调节桩身竖向刚度的实用方法

朱建辉

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

1 概述

桩基是由桩和连接桩顶的桩承台组成的深基础或由柱与桩基连接的单桩基础。承台下基桩通过桩侧摩阻力和桩端阻力将上部结构荷载传至基础以下深层土体之中，通过改变桩长和桩径，为基桩选择不同的桩端持力层，可以得到满足于设计要求的单桩竖向极限承载力标准值。对单桩竖向极限承载力标准值进行理论计算时，可按式(1)取值。

Quk=Qsk+Qpk

(1)

其中，Quk为单桩竖向极限承载力标准值；

Qsk为单桩总极限侧阻力标准值；

Qpk为单桩总极限端阻力标准值。

在实际工程中进行桩基基础设计时，设计人员往往关注的是柱下、承台下或者筏板下的基桩竖向极限承载力标准值是否满足上部结构的受力要求，即满足式(2)的要求。

Nk≤αR

(2)

其中，Nk为标准组合下，基桩所受的竖向力；

α为不同工况的标准组合下，R的调节系数；

R为基桩竖向承载力特征值。

按式(3)计算。

(3)

K为安全系数；

Quk为单桩竖向极限承载力标准值[1]。

对于多桩承台和筏板基础，基桩在上部竖向荷载的作用下，通过承台或筏板协调桩顶变形来达到共同承担结构上部荷载的目的。在基桩的单桩竖向极限承载力满足设计要求的前提下，基桩的实际受力情况与其自身竖向刚度有密切关系。如式(4)所示。

F=ks

(4)

F为基桩受力大小；

k为基桩竖向刚度；

s为桩身竖向变形量。

通过各基桩所连接的基础的变形协调作用，各基桩的竖向变形量s趋于一致，则当桩身竖向刚度k相差较大时，F将相差较大，即在承台或者筏板内产生应力集中的现象，对承台或者筏板产生不利影响，降低基础的安全性和可靠性。

2 影响桩身竖向刚度的因素

在不考虑桩身材料的竖向塑性变形的前提下，桩身竖向刚度k可按式(5)表示[2]。式中k1为不考虑桩侧岩土层及桩端持力层影响的桩身竖向弹性刚度，按式(6)计算；k2为桩身串联刚度，按式(7)计算，用来考虑桩身竖向刚度调节构件对桩身刚度的影响。

(5)

(6)

(7)

从式(6)可知，k1随桩长l的增加而降低，随桩身弹性模量E的增加而提高，随桩身截面面积A的增加而提高。桩身弹性模量E与桩身混凝土等级和钢筋等级有关，而桩身截面面积与桩身直径或边长有关[3]。在实际工程中，当需要考虑基桩竖向刚度对上部结构的影响时，则应采用考虑了桩侧岩土层及桩端持力层影响的基桩竖向弹塑性刚度。故现场应根据基桩桩径、桩长、桩身材料强度及桩端持力层的不同，分别进行静载试验。根据单桩竖向抗压静载试验结果，结合上部结构设计软件理论分析得出的基桩顶部荷载，提取基桩工作荷载大小范围内的竖向刚度，作为k1代入(5)式中。

对于已施工完成的基桩，可通过增设桩顶竖向刚度调节构件来调节桩身竖向刚度。从式(5)可知，桩身竖向刚度调节构件无论自身竖向刚度k2的大小，都会使得基桩竖向刚度减少。

3 调节桩身竖向刚度的实用方法

3.1 桩顶褥垫层的设置及刚度计算方法

在进行地基处理时，调节桩身竖向刚度的方法，一般采用在桩顶设置一定厚度的褥垫层措施，此方法在软弱地基采用刚性或半刚性桩进行复合地基设计时，得到广泛的应用[4]。

桩基础可参考复合地基的处理方式在桩顶设置褥垫层，具体如图1所示。褥垫层采用级配砂卵石，压实系数不小于0.94。为防止后期在地下水升降过程中，褥垫层的流失和破坏，在褥垫层局部加厚区两侧增设120厚砖胎膜，增设高度同褥垫层局部加厚区高度。

