《武汉工程大学学报》  2012年2期 44-49   出版日期：2012-03-10   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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中欧规范关于基桩承载力确定方法的比较


0引言　　规范是工程设计的灵魂，系统性地研究掌握国外标准规范，是企业跨出国门走向海外市场的第一步，是增强国际竞争力的关键；同时修订与完善国内现行规范，必须借鉴与吸收国际标准的先进经验.欧洲规范是一套用于建筑和土木工程设计与施工的欧洲标准，由欧洲标准化委员会（CEN）编制.这是各成员国的经验与研究的结晶，也是CEN技术委员会250（CEN/TC250）及国际科学技术机构专业技术的结晶，代表了结构设计的世界级标准.欧洲规范由10卷欧洲结构设计标准组成，每卷包含若干分册.综合涵盖所有主要建筑材料、主要结构工程领域以及各种结构类型等的设计、施工、使用与维护等规则与规定［1-4］.　　EN1997为欧洲规范第7卷，由EN1997-1:岩土工程设计与EN1997-2：场地勘察与岩土试验两部分组成.3种设计方法是EN1997-1的核心内容，基桩承载力的确定是3种设计方法的典型应用，也是与我国岩土工程设计规范较大差异所在，对其设计原理、计算公式以及计算精度进行深入研究，并与国内规范设计方法对比分析，其结果可供涉外工程技术人员及国内规范修订时参考.1欧洲规范EN1997-1设计原理　　EN1997-1的主要设计思想是极限状态设计，规范中要求明确区分承载力极限状态（ULS）和正常使用极限状态（SLS），使用不同的计算方法验算ULS和SLS.而传统的岩土工程设计通常对于ULS和SLS使用同样的破坏分析计算，只是使用较大的全局安全系数限制结构变形，从而满足SLS要求.对于正常使用极限状态，EN1997-1沿用EN1990的规定，即验算时，分项系数取10；对于承载能力极限状态，EN1997-1采用DA1(Design Approach)、DA2和DA3 三种设计方法［5］.
11 岩土（GEO）和结构（STR）的破坏　　检查地层和结构中出现破坏或过度变形的极限状态时，必须满足以下不等式：　　　　Ed≤Rd(1)　　式（1）中，Ed为所有作用效应的设计值，Rd为对应地层或结构抗力设计值.12作用的设计效应　　作用效应是作用本身、土体特性和岩土参数的函数.可将作用的分项系数作用于：　　a作用的代表值FrepEd=E{γFFrep,Xk/γM,ad} (2a)　　b作用效应E       Ed=γEE{Frep,Xk/γM,ad}(2b)　　式(2)中，γF为作用的分项系数，γM为材料特性分项系数，γE为作用效应分项系数，ad为岩土参数的设计值.13设计抗力　　地基抗力为地基强度Xk、作用Frep和岩土参数的函数.若需获得抗力的设计值Rd，可将分项系数用于土体特性（X）或抗力（R），或同时作用于二者：　　Rd=R{γFFrep,Xk/γM,ad}             (3a)　　Rd=R{γFFrep,Xk,ad}/γR(3b)Rd=R{γFFrep,Xk/γM,ad}/γR                    (3c)　　式(3)中，γR为地基抗力分项系数.143种设计方法　　a设计方法1　　使用分项系数的两种组合分别检查设计中土体和结构的破坏情况.对于非桩与锚固结构：　　组合1：A1+M1+R1　　组合2：A2+M2+R1　　对于桩和锚固结构设计：　　组合1：A1+M1+R1　　组合2：A2+（M1或M2）+R4　　当各分项系数集合的某一组合起决定作用时，设计不需计算其它组合.通常，岩土工程“尺寸确定”由组合2控制，而结构设计则由组合1控制.　　b设计方法2　　设计方法2中将分项系数集合的单一组合用于地层和结构承载能力极限状态的检查计算.　　组合：A1+M1+R2.　　岩土作用和结构所承受或结构所施加作用采用相同的分项系数值.地层抗力以及作用（DA2）或作用效应（DA2*）也采用分项系数.　　c设计方法3　　设计方法3将各分项系数集合的单一组合用于检查地层和结构承载能力极限状态的计算.　　组合：（A1或A2）+M2+R3.15EN1997-1桩基设计分项系数　　根据作用组合计算ULS荷载Fc,d，作用组合遵循一般形式的分项系数法，即用于永久或瞬时设计条件的组合，偶然状况和地震条件的组合.　　可以通过静载试验，土体试验结果或根据动荷载试验确定基桩承载力设计值Rc,d.　　表1给出了附录A中适用于永久和瞬时状况下使用3种设计方法进行桩基设计的分项系数集合.设计方法1和2计算土体抗力时，对土体参数作用等于10的分项系数，而对抗力作用大于10的分项系数.相反，设计方法3计算土体抗力时，对土体参数应用大于10的分项系数，而对抗力应用等于10的分项系数.
