学习建筑桩基技术规范

1学习建筑桩基技术规范 JGJ 94-2008一、新规范修订背景JGJ 94-94 规范使用至新规范修订已有十多年，通常规范在 10 年左右修订一次，新规范编写组在总结了 JGJ94-94 规范使用的实践经验，吸纳了 10 多年的科研和工程实践成果，于2005 年 3 月完成了征求意见稿，发送到全国设计、勘察、科研、高校及施工单位征求意见，收到了 81 个单位的及反馈意见，并收集到 416 份单桩静载试验资料（试桩包括灌注桩和预制桩） ，后注浆灌注桩 106 份，建筑沉降观测资料 170 份，软土地基减沉复合疏桩基础沉降沉降资料 22 份，这些资料成为修订单桩承载力参数后注浆灌注桩承载力估算，桩基沉降经验系数和验证减沉复合疏桩基础沉降计算方法的重要依据。二、新规范修订调整的主要内容1、以综合安全系数 K 代替荷载分项系数和抗力分项系数，取消了以概率理论为基础的极限状态设计法，目的： 与地基基础规范相一致，以方便使用 地基土的不确定性对基桩承载力可靠性影响，目前仍处于研究探索阶段。实际上综合系数 K=2，实为荷载分项系数 1.25 乘以抗力分项系数 1.6 结果是相同。目前基桩安全度提高表现在： 建筑结构荷载规范将使用荷载标准值提高，反映在住宅和办公楼由 1.5 提高2/mKN到 2.0 ，使得土对桩的支承力安全度有所提高。2/mKN 钢筋混凝土强度设计值略有降低。 基本组合荷载分项系数由 1.25 提高到 1.35，成桩工艺系数有所降低，特别是挤土灌注桩由 0.8 改为 0.6。后两项对桩身结构承载力安全度有所提高。2、将旧规范的安全等级改为设计等级，完善了桩基设计等级，见 3.1.2 条表 3.1.2。划分设计等级，目的是界定桩基设计的复杂程度，桩基设计前应先进行等级划分，根据等级划分确定计算内容、勘察要求，检测的规定等，为沉降计算、勘察布孔、静载试桩。新修订的桩基划分等级与“建筑地基基础规范” （GB 5007-2002）统一，见地基基础规范3.0.1 条表。旧规范较笼统，见 94 规范 3.3.3 条表 3.3.3，以破坏后果的严重性来划分，新规范改为设计等级，规定较具体。甲级有六种建筑，第一类是重要建筑30 层以上或高度超过 100m 的高层建筑，这类建筑的特点是荷载大，重心高，风载和地震作用水平剪力大，基础埋深足够大，严格控制桩基的整体倾斜和稳定，整体倾斜允许值 0.002。第二类是体型复杂且层数相差超过 10 层的高低层（含纯地下室）连体建筑；20 层以上框架核心筒结构及其它对于差异沉降有特殊要求的建筑，这类建筑物由于荷载与刚度分布极不均匀，抵抗和适应差异沉降能力较差，或使用功能上有特殊要求（为精密生产工艺的多层厂房、冷藏库精密机床等） ，须严格控制差异沉降，甚至沉降量。在桩基设计中，可采用变刚度调平设计原则，计算沉降等值线。第三类是场地和地基条件复杂的 7 层以上的一般建筑物及坡地岸边建筑物；对相邻既有建筑工程影响较大的建筑物，这类建筑物自身无特殊性，如地基为高坡、岸边、半填半挖地基，基底置于岩石和土质地层、岩面起伏很大，桩身范围有较厚自重湿陷性黄土或可液化土等，这类情况首先把握好桩基的概念设计，控制差异变形和整体稳定，并考虑负摩阻力等重要因素。对于对相邻概有建筑的影响，如跨越地铁，基础埋深大于紧邻的重要建筑如保护性建筑等，设计应考虑桩基荷载传递和施2工不致影响既有建筑物的安全，成为设计和施工应予控制的关键因素。丙级建筑桩基的要素是场地和地基条件简单；荷载分布均匀、体型简单的 7 层及 7 层以下一般建筑，桩基设计较简单，计算内容可视具体情况简略。