受负摩阻力影响的桩基方案对比

受负摩阻力影响的桩基方案对比

朱桂邱

中国电子系统工程第二建设有限公司  江苏无锡 214000

[摘要]：对于桩周存在负摩阻力的情形，应根据实际工程情况选择桩基方案。

[关键字]：负摩阻力 、中性点、经济性

[正文]

本文通过实际工程案例中3个不同方案的结果对比分析得出各方案的经济性并总结了受负摩阻力影响的桩基设计应注意的几个方面。

一、工程概况

本文工程案例为安徽某新建产业园项目中的成品库，其上部结构为单层门刚结构+轻质钢屋面+钢板围护墙。门刚高度为8.1m~10.15m，双坡屋面，总跨度为90m（22m/23m/23m/22m），柱距10m/11m。除风、雪和地震作用外，主要承受的荷载为屋面恒载（含太阳能光伏板）0.6kN/m2，屋面活载0.5kN/m2，吊挂荷载0.5kN/m2。0.0m层地面活荷载20kN/m2，采用建筑地坪。场地抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.10g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45s，属抗震一般地段。根据《荷规》取100年基本雪压为0.4kN/m2，取50年基本风压为0.4kN/m2，100年基本风压为0.45kN/m2。

对于此类受荷较小的单层门刚结构，通常采用独基，但本工程的浅层土层承载力特征值仅80kPa，且土层起伏很大，地勘建议采用桩基础。

二、地质资料分析

地勘显示场地地基土层分布由上至下为：

①层耕土：极限侧阻力标准值22kPa。

②层粉质黏土：极限侧阻力标准值42kPa。承载力特征值120kPa。

③层粉质黏土：极限侧阻力标准值39kPa。承载力特征值80kPa。

④层粉细砂（持力层1）：极限侧阻力标准值38kPa，极限端阻力标准值1200kPa（9＜L≤16）。承载力特征值150kPa。

⑤层淤泥质粉质黏土夹粉细砂：极限侧阻力标准值20kPa。承载力特征值90kPa。

⑥1层粉砂：极限侧阻力标准值24kPa。承载力特征值120kPa。

⑥层粉细砂（持力层2）：极限侧阻力标准值48kPa，极限端阻力标准值1800kPa（16＜L≤30），2000kPa（1L＞30）。承载力特征值200kPa。

其中部分区域在⑤层与⑥1层之间夹杂⑥层粉细砂。

由前文可知本工程为门刚结构，共69根柱子，建模分析计算得到柱脚反力N并统计如下：N＜350 kN的柱脚数量为31，N∈[374,561] kN的柱脚数量为30，N∈[799,852] kN的柱脚数量为8。

柱脚反力普遍较小。根据地勘资料，持力层有2个选择，方案一是选择④层粉细砂作为持力层，方案二是选择⑥层粉细砂作为持力层。

本单体工程采用预制混凝土管桩PHC-500-AB-125，制作及施工方法均按图集《预应力混凝土管桩》10G409中要求。桩尖选用十字型钢桩尖，桩端土塞效应系数取λp=1。

三、④层粉细砂作为持力层时（桩基）

取承台底标高为-1.6m，桩顶进入承台50mm，桩长初定位9m/10m。根据《桩规》5.4.4条第3小条确定中性点位置：保守取。按摩擦型桩基计算单桩承载力特征值并扣除负摩阻力。

桩的数量及长度统计如下：

桩长9m，82根；桩长10m，100根；桩长11m，5根。共计187根桩，桩长1793m。

承台数量及工程量统计如下：

单桩承台1*1*0.5，数量1，钢筋重量0.0678t，承台体积0.5m3，比值η=0.1355；

2桩承台（1）1*2.8*0.5，数量6，钢筋重量1.0283t，承台体积8.4m3，比值η=0.1224；

2桩承台（2）1*2.8*0.5，数量20，钢筋重量,3.2735t，承台体积28m3，比值η=0.1169；

3桩承台（1）2.55*2.903*0.5，数量28，钢筋重量2.0226 t，承台体积68.32m3，比值η=0.0296；

3桩承台（2）2.55*2.903*0.5，数量6，钢筋重量0.5660t，承台体积14.64m3，比值η=0.0387；

4桩承台2.8*2.8*0.5，数量8，钢筋重量1.1452 t，承台体积31.36m3，比值η=0.0365；

总计69个承台，钢筋重量8.1034 t，承台体积151.22m3，比值η=0.0536。

其中η为钢筋重量（t）与承台体积（m3）的比值。

可见单桩承台和2桩承台的η值在0.1169~0.1355间。3桩承台和4桩承台的η值在0.0296~0.0387间，较单桩承台和2桩承台低了很多。总体比值为0.0536，跟以往的经验数值接近。

四、⑥层粉细砂作为持力层时（桩基）

取承台底标高为-1.6m，桩顶进入承台50mm，桩长初定为26~28m。⑥层粉细砂呈中密～密实状态，取中性点深度比。按摩擦型桩基计算单桩承载力特征值并扣除负摩阻力。