表1桩设计的分项系数集合
Table 1Sets of partial factors for pile design
设计方法结构作用岩土工程作用土体抗力DA-1组合1
组合2A1
A2M1+ A1
M2+ A2M1+R1
M1+R4DA-2A1M1+ A1M1+R2DA-3A1M2+ A2M2+R3对于偶然和地震设计状况，使用通常等于10的作用分项系数形成作用组合.欧洲规范7未建议偶然状况下抗力分项系数的取值.通常采用等于10的值.有关地震条件下桩设计的抗力分项系数值，见欧洲规范8第5部分［6-7］.第2期李元松，等：中欧规范中基桩承载力确定方法的比较
武汉工程大学学报第34卷
2基桩承载力确定21根据静载试验确定基桩承载力设计值　　根据静载试验确定桩基设计承载力的步骤如下：a根据式（4）由实测抗力Rc,m确定特征值Rc,k　　Rc,k=Min{Rc,m，mean/ξ1，Rc,m，min/ξ2} （4）　　式（4）中，ξ1和ξ2为与所试验桩数量n有关的相关系数.附录A中给出相关系数的推荐值.　　b如果联接桩的结构刚度和强度能将荷载从弱桩传递至强桩，可将ξ1和ξ2的值除以12，但应保证，ξ1≥10.　　c桩承载力的设计值Rc,d　　Rc,d=Rc,k/γt 或Rc,d=Rb,k/γb+Rs,k/γs　　运用DA1和DA2桩荷载试验结果和表A6、A7和A8中给出的分项系数γt或γS和γb的推荐值，计算永久和瞬时条件下的Rcd.DA3不适用于桩荷载试验情形，因为使用荷载试验结果时直接对特征抗力Rc,k或Rs,k和Rb,k作用分项系数，而DA3对土体强度参数作用分项系数.22利用土体室内试验计算基桩承载力设计值　　可以使用基于土体试验结果预测桩的承载力，但前提是这些方法已通过桩荷载试验和类似经验得到验证.　　欧洲规范7介绍两种程序考虑土体变异性：　　第一种程序，称为“模型”程序，使用土体试验结果计算模型桩的承载力.此程序与静载试验类似，该程序也对计算承载力作用系数ξ，以考虑桩承载力的变异性.　　第二种程序称为“备选”程序，即首先将土体试验的结果进行综合保守评估，然后，在不作用系数ξ的情况下，基于保守评定结果估算不同地层中桩端和桩身抗力特征值.