乙级建筑桩基除甲级和丙级以外的建筑桩基。3.0.1 根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计分为三个设计等级，设计时应根据具体情况，按表 3.0.1 选用。表 3.0.1 地基基础设计等级设计等级建筑和地基类型甲 级重要的工业与民用建筑物30 层以上的高层建筑体型复杂，层数相差超过 10 层的高低层连成一体建筑物大面积的多层地下建筑物（如地下车库、商场、运动场等）对地基变形有特殊要求的建筑物复杂地质条件下的坡上建筑物（包括高边坡）对原有工程影响较大的新建建筑物场地和地基条件复杂的一般建筑物位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的基坑工程乙 级 除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物丙 级 场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下民用建筑及一般工业建筑物；次要的轻型建筑物3.1.2 根据建筑规模、功能特征、对差异变形的适应性、场地地基和建筑物体形的复杂性以及由于桩基问题可能造成建筑破坏或影响正常使用的程度，应将桩基设计分为表 3.1.2所列的三个设计等级。桩基设计时，应根据表 3.1.2 确定设计等级。表 3.1.2 建筑桩基设计等级设计等级建 筑 类 型甲 级（1）重要的建筑；（2）30 层以上或高度超过 100m 的高层建筑（3）体型复杂且层数相差超过 10 层的高低层（含纯地下室）连体建筑；（4）20 层以上框架-核心筒结构及其他对差异沉降有特殊要求的建筑；（5）场地和地基条件复杂的 7 层以上的一般建筑及坡地、岸边建筑；（6）对相邻既有工程影响较大的建筑乙 级 除甲级、丙级以外的建筑丙 级 场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下的一般建筑3.3.3 根据桩基损坏造成建筑物的破坏后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响）的严重性，桩基设计时应根据表 3.3.3 选用适当的安全等级。3表 3.3.3 建筑桩基安全等级安全等级 破坏后果 建筑物类型一级 很严重 重要的工业与民用建筑物；对桩基变形有特殊要求的工业建筑物二级 严 重 一般的工业与民用建筑物三级 不严重 次要的建筑物3、调整桩的最小中心距，增大挤土桩在粘性土中桩距和扩底桩的桩距，见表 1 新旧规范对照。新规范调整了挤土桩的最小中心距，普遍较原来增大 0.5d，对于沉管灌注桩钻孔挤土扩桩，除最小中心距增大外，还和地基土的性质挂钩。调整挤土桩的中心距的背景是十多年中桩基事故工程大部分为挤土桩。以前曾介绍过武汉某 18 层大楼采用夯扩桩，桩长 16m20m，桩端持力层为粉细纱，上部土层为淤泥质粘土，淤泥原有 15m 左右，见图 1。竣工前房屋发生倾斜，且无法稳定，最终整体爆破，长春某会展中心采用沉管灌注桩，成桩过程中大面积挤土效应，开挖时发现大部分桩被挤断，整个桩基工程报废。上海四平路两栋 24 层大楼，桩选用 450450 方桩持力层为砂质粉土。由于挤桩效应，一部分桩长施工不到位，被逼截桩，截桩比例占 30%左右，建成后出现倾斜。上海大华某小区 7 栋高层住宅，大比例出现断桩，接桩部位被拉断，最多一栋楼断桩占 75%，最少一栋楼断桩占 12.9%。