桩的数量及长度统计如下：

桩长27m，104根；桩长28m，31根。共计135根桩，桩长共3676m。

承台数量及工程量统计如下：

单桩承台1*1*0.5，数量3，钢筋重量0.2895t，承台体积2.541m3，比值η=0.1139；

2桩承台（1）1*2.8*0.5，数量8，钢筋重量2.4596 t，承台体积15.68m3，比值η=0.1569；

2桩承台（2）1*2.8*0.5，数量58，钢筋重量17.2480 t，承台体积113.68m3，比值η=0.1517；

本工程所有承台均为单柱承台，由表格中数据可见单柱承台和2桩承台的η值在0.1355~0.2196间。总体比值为0.2124，跟以往的经验数值相差较大。

五、③层粉质黏土作为独基持力层（独基）

由于②层土非常薄且起伏较大，有些区域甚至缺失，故采用③层粉质黏土（承载力特征值=80kPa）作为独基方案的持力层，基底标高-2.0m。独基方案工程量统计如下：钢筋重量17.74t，承台体积559.83 m3，比值η=0.0317

六、3个方案的对比

好的设计方案应做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境等。保证安全的前提下，则应关注哪个方案更为经济合理，以下从几个方面对3个方案进行对比。

1. 安全性：3个方案均能很好的满足规范各项指标。3个方案的桩承载率区间百分比如下表（%）：

方案一桩承载率区间分布比较合理。方案二的桩承载率相当低，但因所选持力层较深，桩长无法减小。方案三（独基）的承载率普遍较高，可以认为是独基方案中造价最低的设计。

2. 经济性：

方案一：钢筋31.7t，混凝土378.44m3，桩长1793m，挖方244.62m3，填方2012m3，总造价约1041787元；

方案二：钢筋44.28t，混凝土336.89m3，桩长3676.00m，挖方167.42m3，填方1977m3，总造价约1513881元；

方案三：钢筋41.58t，混凝土875.15m3，挖方1519.03m3，填方2857.83m3，1244715.26元。

造价计算用单价分别为钢筋8000元/吨，混凝土1000元/吨，桩220元/m，挖方13元/吨，填方6元/吨；桩的造价仅考虑桩长的差别，因桩长增加的引孔等措施费未计入。

可见，方案二造价比方案一造价高了约45.3%，方案三造价比方案一造价高了约19.5%，二者经济性较差。

3. 沉降：方案一的沉降为8~24mm，方案二的沉降为3~11mm，方案三的沉降为37~131mm，方案二沉降量约为方案一的一半，但对于地面容易有大面积堆载的情况，反而容易增加负摩阻力的不利影响。方案三的沉降则是数量级的增大，但沉降差依然满足规范要求。
4. 施工：2种桩基方案的持力层均为粉细砂，不同的是④层粉细砂呈稍密～中密状态,中等压缩性，⑥层粉细砂呈中密～密实状态，中等偏低压缩性。根据已有的工程经验，持力层粉细砂呈中密～密实状态，中等偏低压缩性时，沉桩比较困难，甚至出现桩端进入持力层1米多就打不下去了，这是被实际工程验证过的。对于本工程而言，如果选择方案二，还需穿过④层粉细砂层，故必须增加引孔等措施，同时也需另外增加相应的费用。方案三则是挖方较大，现场施工时应及时处理，不应大面积堆放挖土。

综上所述，笔者认为方案一更适合本工程。

七、基础设计过程中应注意的几点

1. 桩基类型的判定：桩基类型判定直接关系到后续桩基的计算方法及计算结果。

《桩规》3.3.1条规定了按总侧阻力和总端阻力所占份额而定。同时应结合规范其它规定，领会划分的目的。根据《桩规》5.4.3条条文说明可知负摩阻力其实是与受力工况下的位移相关，而不是与力相关。负摩阻力是因桩周土发生了相对桩的向下位移时而产生的作用于桩身向下的摩阻力。而土层的沉降与场地的特性有关，与桩型无关。桩身沉降则很大程度取决于桩端持力层的特性。由此可见，在同一场地，只要持力层不变则桩周土与桩的相对位移没有变化，固桩的类型分类也无需改变。

2. 桩基承载力的确定：《建筑与市政地基基础通用规范》第5.2.5条规定，单桩竖向极限承载力标准值应通过单桩静载荷试验确定。根据计算公式得到的单桩承载力仅作为估算，应通过试桩对估算结果进行复核。
3. 采用静载荷试验（维持荷载标准法）时的最小加载值：

摩擦型桩基：

端承型桩基：

其中:为单桩竖向抗压极限承载力标准值（kN）；

为单桩竖向抗压极限承载力特征值（kN）；

为中性点以上侧阻力（kN）；

为下拉荷载（kN）；

以试桩点（孔点103-17）为例，10m摩擦型桩的最小加载值应为2*367+495=1229kN，试桩点处自然地面标高11.8m，设计桩顶标高10.75m，如果按设计有效桩长11m考虑，即桩的入土深度12.05m时对应的加载值为1557kN＞1229kN。由此也可见④层粉细砂作为持力层是可靠的。

4. 工程量统计时，通常计算钢筋的量的方法是由混凝土立方乘以一个经验系数η得到。应注意2桩承台是根据梁的要求配筋的，其η值相对仅底部布置钢筋的承台要高出很多，从前文统计表格可以看出方案二的η值是方案一的η值的约2.8倍。可见，简单的用同一个比例来测算不同方案的工程量是不可取的，甚至会得出与实际截然相反的结论。

应注意的是，本文的分析结果与实际工程情况息息相关，对类似场地情况的同类工程有一定的参考价值。不同情况时不能简单得用本文的结论进行判断。例如，当本文方案一中的单桩承载力特征值只有200kN时，承台投影面积变大，工程量会增加较多，就不具有性价比优势了。

本文所有数据均根据施工图统计得到，未考虑现场施工损耗。

参考文献：

1. JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》
2. 朱炳寅 娄宇 杨琦《建筑地基基础设计方法及实例分析》第二版