221模型桩程序　　1）根据土体剖面试验结果，确定承载力计算值Rc,cal：　　Rc,cal=Rb,cal+Rs,cal（5）　　式（5）中，Rb,cal和Rs,cal分别为桩端和桩身抗力的计算值.　　2）确定特征值Rc,k、Rb,k和Rs,k：Rc,k=(Rb,k+Rs,k) =
　　　 (Rb,cal+Rs,cal)/ξ=Rc,cal/ξ=
　　　Min{Rc,cal,mean/ξ3;Rc,cal,min/ξ4}  （6）　　式（6）中，ξ3和ξ4是取决于土体剖面试验数量n的相关系数，分别作用于：　　a）平均值：(Rc,cal)mean=(Rb,cal+Rs,cal)mean=
(Rb,cal)mean+(Rs,cal)meanb）最小值：(Rc,cal)min=(Rb,cal+Rs,cal)min　3）如果连接桩的结构刚度和强度足以将荷载从弱桩传递至强桩，可将ξ3和ξ4的值除以11，但应保证，ξ3≥10.　　4）承载力设计值：　　Rc,b=Rb,d+Rs,d=Rh,k/γb+Rs,k/γs　　使用模型桩设计程序时，可同时运用DA1和DA2，以及附录A中给出的永久或瞬时状况的分项系数γs和γb的推荐值.模型桩程序不适用于DA3，其原因与根据桩荷载试验得出承载力时相同，即模型桩程序包括对抗力作用分项系数，而DA3对土体强度参数的特征值作用分项系数.
222备选程序对于备选程序，欧洲规范7允许直接根据土体参数值确定承载力特征值Rb,k和Rs,k：　　Rb,k=Abqb,k　　Rs,k=∑iAs，iqs，k，i             （7）　　式（7）中，qb,k和qs,k,i分别为不同地层中单位面积的桩底和桩身抗力特征值，选用合适的方法和土体参数值计算.　　使用DA3进行桩设计时，直接按照以下计算模型输入土体强度参数的设计值Xd，从而导出承载力设计值Rc,d：　　Rc,d=Rb,d+Rs,d=Rb,cal(Xd)+Rs,cal(Xd) 23根据动力试验确定基桩承载力设计值　　根据动力试验确定基桩承载力程序与前述室内试验程序相同.按式（7）确定特征值：Rc,k=Min{(Rc,m)mean/ξ5,(Rc,m)min/ξ6} （8）　　式（8）中，Rc,m为动态测量静态承载力，ξ5和ξ6为与所试验桩数n有关的相关系数.附录A给出其推荐值.应注意的是，不同动测结果使用不同的ξ值.　　按式（8）计算设计承载力：　　Rc,d=Rc,k/γt    （9）　　式（9）中，作用于总抗力的分项系数γt与使用其他方法确定基桩承载力时的分项系数相同.3算例　　实例1：根据静载试验结果确定基桩承载力　　设计欧洲大桥深基础.垂直永久荷载为31 MN，垂直偶然荷载为16  MN.设计目的在于确定承受荷载所需打入桩（长555 m）数量，设计之前需根据以下一组静载试验结果确定基桩承载力特征值：Rm1=140 MN，Rm2=144 MN，Rm3=121 MN，Rm4=139 MN.　　a按欧洲规范EN1997-1确定　　1）根据EN1997-1规定，使用以下公式计算桩轴向抗力标准值Rk　　Rk=Min{Rm,mean/ξ1，Rm,min /ξ2}　　相关系数取决于桩静载试验次数n.对于n = 4，表A9建议ξ1=110，ξ2=100.　　Rm,mean=136 MN，Rm,min=121 MN　　　　Rk=Min{136/110;121/100}=