图1 桩顶褥垫层大样图

褥垫层的压缩变形量s可参照式(8)进行计算[5]，其中压缩变形量计算深度取褥垫层设计厚度，压缩模量Es根据桩顶附加应力P0的大小，由现场浅层平板载荷试验确定。则褥垫层竖向刚度k2可按式(9)确定，其中A为褥垫层实际受压面积，按图1所示，褥垫层平面布置为方形，则A=(D+400)2，D为褥垫层处基桩直径(mm)。

(8)

k2=P0As

(9)

3.2 基桩顶部纵筋伸入承台的细部构造

桩基础若仅在桩顶设置褥垫层，虽能起到调节桩身竖向刚度的作用，但与复合地基不同，基桩纵向钢筋应深入承台或筏板一定深度，以满足钢筋锚固和基础传力的要求。若不加处理，则基桩顶部纵筋暴露于褥垫层之中，受地下水和其他腐蚀物质的影响，无法满足耐久性的要求，且钢筋纵向伸缩变形无法与承台(筏板)和桩身变形相协调，使得钢筋亦无法满足传递荷载的要求。故当采用在桩顶设置褥垫层的方法来调节桩身竖向刚度时，应对基桩顶部纵筋进行适当处理，在满足桩顶与承台或筏板连接要求的前提下，使得褥垫层范围内的基桩顶部纵筋能够规范对钢筋耐久性的要求，同时可以同褥垫层一起协调变形，传递荷载。

基桩顶部纵筋伸入承台的细部构造具体如图2所示。在基桩纵筋外包裹塑料薄膜，并涂一层黄油后，在塑料薄膜外套内径32波纹钢管。波纹钢管自身抗腐蚀性应不小于基桩顶部纵筋，故波纹钢管材质推荐采用304不锈钢。波纹钢管下口埋入桩顶混凝土内不少于100mm，其上口伸入承台或筏板内，长度同钢筋设计锚入长度，并用环氧树脂将波纹钢管上口处与钢筋间的缝隙粘结封口。通过一系列措施保证基桩顶部纵筋满足规范对钢筋耐久性的要求。

当褥垫层在基础底部荷载的作用下发生一定的沉降变形时，为保证基桩顶部纵筋能同褥垫层一起协调变形，基桩顶部纵筋在褥垫层及锚入承台(筏板)基础的范围内应具备相当程度的竖向变形的能力。根据图2所示，褥垫层范围内基桩纵筋下部已与桩身混凝土整浇，无单独变形的能力，而桩顶以上纵筋置于波纹钢管内，波纹钢管与承台或筏板混凝土整浇后，在波纹管内部形成单独变形通道，同时在波纹钢管和基桩顶部纵筋顶部设置锚板和橡胶，如图3所示。其中橡胶的竖向刚度与褥垫层的竖向刚度相当，在褥垫层发生竖向变形时，基桩纵筋顶部的橡胶可在混凝土内发生相应的变形，使得基桩顶部纵筋存在一个完整的可压缩变形的空间，保证基桩顶部纵筋和褥垫层变形协调。

如图2～图3所示，基桩顶部纵筋端部通过塞焊与锚板连接，而橡胶与锚板用环氧树脂粘结。图3中所示锚板的作用在于当基桩纵筋受拉时，在基础内形成锚固力，满足受拉纵筋与混凝土间的锚固要求。

图2 基桩顶部纵筋细部大样图

图3 基桩顶部纵筋端部大样

3.3 注意事项

以上基桩顶部细部构造在进行工程应用时，还需注意以下4点：

(1)因工程桩先行施工，故为保证波纹钢管下口埋入桩顶混凝土内不少于100mm，应在波纹钢管置入前自基桩设计桩顶标高往下凿除不少于100mm，待将波纹钢管套入后，再重新浇捣混凝土至设计桩顶标高。

