的承载力增加较多,接近甚至超过单桩极限承载力,导致总承载力偏大。偏小的原因有:桩数多时,容易产生单桩承载力降低及沉降增大等群桩效应;桩顶与压板接触紧密程度不同及压板尺寸越大刚度越小等原因,使压板传给单桩的荷载不均,各桩承载力发挥水平不一致,通常压板边缘桩的承载力已充分发挥,内部的桩却并未达到设计承载力③压板尺寸越大应力传递越深,桩较短时,可能应力直接传递到桩端,导致桩端土压缩量加大。通常认为,桩数越多,与实际承台下桩数越接近,多桩复合地基载荷试验曲线越接近实际工作状态,故不管结果偏大还是偏小,业界大多倾向于有条件时尽量采用多桩复合地基载荷试验。
但多桩复合地基载荷试验又往往会带来另外一个问题。图2是按某搅拌桩路基处理工程复合地基载荷试验结果绘制的曲线[5],其中单桩复合地基载荷试验压板尺寸0.8m×0.8m,双桩的0.8m×1.6m,四桩的1.6m×1.6m,桩间距0.8m,压板尺寸与置换率匹配,压板下用中粗砂找平,设计复合地基承载力特征值为185kPa

2 单桩、双桩及四桩复合地基载荷试验P-s曲线
Fig. 2 Load test P-s curves of composite foundation of single pile, double piles and four piles
2中四桩复合地基加载到370kPa时,沉降量已超过50mm。目前技术标准中没有对搅拌桩单桩承载力试验标准进行规定,如果套用基桩的单桩承载力荷载试验标准,则搅拌桩沉降已超过40mm,可判为破坏。原文中没有对地基土进行载荷试验,通常按《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)等技术标准,地基土载荷试验压板面积为0.25~0.50m2,宽度为0.5~0.7m,试验破坏标准为相对变形值s/b超过0.06,即沉降量超过30~42mm,按此惯例,文中地基土也可判为破坏。实际上,原文作者认为加载到333kPa时复合地基已经破坏。这是一种普通现象,即多桩复合地基加载接近及达到极限承载力时,沉降量往往已经超过了单桩及天然地基土极限承载力对应的沉降量,桩或者地基土可能已经破坏,这是导致试验结果承载力偏低的另一个原因。
另外,JGJ79-2002等技术标准对压板计算宽度有规定,即宽度大于2m时按2m计算s/b。这也是导致试验结果偏低的一个原因,将在下文讨论。
从实用角度看,采用单桩复合地基载荷试验还是多桩复合地基载荷试验也许并没那么重要。诸多对比试验结果表明[5-10],两者试验结果相差一般不超过30%(压板宽度较大时-例如超过3m,情况可能会有所不同)。因为安全系数为230%的误差并不会导致安全问题,是工程可以接受的。不过,为慎重起见,笔者建议技术标准中加入一条:桩数较少、桩间距较大时可采用单桩复合地基载荷试验,群桩效应明显时应采用多桩复合地基载荷试验。
4  载荷试验压板计算宽度
JGJ79-2002规定:载荷试验按s/b确定复合地基承载力特征值时,压板宽度或直径b大于2m时,按2m计算。该规定在JGJ79-911998年版)中并没有,是JGJ79-2002第一次提出,以括号内补充形式,出现在对砂石桩、振冲桩及强夯块石墩复合地基试验标准中,并没有说明是否适用于其它桩型复合地基。后来该规定被其它一些技术标准引用,就用于所有桩型复合地基了,包括JGJ79-2010(征求意见稿)。
JGJ79-2002没有解释该规定的来源。和很多技术标准中都有一些莫名其妙的规定类似,这条规定让人生疑。是笔者的孤陋寡闻吧,笔者不知道该规定的来源,用百度、google等搜索引擎在互联网上搜索,连一篇对该规定的研究文献都没有搜到;有十余篇论文记载了压板宽度大于2m的载荷试验,但没有一个试验根据该规定来确定复合地基承载力特征值,而论文[11-12]作者不乏该规范的主要起草人等业内知名专家。是疏忽了,还是另有原因?
笔者认为该规定用意是:按s/b确定承载力特征值时,载荷试验压板较宽(>2m)时,如s/b不变,则s偏大,意味着实际使用时绝对沉降量将偏大,而这将影响建筑物的正常使用,故应对s值有所限制。笔者赞同这种认识,但质疑按b=2m是否过于严格?以某工程为例,该3m×3m压板载荷试验结果如图3所示:

