技术创新基桩有效桩长的确定方法(同济大学地下建筑与工程系上海)摘要:给出了基桩有效桩长的定义,总结了确定基桩有效桩长的多种方法,可以为桩基和复合地基的优化设计提供依据。关键词:基桩有效桩长确定方法u(092):第一作者:**翔男1970月出生工学博士讲师收稿日期:2000-08-01在进行桩基础优化设计时,确定基桩的有效桩长是非常必要的。最近,越来越多的学者对基桩有效桩长(特别是柔性桩复合地基的有效桩长)的课题进行了广泛的研究这不仅有助于加深人们对桩的受力机制的认识,还可以通过改善桩基础的受力状况优化桩基础的设计,促使由目前的强度控制桩基础设计方法向沉降变形控制桩基础设计方法的转变,进而促进桩基乃至复合地基的研究。

基桩有效桩长的定义基桩有效桩长(不妨记作l0)有效桩长,又称临界桩长,目前虽然还没有确切的定义,但人们对这个概念的理解还是比较一致:当基桩其它条件(桩的形状、截面积大小、桩身材料等)和地基土的特性一定时,随着桩长的增大,基桩承载力的增加渐趋缓慢,当桩长达到某一定值时,承载力的增加几乎为零,即把这个定值称为基桩的有效桩长。在此状态下,有效桩长以下那部分桩身对桩承载力的贡献可以忽略不计。这一概念也可以从沉降角度来定义:在一定荷载作用下,随着桩长的增大,基桩桩顶沉降逐渐减小,但当桩长超过某一极限时,桩的沉降几乎不再发生变化,即用增加桩长来减小沉降也存在一个极限长度,这一极限长度就称为有效桩长。已有的研究表明,不仅柔性桩存在有效桩长问题;而且不仅单桩存在有效桩长,对群桩情况有效桩长的概念同样成立基桩有效桩长确定方法根据基桩有效桩长的定义,确定有效桩长的基本方法有三种。21极限承载力控制法根据前面的分析,按照某一种方法确定的单桩极限承载力(如取桩顶沉降量为某一数值时所对应的桩顶荷载)与桩长的关系,可以表示为图1a的关系曲线。取曲线上单桩极限承载力增加值已非常缓慢的某一点所对应的桩长为有效22桩顶沉降控制法在一定荷载作用下,随着桩长的增加,桩顶沉降逐渐减但减小的趋势却在逐渐变缓(图1b),取曲线上桩顶沉降减小速率已经很小的某一点所对应的桩长为基桩有效桩长23基桩刚度控制法根据潘时声的研究的增加而增大;当桩长增加到一定值后,基桩的刚度增加就变小了,可以取这时的某一值作为基桩的有效桩长l01c。

除了上述三种基本方法以外,许多学者还提出了多种方法来计算基桩的有效桩长。24荷载-沉降理论曲线确定法该法基于单桩荷载-沉降理论曲线提出计算基桩有效桩长的理论公式为,Vol31工业建筑2001年第31图1桩长与基桩极限承载力、桩顶沉降量和刚度的关系(a)-基桩极限承载力与桩长的关系;(b)-桩顶沉降量与桩长的关系;(c)-基桩刚度与桩长的关系、Ap———桩身材料的弹性模量和截面积;s、μs———桩周土的弹性模量和泊松比;λ———单桩对周围土体的影响范围,用桩直径的倍数来表示,R2-R1R2为影响区半径。该方法曾被文献[桩土刚度比确定法段继伟根据对水泥土搅拌桩的研究提出了按照桩土刚度比(Ep/Es)确定柔性桩有效桩长取值范围为:Ep/Es=10Ep/Es=50l0=(20Ep/Es=100～200=(25～33)d为桩的直径,其余符号意义同上。侧摩阻临界位移确定法陈善雄用荷载传递函数法导出有效桩长的计算公式如(2)式所示Essmdαcu式中cu———桩周土不排水抗剪强度,kPa;α———粘结力系数,与天然土的物理力学性质及桩身材料性质等因素有关;sm———桩侧阻临界位移值,一般取sm10)mm;其余符号意义同上。

