基桩竖向承载力三个问题的浅析
提要：本文结合《桩规》（08版）、（94版）新旧规范的调整，现行其他设计规范与《桩规》（08版）间的关联，简要阐述单桩竖向承载力特征值计算时所用安全系数K的取值、基桩负摩阻力及桩身轴心受压承载力计算三个方面的问题，并提出自己的一些思考。
关键词：安全系数K、负摩阻力、桩身轴心受压承载力
一、引言：
近年来，随着我国经济的高速发展，尤其是大基建、房地产等大体量高层建筑的崛起，建筑工程对地基基础的要求也越来越高。桩基础因具有良好的各向承载力（抗压、抗拔、抗水平）、刚度大沉降小、可靠度高且能在各种复杂地质条件下施工成型等优点，在复杂工程中得到了大量应用。桩基试验数据的积累、研发技术的进步以及施工机械能力的提高，桩基的设计理论、计算方法、桩的种类及施工工艺等都在迭代更新。本文结合规范对桩基设计中常见的三个问题进行浅析，分别为单桩竖向承载力特征值计算时所用安全系数K的取值、基桩负摩阻力及桩身轴心受压承载力的计算。为表述明确，本文中假定基桩=单桩，桩基满足《桩规》（08版）5.2.3条的规定，不考虑承台效应。
二、安全系数K的取值：
在《桩规》（08版）中，单桩竖向承载力特征值采用安全系数法确定，5.2.2条表述为“单桩竖向承载力特征值应按下式确定：Ra=1/K*Quk,式中Quk为单桩竖向极限承载力标准值；K为安全系数，取K=2。”，其中Quk由土的支撑阻力确定，通常采用静载试验确定，也可先由经验参数估算得出，再通过静载试验进行验证。但在《桩规》（94版）中，单桩竖向承载力特征值采用抗力分项系数法确定，计算公式根据“静载试验法”和“经验参数法”做出区分。5.2.2.1条“静载试验法”的计算公式表述为“当根据静载试验确定单桩竖向极限承载力标准值时，基桩的竖向承载力设计值为R=Quk/γSP，式中Quk释义同上文；γSP为桩侧阻端阻综合阻抗力分项系数。”。根据《桩规》（08版）5.2.1条条文说明，在《桩规》（94版）实施时，可知“Sd≈1.25SK，式中：Sd为基本组合的作用效应设计值，SK为标准组合的作用效应设计值。”，故R≈1.25Ra。结合《桩规》（94版），可推算得出γ’=1.25γ，式中γ’为特征值对应的分项系数（自定义），γ设计值对应的分项系数，γ=γsp。《桩规》（94版）表5.2.2可得出下表：
桩基竖向承载力抗力分项系数 | 桩型与工艺 | γ（γ’） | 静载试验法 | 相对的代表值 | 设计值 | 特征值 | 预制桩、钢管桩 | 1.60 | 2.00 | 大直径灌注桩（清底干净） | 1.60 | 2.00 | 泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩 | 1.62 | 2.03 | 干作业钻孔灌注桩（d≤0.8m） | 1.65 | 2.06 | 沉管灌注桩 | 1.70 | 2.13 | | | |
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由于大部分桩基均通过静载试验来确定桩参数，且表5.2.2中“经验参数法”的γ比“静载试验法”的γ更大，本文中不再列举“经验参数法”的比值对比。从上表看出，泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩、干作业钻孔灌注桩（d≤0.8m）、沉管灌注桩的特征值对应的分项系数γ’均大于2，即K＞2。所以，《桩规》（08版）略降低了桩的安全度。不过《桩规》（08版）实施时，荷载效应基本组合分项系数由1.25提高至1.35（以永久荷载控制的情况）、钢筋和混凝土强度设计值的降低以及大部分桩基均要求采用静载试验，也使得桩基承载力安全度有所提高。
在桩基整个施工过程中，对于安全等级不低于二级、设计等级不低于乙级的基桩，需要进行桩基施工前试桩检测及施工后的工程桩检测。施工前试桩检测的目的是为设计提供必要的设计参数以及验证成桩工艺的可行性，施工后检测的目的是为验收提供依据。检测时施工单位往往会要求设计明确最大加载量以及检测方法，根据相关要求，承载力的检测一般采用静载试验法，此种方法的可靠度较高，检测所用的最大加载量Qmax会取为由经验参数估算的Quk，为Ra的两倍。再根据《桩规》（08版）5.2.2条,计算得出桩的承载力特征值。笔者认为此种取法一般情况下是安全可靠的。但当桩周存在液化土层时，由于地震的发生会导致该土层侧阻的降低甚至消失，静载试验却无法反映地震工况导致的不利影响。