(2)当基桩顶部纵筋存在搭接接头时，应搭接接头位置为两根钢筋并行，故内径为32mm波纹钢管无法同时将两根钢筋包裹住，此时可根据需要置换更大内径的波纹钢管，同时基桩顶部纵筋的锚板平面几何尺寸应相应增大，保证锚板与混凝土有足够的接触面积，以满足受拉钢筋的锚固要求。

(3)因波纹钢管同基桩纵筋的材质不同，波波纹钢管上口处与钢筋间的缝隙不可采用焊接进行封口，故本文推荐采用环氧树脂进行粘结封口。

(4)锚板顶部橡胶在选择时，除应保证其竖向刚度与褥垫层相当外，其使用年限应同基础设计使用年限，且在基础混凝土振捣过称中，避免过度振动导致橡胶与锚板脱离，以及发生严重歪斜。

基桩顶部纵筋细部构造的成品图如图4～图5所示。

图4 基桩顶部纵筋细部成品图

图5 基桩顶部纵筋端部成品图

4 工程应用

某工程位于泉州市，建筑结构为地上21层，地下3层，为钢筋混凝土框架-核心筒结构，原设计除核心筒范围内采用桩筏基础外，其余范围采用柱下独立桩基承台的基础型式，设计要求各基桩的桩端持力层均设置于中风化花岗岩。因工程场地范围内的桩端持力层埋藏深度起伏较大，且存在中风化夹层，后经单桩竖向抗压静载试验及现场桩身钻芯取样，大部分基桩桩端持力层及基桩竖向承载力均不满足设计的要求，导致同一承台或筏板基础下的基桩竖向承载力不足，且各基桩间竖向刚度相差较大。

为充分利用已施工基桩的竖向承载力，根据桩土共同作用的原理对基础进行重新设计，即在地下室全部范围内采用平板式桩筏基础，将残积粘性土或全风化花岗岩作为地下室底板板底持力层，桩和桩间土共同承担上部结构传来的竖向荷载。为调节基础的不均匀沉降，避免在筏板内产生应力集中的现象，采用本文第3章节的方法，调节个别基桩的桩身竖向刚度，并采用式(5)确定的基桩竖向刚度进行理论计算分析。

根据理论计算分析的结果，平板式桩筏基础的沉降计算结果如图6所示。从图中可以看出，在主楼范围内基础沉降为以核心筒为中心的碟形沉降。根据倾斜方向两端点的沉降差和距离计算的建筑物的理论最大倾斜率为0.0013，满足规范要求[4]。

图6 基础理论分析沉降曲线图(单位：mm)

图7为建筑结构封顶后各建筑沉降变形观测点中沉降数值最大点的时间-沉降量曲线图，从图中可知，2017年8月13号至2017年12月31号的140d里，建筑最大沉降速率均小于0.01mm/d，说明桩基已达到稳定状态[6]。根据建筑物倾斜观测数据，各测点中最大倾斜率为1/6063，满足规范要求[5]。

图7 建筑沉降观测时间-沉降量曲线图

5 结语

综上所述，当同一基础承台或筏板下基桩刚度相差过大时，为避免出现基桩和基础之间应力集中的现象，保证基础的安全性和可靠性，可在需要调整竖向刚度的基桩顶部设置桩顶褥垫层，并对基桩顶部纵筋进行细部处理，以在调整基桩竖向刚度的同时，保证基桩纵筋的耐久性和与基础协调变形的能力，理论分析及实际工程监测结果均能满足国家相关规范的要求。

参考文献

[1] JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] POULOS H G, DAVIS E H.Pile foundation analysis and design[M].New York:Wiley Press,1980.

[3] 潘时声.桩的刚度计算[J].岩土工程学报, 1996, 18(1)：1-6.

[4] JGJ79-2012 建筑地基处理设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[5] GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6] JGJ 8-2016 建筑变形测量规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.