　　　　Min(124,121)=121 MN　　2）根据EN1997-1设计方法确定基桩承载力设计值Rd　　DA1组合1，作用附录A中集合A1和R1分项系数：Rc,d=Rc,k/γt=121/10=121 MN　　DA1组合2，作用附录A中集合A2和R4分项系数：Rc,d=Rc,k/γt=121/13=93 MN　　DA2，作用附录A中集合A1和R2分项系数：　　　　Rc,d=Rc,k/γt=121/11=110 MN　　在运用桩荷载试验结果时，不能使用DA3，因其属于“材料系数”［8］法，涉及到使用土体强度参数.　　b按国内规范确定　　根据《建筑基桩检测技术规范》中443条规定：参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的30 %时，取其平均值为单桩竖向抗压承载力标准值.R=Rm1+Rm2+Rm3+Rm44=
14.0+14.4+12.1+13.94=13.6 MN
Rmax-RminR=14.4-12.113.6=16.9%＜30%　　    所以单桩竖向抗压承载力标准值R=136 MN.　　单桩承载力特征值：Ra=RK=13.62=6.8 MN　　显然，按中欧规范计算所得结果，相差较大，EN1997-1计算最小承载力为93 MN，而国内规范计算值为68 MN，相差27 %.其主要原因在于欧洲规范使用较小的分项系数10(DA1组合1)和13（DA1组合2），而JGJ94-2008与JGJ106-2003则对静载试验统计结果作用安全系数2.因此，对基桩承载能力计算，国内规范比欧洲规范保守得多.　　实例2：根据原位试验结果确定基桩承载力　　超固结粘土中打入桩基础，永久荷载特征值Gk=3 900 kN，可变荷载特征值Qk=800 kN.假设涉及区域是均质.桩直径B=400 mm，其设计埋置长度L=13 m.表2给出根据三个土体剖面测得的极限压力P1确定的桩端平均净极限压力值Pl,base和桩身土的净极限压力值Pl,shaft.
表2旁压试验测定桩极限压力
Table 2Limit pressure on the pile by PMT test
旁压试验剖面P1P2P3平均值P1,base/MPa
P1,shaft/MPa098
077078
073081
078086
076按欧洲规范EN1997-1确定基桩承载力　　1）模型桩程序　　对于DA1和DA2，根据EN1997-1规定，基桩承载力特征值Rc,k　　Rc, k=Min{Rcal,mean/ξ3，Rcal,min/ξ4}  　　相关系数ξ3、ξ4取决于所测土体剖面数量n.　　对于旁压试验，应用以下设计标准［3］：　　土体为“A类粘土”，承压（基底）抗力系数k=14　对于桩身抗力，使用设计曲线1，处理结果见表3.
 表3运用PMT法计算基桩承载力值
 Table 3Values of pile resistance by the PMT method
PMT
剖面Rb/
kNRs/
kN（Rb+Rs）/
kNRc,cal=［(Rb+Rs)/γRD］/
kN117249867063821374826195903143503646615最小值590平均值614查表A10，n = 3，ξ3 = 133，ξ4 = 123.假设结构刚度和强度足以将荷载从弱桩传递至强桩，则可将这些值除以11.此时：ξ3= 133/11 = 121和ξ4 = 123/11 = 112，则，桩抗力特征值为：　　Rk=Min{614/121；590/112}=
     Min(507；527)=507 kN　　对计算出的平均桩身和桩底抗力作用ξ3=121，则特征值为：Rb,k=(172/105+137/105+143/105)/(3×121)=143/121=118 kNRs,k=(498/105+482/105+503/105)/(3×121)=471/121=389 kNRc,k=118+389=507 kN　　实例3：根据室内试验结果计算基桩承载力　　3个土体剖面BH1、BH2和BH3试验结果如表4所示.表中给出桩身附近粘土的不排水抗剪强度（cu,shaft）和185m深度处桩端周围粘土的不排水抗剪强度（cu,base）的平均值，据此确定基桩承载力设计值.