断桩的事故较多，为降低挤土效应的不利影响，最有效的方法是增大桩距。另外，对沉管挤土灌注桩，由于出现工程事故，在用于淤泥，淤泥质土层时，限制在用于多层住宅桩基础。表 5.3-1 基桩的最小中心距土类与成桩工艺排数不少于 3 排且桩数不少于 9 根的摩擦型桩桩基其他情况非挤土灌注桩 3.0d(3.0d) 3.0d(2.5d)非饱和土、饱和非黏性土 3.5d(3.0d) 3.0d(2.5d)部分挤土桩饱和黏性土 4.0d(3.0d) 3.5d(2.5d)非饱和土、饱和非黏性土 4.0d(3.5d) 3.5d(3.0d)挤土桩饱和黏性土 4.5d(4.0d) 4.0d(3.5d)钻、挖孔扩底桩2D(1.5D)或 D+2.0(1.0)m(当 D2m)1.5D 或 D+1.5(1.0)m(当 D2m)非饱和土、饱和非黏性土 2.2(2.0)D 且 4.0d 2.0(2.0)D 且 3.5d沉管夯扩、钻孔挤扩桩饱和黏性土 2.5(2.0)D 且 4.5d 2.2(2.0)D 且 4.0d4图 1 武汉某大楼地质剖面图4、灌注桩桩顶加密区长度作用调整，由 35d 调整为 5d（4.1.1 条第 4 款） 。对于预制桩打入桩桩顶箍筋加密由 23d 调整为 45d（4.1.6 条） 。考虑桩顶受水平地震力和风力；箍筋在轴压荷载下对混凝土起到约束加强作用，可提高桩身受压承载力。对于预制桩的接头数量作了调整，旧规范对于普通混预制桩接头不宜超过 2 个新规范调整为 3 个。预应力管桩接头数由 4 个调整为 3 个。5、混凝土的最低强度等级由 C15 调整为 C25，根据耐久性规定作调整。6、桩钢筋锚入承台长度由 30 倍纵向主筋直径调整为 35d。 （4.2.5 条第 2 款）增加承台钢筋锚固长度（4.2.3 条第 1 款）长度自柱内侧算起（圆柱应将其直径乘以 0.8换算成方柱）不应小于 35 （ 为钢筋直径） ，当不满足时，将钢筋向上弯折，但水平gd段的长度不应小于 25 ，弯折段长度不应小于 10 。gd对于两桩承台，承台应按深受弯构件配置纵向受拉钢筋，水平及竖向分布筋。 （第 4.2.3 条第 2 款）7、考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值的计算公式作调整。新规范的复合桩基承载力特征值，就是将基桩所对应的承台净面积地基承载力特征值乘以承台效应系数，加到单桩承载力特征值上，即新规范的 5.2.5 条计算公式 5.2.5-15.2.5-3。8、单桩侧阻力和端阻力经验参数作调整，总体上有提高，可比较新规范表 5.3.5-1、5.3.5-2，旧规范 5.2.8-1、5.2.8-2。5.2.5 条考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值可按下列公式确定：不考虑地震作用时 （5.2.5-1）cakAfR考虑地震作用时 （5.2.5-2）25.1（5.2.5-3）npsc/)(式中 承台效应系数；c承台下 1/2 承台宽度且不超过 5m 深度范围内各层土的地基承载力特征akf5值按厚度加权平均值；计算基桩所对应的承台底净面积；cA桩身截面积；psA 承台计算域面积对于柱下独立桩基，A 为承台总面积，对于桩筏基础，A 为柱、墙筏板的 1/2 跨距和悬臂边 2.5 倍筏板厚度所围成的面积；桩集中布置于单片墙下的桩筏基础，取墙两边各 1/2 跨距围成的面积，按条形承台计算 ；c地基抗震承载力调整系数，按“建筑抗震设计规范”4.2.3 条表 4.2.3a取值。 