3 某复合地基载荷试验P-s曲线
Fig. 3 Load test P-s curves of a composite foundation project
p-s曲线为缓变型,无比例界限,加载到1130kPa时未破坏,极限载荷不明确。按s/b=0.006%确定承载力特征值fspk,取b=3m,则fspk=636kPa(原文如此);但如果取b=2m,则fspk只有约510kPa,不仅小于636kPa,也小于最大加载量的一半565kPa,而笔者认为取565kPa并无不妥,取636kPa也是很有可能的。这种按b=2m计算s/b造成承载力特征值取值偏小现象在前述提到的大多文献中均可见到。
十年前,JGJ79-2002开始实施时,压板宽度通常不大于2m,因经验欠缺,为安全起见,制订这条规定可以理解;现在,3m宽压板应用已越来越多,最宽甚至已达到5m[14];多桩型复合地基应用越来越多,已经编制了相关技术标准[15-16],其需要的压板尺寸通常较大。这条按2m计算压板宽度的规定,到了应重新审视时刻。
笔者总的来说不赞同采用相对变形值法确定复合地基承载力特征值,如概述中所述,认为其理论上不严谨、不合理,本条规定只是表象之一。如果一定要采用,建议把b=2m适当放宽,如b=3m,或允许参考绝对沉降量放宽使用,让设计人员拥有因地制宜的自由裁量权。
5  其它
1《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)等技术标准要求各种桩体复合地基均要进行单桩载荷试验,但是没有制定单桩载荷试验方法。不仅该规范,现行其它有关复合地基技术标准中也没见到,而且也没有地基土载荷试验标准方法。没有方法标准,桩、土承载力根据什么确定、又如何验证呢?目前业界地基土的载荷试验标准依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002),CFG桩等刚性桩的单桩载荷试验标准依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)。这是适用于土、桩单独工作时的承载力检验标准,用于桩土共同作用、即复合地基时,还适用吗?搅拌桩等柔性桩、碎石桩等散体材料桩与基桩的工作性状相差较大,单桩承载力检验按基桩标准并不合适。应该说,这是现行有关复合地基技术标准需要完善的一项重要内容。
2)建议有关技术标准中补充一条:对于某具体工程,用于地基土载荷试验的压板尺寸与用于复合地基的应保持一致,且用于确定承载力的相对变形值指标应相同。这样在理论上可使复合地基中的桩间土承载力与天然状态下的承载力不因载荷试验参数不同而人为改变。
3)有关技术标准中规定,荷载试验时每级加载的稳载时间不少于1小时。这在载荷较大时是必要的,但通常前几级荷载较小,似乎并不需要稳载这么长时间。建议有关技术标准将最大加载压力一半以前的每级稳载时间缩短为半小时。
6  结束语
现在,同一专业技术标准的数量越来越多,里面的内容越来越多,错误、偏颇、遗漏、标准之间的重复、矛盾越来越多。如某地基处理技术标准规定,对用于地基处理的桩的技术要求适用于基坑支护。用于地基处理的桩以竖向受压为主,要求桩头强硬、桩端与土接触良好、桩身强度可从上到下递减(如搅拌桩);而用于基坑支护的桩,以承受弯矩及剪力为主,对桩头桩底要求低,对桩的中下部(通常为基坑底附近)强度要求高,两者受力机理完全不同,怎么能够采用同样的技术要求呢?或许是因为缺少更多新内容的原因,很多技术标准越写越细致,越写越像施工图设计说明书及施工组织设计。言多必失,越细致错漏越多。如某地基处理技术规范,严格规定“搅拌桩钻头的叶片不得少于两层”,有点让人哭笑不得了。该规定的原意是为了使水泥土搅拌均匀,但一层叶片为什么不可以?如土层较硬难以下沉时,常常用一层叶片,升降两至三次重复搅拌,有何不可?该规范指的是一字型钻头,如采用螺旋叶片、重直叶片或链状刀具,又有何不可?土本来就非常复杂多变,中国土类繁多且差异很大,岩土工程技术发展快、更新快,技术标准不可能做到事无巨细滴水不漏,也无需去做这方面努力。技术标准应体现稳定性、普遍性、抽象性、概念性,不应该成为设计说明书或施工组织设计。
以上这些为笔者的粗浅之见。但抛砖引玉,文中所述问题如果能引起专家学者们的高看,在新编及修订相关技术标准时加以研究考虑,对于复合地基技术的发展进步而言则是有益及有助的。
参考文献:
[attachment=258109]

sh2014 2013-04-22 07:06
优秀资料,感谢!

erimkcgs 2013-04-22 07:51
文件夹中什么也没有啊

cjz06 2013-04-22 08:49
不错资料..

jrqytgcs 2013-04-22 09:49
文件夹中什么也没有啊

cdddd 2013-04-22 18:13
就是,压缩文件里,没有任何东西!

zgjy1992 2013-04-24 13:26
[attachment=258306][attachment=258306]


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