表4cu,shaft和cu,base特征值的确定
Table 4Determination of characteristic value of
cu,shaft and cu,base
cu平均值BH1BH2BH3平均值特征值cu,shaft/kPa 5246515047cu,base/kPa3330423532a按欧洲规范EN1997-1确定基桩承载力　　按照公式（9）计算桩的轴向承载力特征值：　　　　R=Rs+Rb（9）　　式（9）中：　　　　Rs=πBLαcu ，为桩身抗力（本例中α=075）；　　　　Rb=(πB2/4)9cu，为桩底抗力.     1）模型桩程序　　对于DA-1和DA-2，根据EN 1997-1的规定：　　　　Rk=Min{Rmean/ξ3;Rmin/ξ4}　　相关系数取决于所测土体剖面数量n；当n = 3时，ξ3= 133，ξ4 = 123.　　运用cu的平均值计算孔底抗压力Rc，然后算出Rmean和Rmin.　　Rc=Rs+Rb=πBLαcu,shaft+(πB2/4)9cu,base=
　　349cu,shaft+ 45cu,base　　因此，　　　　R(BH1)=1 815+148=1 963 kN 　　　　R(BH2)=1 605+135=1 740 kN 　　　　R(BH3)=1 780+189=1 969 kN　　得出　　　　Rmean=(1 963+1 740+1 969)/3=1 891 kN　　　　Rmin=1 740 kN　　　　Rk =Min(1 891/133;1 740/123)=
　　　　Min(1 422 kN;1 415 kN)=1 415 kN　　抗力以最小值为主，表明整个场地土体不排水抗剪强度具有10 %以上的变异性，桩抗力具有10 %以上的变异性.　　2）基桩承载力设计值　　DA1组合1，作用附录A的集合A1和R1分项系数，基桩承载力设计值为：　　　Rc,d=Rb,k/γb+Rs,k/γs=
　　　1 305/10+110/125=1 393 kN　　DA1组合2，作用附录A的集合A2和R4分项系数，基桩承载力设计值为：　　　Rc,d=Rb,k/γb+Rs,k/γs=
　　　1 305/13+110/16=1 073 kN　　DA2，作用附录A的集合A1和R2分项系数，基桩承载力设计值为：　　　Rc,d=Rb,k/γb+Rs,k/γs=
　　　1 305/11+110/11=1 286 kN　　DA3，作用附录A的集合A1和M2分项系数，基桩承载力设计值为：　　对于桩身:　　　cu,shaft,d=cu,shaft,k/γcu= 47/14=336 kPa　　对于桩底：　　　cu,base,d=cu,base,k/γcu= 32/14=229 kPa　　　Rc=349cu,shaft+ 45cu,base=
1 1726+103=1 276 kN　　b按国内规范确定基桩承载力　　1）单桩承载力极限　　根据《工程地质手册》（第四版）中十字板剪切成果整理公式:Qu max=NccuA+U∑ni=1cuiL（10）　　由表3数据可知，cu=47 kPa，cui=32 kPa，Nc按均质土取9，桩长L=185代入式（10），有
Qu max=NccuA+U∑ni=1cuiL=
9×47×3.14×0.824+3.14×0.8×32×18.5=
1 699 kN    2）单桩承载力特征值　　根据《建筑桩基技术规范》单桩竖向承载力特征值应按式（11）确定：Ra=Qu maxK=1 6992=850 kN（11）    按欧洲规范计算基桩承载力设计值最小为1 073 kN,国内规范计算值为850 kN，相差21 %，再一次说明国内规范比欧洲规范保守得多.4中欧规范的异同点　　a《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）确定基桩承载力的方法主要有原位试验法、土体力学参数经验公式法和静力试验法.这与欧洲规范EN1997基本相同，所不同的是欧洲规范原位试验法使用旁压试验，而国内规范采用的是静力触探试验.　　b欧洲规范EN1997-1因对荷载作用或效应、抗力或材料指标作用不同的分项系数，导致同一问题，采用不同的方法时，基桩承载力设计值不同，而国内规范使用统一的安全系数法（k=2），不存在这种现象.　　c欧洲规范确定基桩承载力标准值时，考虑土层特性的变异性与试验次数的统计特性，按统计学方法乘以试验次数相关系数，而国内规范则简单地取试验数据的平均值.　　d欧洲规范统一使用概率极限状态设计法，而国内规范目前仍为安全系数法与概率极限法混用，比如确定上部作用荷载，承台结构设计等使用概率极限法，而对基桩承载力却使用安全系数法.　　e算例计算结果表明，国内规范对基桩承载力设计值的确定，明显比欧洲规范保守，平均相差25 %，有时甚至更大.