当承台底为可液化土，欠固结土，湿陷性土，新填土时，沉桩引起超空隙水压力和土体隆起时，不考虑承台效应，取 =0。c旧规范 计算公式计算复合桩基承载力。ckpksks QQR/公式其中包括桩侧阻群桩效应系数，桩端阻群桩效应系数及承台底阻力群桩效应系数组成，取消上述系数，现调整为一个系数即承台效应系数 。c承台效应系数：摩擦型群桩在竖向荷载作用下，由于桩下沉，与土产生相对位移，桩间土对承台产生一定的竖向抗力，成为桩基竖向承载力的一部分而分担荷载，此种效应称为承台效应，承台底地基土承载力特征值发挥率为承台效应系数，承台效应与承台效应系数与下列因素有关：.与桩距大小有关，桩距愈大，土反力愈大。.承台土抗力随承台宽度与桩长之比 减小而减小。lBc/.承台土抗力随区位和桩的排列而变化，承台内区土反力小于外区，反力是马鞍形分布，新规范取消内区和外区群桩效应系数，因为一般外区点的总面积的比例不大，对总的承载力影响很小。9.嵌岩桩嵌岩段侧阻系数和端阻系数调整将旧规范中嵌岩段的极限承载力，包括嵌岩段总极限侧阻力，嵌岩段总极限端阻力合二为一，改为嵌岩段总极限阻力标准值 ，用嵌岩段侧阻和端阻综合系数 取代旧规范嵌岩rQr段侧阻和端阻修正系数 ， 进行简化计算，安全度没有变，sprksukQisslqAfrkrk桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数r6旧规范计算公式 pkrskuQisinslq1rcsrkhfprpAQ10.等效作用分层总和法计算桩基沉降经验系数，调整了经验系数本次规范对桩基础沉降计算方法，在收集到上海、天津、北京、沈阳、西安共计 150 多项沉降资料基础上，分析统计结果，桩的沉降计算考虑施工工艺的影响，因为群桩基础的变形是桩基影响范围内土的变形，不同的施工工艺对土的影响不同，本次修订建立以灌注桩实例沉降与计算沉降之比 随桩端压缩层范围内模量当量 值而变的经验值，对于预制sE桩则应根据桩距、桩长、沉桩速率与流程、复打、复压、引孔等按表 5.5.11 所列值再乘以挤土效应系数 1.31.8，本次收集到沉降资料，一般房屋在 2030 范围，最长桩长为 50m，因此桩长很长，房屋很高时应慎重。规范推荐的沉降计算方法如下假设1）.将作用在承台底的附加压力，借助于群桩等效传递到桩端平面，此假定存在问题是承台底的附加压力明显大于桩端平面的附加压力，桩越长，桩侧土越好，附加荷载传递至承台投影面积外的比例越高，桩端的附加应力、承台底附加应力之比相差越大。2）.等效面积为承台投影面积，实际上桩端等效作用平面大于承台投影面积。3）.没有考虑布桩因素对沉降的影响由于上述假设均存在与实际情况的差异，新规范第条假设造成误差，采用沉降系数来修正，此系数的准确性还有待于今后实践积累来逐步提高和完善，第条假设用等效沉降系数 来修正。c桩基任一点最终沉降量用角点法按下式计算 sijijijniojmcc EaZPS)1()(1, 计算公式与旧规范相同，按实体深基础分层总和法计算基础沉降，但对桩基沉降计算经验系数和桩基等效沉降系数作了调整，旧规范 5.3.10 条与新规范 5.5.11 条比较。三、新规范增加的内容1.减小差异沉降和承台内力的变刚度调平设计变刚度调平设计是通过调整基桩的竖向支承刚度分布，使桩基础沉降趋于均匀，可使基础或承台内力和上部结构次应力显著降低的设计方法。（1）均匀布桩的的负面效应a.