修正的理论公式法式(1)原被用来计算超长桩的有效桩长,文献[13]对此稍加修正,作为水泥土搅拌桩有效桩长的计算公式,不妨将其称为修正的理论公式法。l0———桩身材料的泊松比;qp———桩端土承载力标准值;其余符号意义同上。桩身强度控制法王朝东、陈静曦认为当桩长超过有效桩长以后,水泥粉喷桩单桩承载力受桩体强度控制,由此导出水泥粉喷桩进入末层土的深度———桩体强度;up———桩身周边长度;qsi、li层土的摩擦力标准值和土层厚度;qsn———末层土的摩擦力标准值。则水泥粉喷桩的有效桩长l0l0=l1+l2+…+ln此外,还可以通过研究桩身荷载传递的方法(如弹性理论法、有限元法等)来确定基桩有效桩长,在此就不再一一列3关于基桩有效桩长的讨论由基桩有效桩长的定义可知,基桩承载力主要由有效桩长以内(0l0)的桩侧摩阻力承担,桩端阻力占整个桩承载力的比例较小,因而有效桩长的概念只适用于摩擦桩,即使刚度极大的钢管桩当作为超长桩使用时,实测表明桩端阻力很在工作荷载下甚至为零,表现出纯摩擦桩的承载性对于桩土刚度比较大的基桩来说,在优化桩基础设计时不能为了单纯追求有效桩长效果而仅仅根据有效桩长来确定实际桩长,选择较好的桩尖持力层仍是至关重要的。

这是因为这类桩桩身材料强度较高,在荷载传递方面容易把荷载传递到较深的土层中,尽管在桩较长时传递到深处的这部分荷载占总荷载的比例通常不是很高,但有时在上部存在深厚软弱土层时桩端阻力仍是总承载力的重要组成部分。笔者在桩基检测中就遇到这种情况。某工程采用外径400mm,壁厚65mm,长度350m(分三节),混凝土强度等级C60预应力打入式管桩,桩尖落在-1层砂质粉土夹粉质粘土40%。究其原因,是因为由于桩尖持力层土层分布深度及厚度的不均匀,该处的试桩桩尖并未真正进入除最上部的土层稍好以外,中间均为很厚的承载力较低的淤泥质粉质粘土等粘性土,因而造成承载力数值的严重不足。而同一工程其余地方的桩却能很好地达到设计要求。另外,由上述几种基桩有效桩长确定方法来对某场地中的某一类型的桩确定其有效桩长时,有效桩长的具体数值可能会出现较大的差别。例如,对于同一类型的水泥土搅拌水泥掺入量aw=15;段继伟等根据对直径为500mm 长度为12 水泥土搅拌桩现场试验研究,得出有效桩长为7 11];而何开胜等对超长水泥土搅拌桩的研究, 揭示出此 类桩有效桩长可达25 。笔者认为,造成这种现象 的原因主要在于, 这类柔性桩较易受水泥标号、水泥掺入量、 73 基桩有效桩长的确定方法———舒翔等 地基土的特性以及施工质量(桩体强度、桩身均匀性)的好坏 等诸多因素的影响。