均匀布桩的桩筏基础的变形特征沉降呈蝶形。见图 2 北京南银大厦桩筏基础沉降等值线。b.均匀布桩的桩顶反力分布特征，随荷载和结构刚度增加，中、边桩反力差增大，反力分布是马鞍形分布。见图 3 武汉某大厦桩箱基础桩顶反力实测结果。7图 4c.碟形沉降和马鞍形反力分布的负面效应。 （见图 4）碟形沉降将引起基础自身和上部结构的附加内力（弯矩、剪力）变形严重将导致开裂。马鞍形反力分布的负面效应将导致基础的整体弯矩增大。（2）变刚度调平设计原则和具体应用新规范 3.1.8 条以减小差异沉降和承台内力为目标的变刚度调平设计宜结合具体条件按下列规定实施。a 规范的规定（a）.主裙楼连体建筑，当高层主体采用桩基时，裙房（含纯地下室）的地基或桩基刚度宜相对弱化，可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础。（b）.对于框架-核心筒结构高层建筑桩基，应强化核心筒桩基刚度（如适当增加桩长、桩径、桩数、采用后注浆等措施） 。相对弱化核心筒外围桩基刚度（采用复合桩基、减小桩长），见图 5（a） 。8图 5 框架-核心筒结构变刚度布桩图（a）加长内筒桩长；（b）内筒部分采用刚性桩复合地基（c）.对于框架-核心筒结构高层建筑天然地基承载力满足要求的情况下，宜于核心筒区域局部设置增强刚度、减小沉降的摩擦型桩，见图 5（b） 。（d）.对于大体量筒仓、储罐的摩擦型桩基，宜内强外弱原则布桩。（e）.按变刚度调平设计的桩基，宜进行上部结构承台桩土共同工作分析。b.变刚度调平设计的本质变刚度调平的设计本质是调整桩基影响范围内土的受荷水平特别是桩端土的受荷水平，使桩基础沉降均匀，对于一些结构如框架-核心筒结构，采用常规均匀布桩会造成桩端平面荷载水平差异过大。（a）.上部结构荷载非均匀分布，如框架-核心筒结构，框架-剪力墙结构，其核心区和剪力墙区域部分的荷载，远大于框架部分，一般超过 2 倍。（b）.桩荷载传递的场效应造成荷载水平内大外小，对于群桩基础，中间桩荷载传递叠加，越靠近群桩中部，叠加的密度越高，造成荷载的不均匀，见图 6图 6 群桩基础受荷水平分布图（a）群桩侧摩阻力向外扩散示意图 （b）单桩侧摩阻力沿径向外扩散示意图 c.变刚度调平设计最有效布桩方法和设计的具体应用。（a）.布桩方法变刚度调平设计有局部增强，变桩距、变桩径、局部增加桩长四种模式，见图 7 四种模式中， （d）模式为最有效，因为在荷载集度高的部位将桩增长，可使荷载扩散范围加大。9图 7 变刚度调平设计的模式（a）局部增强 （b）变桩距 （c）变桩径 （d）局部增加桩长（b）.具体应用变刚度调平设计的目的是减小不均匀沉降，方法是调整桩基影响范围内土的受荷水平，根据工程具体情况，可采用（a）的四种布桩模式，使在桩基影响范围内土的受荷水平均匀。1）框架-核心筒结构当采用桩基时，可采用 5（a）布桩，在天然低级 满足要求情况下，变形不能满足要求时，可采用图 5（b） ，核心筒部位采用刚性桩复合地基（CFG 桩） 。2）框架-剪力墙结构宜在楼梯间，电梯井等剪力墙相对集中部位可采用变刚度调平设计，可参照框架-核心筒布桩方法。3）剪力墙结构、砌体结构伸缩缝部位，伸缩缝部位可采用变刚度调平设计，见图 8。图 8 变形缝部位变刚度调平布桩 图 9 桩端持力层变化较大的变刚度调平设计4）桩端持力层变化较大，为使沉降均匀，可采用变刚度调平设计，可按图 9 布桩。5）主裙楼连体建筑主楼采用长桩，裙楼采用端桩或复合桩基。2.