事实上, 即使其它条件一样, 单就确定 方法也会造成有效桩长不相等。已有的研究表明, 对于水泥 土搅拌桩等柔性桩复合地基, 当桩长超过按照承载力确定的 有效桩长后, 继续增加桩体长度可以有效地减小沉降变形 这也就意味着,按照沉降变形量确定的有效桩长将 比按照承载力确定的有效桩长来得大。对于以控制沉降为 目的的复合地基来说, 有效桩长的确定宜按照沉降变形量来 确定。 根据基桩有效桩长的定义、确定方法以及对有效桩长的讨论, 可以得出如下结论: (1)有效桩长的概念只适用于摩擦桩, 不适用于端承桩、 摩擦端承桩和端承摩擦桩; (2)对于桩土刚度比较大的桩, 桩长的确定必须同时兼 顾有效桩长的大小和桩尖持力层的选择; (3)有效桩长的不同确定方法将导致不同的有效桩长, 而柔性桩复合地基有效桩长宜根据沉降变形量来确定; (4)有效桩长概念的提出还是近年来的事, 对它本身及 其在桩基和复合地基优化设计中的应用研究还不成熟, 尚需 作进一步的研究。 参考文献 1王朝东, 陈静曦.关于水泥粉喷桩有效桩长的探讨.岩土力学, 1996, 17(3):43～ 47 马海龙,洪毓康.桩长及水泥掺入量对柔性桩承载力等 的影响.岩土力学,1997有效桩长, 18(1):54～ 59 3马海龙, 1997,25(3):287～ 292 袁文明.超长水泥土搅拌桩的承载能力和临界桩长.工业建筑, 2000, 30(1):26～ 30 5阳吉宝.超长桩承载机理分析与有效桩长确定.力学与实践, 1995, 17(5):17～ 18 6阳吉宝.确定超长桩有效桩长的简易方法.建筑技术开发, 1996, 23(4):13～ 14 7龚晓南.复合地基理论与实践在我国的发展.见:龚晓南主编.复 合地基理论与实践(复合地基理论与实践学术讨论会论文集).杭 州:浙江大学出版社, 1996 侯学渊.桩的刚度计算.岩土工程学报,1996, 18(1):1～ 9罗惟德.单桩承载机理分析与载荷-沉降曲线的理论推导.岩土工程学报, 1990, 12(1):35～ 44 10段继伟, 曾国熙.水泥搅拌桩的荷载传递规律.岩土工程学报, 1994, 16(4):1～ 11段继伟.柔性桩复合地基的数值分析:[博士学位论文] .杭州: 浙江大学, 1993 12陈善雄.柔性桩荷载传递性能的探讨.岩土工程师, 1995(3) 13张武全, 闫从正.对豫东饱和粉土地区水泥土搅拌桩强度和桩 长的探讨.见:龚晓南主编.复合地基理论与实践(复合地基理 论与实践学术讨论会论文集).杭州:浙江大学出版社, 1996 14赵锡宏.上海高层桩筏与桩箱基础设计理论.上海:同济大学出 1989动态 轻型钢结构标准技术委员会年会暨学术交流会召开 轻型钢结构标准技术委员会年会暨学术交流会于2000 年12 日在湖北武汉召开。

来自科研院所、设计院、高等院校及企业单位的代表共120 余人参加了会议。 建设部标准定额司副司长焦占栓、中国工程建设标准化协会副理事长马进忠、湖北省建设厅副厅长武 孟灵、技委会挂靠单位中南建筑设计院院长樊小卿、总工程师陆祖欣出席了会议并讲话。 近年来轻型钢结构在我国发展速度很快, 同时由于国内没有相应的技术标准可遵循, 大多参照国外的 技术标准执行, 因有些国外的技术标准不符合我国国情或与我国的有关技术标准不配套, 造成了一些工程 事故。为适应形势发展的需要, 全国轻型钢结构标准技术委员会受建设部及中国工程建设标准化协会的委 承担了轻型钢结构系列规范的修订、编制及技术归口管理工作,其中包括:《冷弯薄壁型钢结构技术规 、《轻型房屋钢结构技术规程》、《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》 、《冷弯薄壁型钢受力蒙皮结构技术规 以及《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》、《钢货架设计规范》(已颁 布实施)等国家标准及协会标准。 会议共交流论文28 与会代表对技委会修订及编制的上述“规范”及“规程”进行了较为充分的讨论,提出许多很好的意见和建议。大家一致认为:学术交流会提供了一次互相学习、交流的机会, 对提高国内轻 钢结构设计、教学、科研、制作安装技术水平, 将起到重要的作用。 刘志军 74 工业建筑2001 年第31

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