软土地基减沉复合疏桩基础设计（上海沉降控制复合桩基础）疏桩是指桩间距大于 56 倍桩径的桩基，由于桩数少而间距大，桩周应力区基本不重叠，因而对承台下土中应力的分布干扰较少。减沉复合疏桩基础应用的条件：a.用于多层建筑（上海 8 层以下）b.天然地基承载力基本满足要求c.天然地基条件下，基础变形过大，影响正常使用。（2）减沉复合疏桩基础应用中把握三个关键技术。a.持力层不应是坚硬岩层、密实砂、卵石层是相对较硬土层（上海第层土） ，确保基桩受10荷能产生刺入变形。b.桩距应在 56d 以上，确保桩间土较充分发挥承载作用，桩径 200300mm（上海200250mm）方桩c.成桩质量可靠性应严加控制（3）软土地基减沉复合疏桩基础设计a.规范 5.6.1 条，当软土地基上多层建筑，地基承载力基本满足要求（以底层平面面积计算）时，可设置穿过软土层进入相对较好土层的疏布摩擦型桩，由桩和桩间土共同分担荷载，该种减沉复合疏桩基础可按下列公式确定承台面积和桩数。 akKcfGFAacRAn式中： 桩基承台总净面积；c承台底地基承载力特征值；akf承台面积控制系数， ；6.0基桩数；n桩基承台效应系数，见承台效应复合桩基表 5.2.5c上海规范沉降控制复合桩基 sdcfGFA式中： 经验修正系数，可取 1.51.7 相当于 值 0.590.67sdckdfAKRF ksdcdRfAGFK式中： 复合桩基承载力调整系数，取 0.55；K桩数；（4）减沉复合疏桩基础沉降计算 规范第 5.6.2 条减沉复合疏桩基础与常规桩基相比其沉降有二个特点：一是桩的沉降可能发生塑性刺入；二是桩间土体的压缩固结受承台压力作用为主，受桩、土相互作用影响居次。由于承台底面桩、土的沉降是相等的，因此桩基沉降既可通过计算桩的沉降，也可通过计算桩间土沉降来实现。本规范采取计算桩间土沉降的方法。3、单桩、单排桩疏桩基础沉降在工程实际中，采用一柱一桩、一柱两桩、单排桩，桩距大于 6d 的疏桩基础较多，对于这类桩基不能应用等效作用分层总和法计算沉降。11新规范推荐单桩、单排桩、疏桩基础的沉降计算方法，即第 5.5.14 条和第 5.1.15 条。规范推荐的计算方法的基本原理是根据计算出的桩端平面附加应力，采用单向压缩分层总和法，计算单桩、单排桩的沉降量。承台底压力引起的沉降实际上包含两部分，一部分为回弹再压缩变形，另一部分为超出土自重部分的附加压力引起的变形。土的回弹再压缩变形计算较复杂，土的回弹与基坑深度、桩距等有关。当基坑深度小于 5m，回弹量很小，可忽略不计。当桩距较小时，桩对土体的回弹约束，导致回弹量减小，故回弹再压缩可予忽略，但时单排桩、疏桩，桩对土体的回弹约束效应小，故应将回弹再压缩计入沉降量。沉降计算式有关的问题：（1）单桩、单排桩、疏桩桩基沉降计算深度相对于常规群桩要小得多，由 Mindlin 解导出得 Geddes 应力计算模型是作用于桩轴线的集中力，将端阻力和侧阻力简化为集中力的Geddes 应力公式，在近桩端应力集中明显，与一定直径桩的性状相差很大，为避免该现象对 Mindlin 应力解考虑桩径因素求解，为便于使用，对不同基桩长径比 ，给出应力系dl/数 、 见附录 F。pIs（2）关于相邻基桩的水平面影响范围，相邻基桩荷载对计算点竖向荷载的影响，以水平距离 （ 为计算点桩长）范围内的桩为限，即取最大 。l6.0 6.0/ln（3）沉降计算经验系数取 =1.0（4）关于桩身弹性压缩，与桩的长径比 和桩端持力层刚度的大小有关。单桩、单排桩dl/和疏桩基础，其沉降小于群桩基础。桩身