在这种情况下，应将Qmax做相应的折减调整才可确定Ra。因此，对下式做必要调整可得桩周存在可液化土层条件下常见类型桩用静载试验法确定单桩竖向极限承载力时其特征值、标准值与最大加载量的关系如下：Ra=1/2*QUK=1/2*[Qmax -Σ（1-ψLi）Qisk]。另外在地面进行桩基静载试验时，由于桩顶标高与地面标高间的土层也会对桩侧产生阻力，Qmax需考虑这一部分侧阻，并在计算Ra时扣除。
三、负摩阻力：
负摩阻力产生的根本原因在于桩土间的相对沉降，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，满足一定条件的情况下应计入桩侧负摩阻力。《桩规》（08版）中对于负摩阻力的计算分摩擦型桩和端承型桩两种情况按不同的公式计算，在负摩阻力计算前首先要确定属于哪种类型的桩，但在规范里对于如何按受力状态分类没有很明确的区分方法，结构专家对于此也没有统一的解释。为安全起见，笔者认为可按照侧阻力与端阻力比例以70%为界进行区分，即端阻力达到总阻力的70%时，可认为是端承型桩，其余为摩擦型桩。
在工业建筑设计中，考虑到负摩阻力中性点深度不确定性、厂房地面堆载不确定性、地下水位多变性和工程设计简便性等诸多因素，桩周土负摩阻力标准值可直接取与正摩阻力标
准值相同，同时群桩效应系数偏安全取1.0。而对于民用建筑，基本都带有地下室，会存在土方超挖的情况。在挖方区，可通过比较超固结程度和水位极限变化幅度来考虑是否需要考虑负摩阻力。如在沉降稳定的场地，挖方约5米（天然重度按17-19考虑），相当水头（1.7~1.9）*5=8.5~9.5米，则水位极限变化幅度在8.5米内时，可以认为超固结程度的回弹影响大于水位极限回落变化引起的沉降影响，不考虑地下水位回落引起的负摩阻力。
在桩基设计时，考虑基桩负摩阻力后，要注意以下几个问题：1、不考虑承台效应，即不考虑承台底部土层对承载力的有利作用，甚至部分低承台会由于土的沉降较大变成高承台。2、验算桩身强度时，应注意桩的最大轴力在中性点位置，不在桩顶。若采用桩顶轴力进行强度验算，需将桩身混凝土强度及配筋均适当增大。3、要在基础设计时增强桩基的整体刚度，减小不均匀沉降，大沉降及不均匀沉降会导致基础梁与地基土分离，带来极大的安全隐患。对于地面回填土，也应采用素土或灰土进行分层夯实，分层厚度不大于300mm，压实系数不应小于0.94。
采用静载试验进行桩基检测时，一般会采用慢速维持荷载法，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试桩加载至设计预估的最大加载值Qmax，然后分级卸载到零。每级加
载为设计预估最大加载值的1/10，第一级加载按2倍的分级荷载施加，一般总加载时间会在1~2天左右。由于加载时间较短，欠固结土层还未发生大于基桩的沉降，暂不会引起下拉荷载，而是以“正摩阻力”的形式出现。所以在计算Qmax时，应对上述“正摩阻力”的影响给予考虑，可按本层桩周土的极限侧阻力标准值来进行考虑。
随着对基桩负摩阻力的深入研究，发现下列措施可以用来降低甚至消除负摩阻力的不利影响：
1、欠固结土层换填、强夯或注浆处理：当土层埋深较浅且厚度不大时，可对其挖出换以好土，从而达到减少土体自身沉降的效果。当土层埋深较沈或土层较厚时，可对其进行强夯挤淤、土层注浆，使土层快速固结。当土层固结完成后再进行桩基施工，该方法处理时间较长，人工成本较高，适合于处理范围较小的桩基。
2、桩身处理：负摩阻力的考虑均在桩身中性点以上的范围，可采用特种沥青涂在中性点以上的桩侧表面，当土层与桩发生相对沉降时，涂层会发生剪切变形来降低桩侧的负摩阻力。这是目前被认为降低负摩阻力最有效的方法。
3、成桩工艺处理：在桩位处预先成孔，孔径可取为桩径的1.5~2倍，再进行桩基施工。对于预制桩，宜采用锤击打入法施工，中性点以上的桩侧采用钢护筒隔离土层或在桩与孔腔间灌入膨润土泥浆，隔离欠固结土层达到减小负摩阻力的作用。此法也可用于灌注桩。
四、桩身轴心受压承载力计算：
在计算桩身受压承载力时，假定桩身受压承载力极限值Ru=Quk，根据《桩规》（08版）5.8.2条条文说明，推导出Rp（桩身受压承载力设计值）=1.35Ra。可理解为与《地规》（11版）3.0.6.4条表述为“对由永久作用控制的基本组合，也可采用简化规则，基本组合的效应设计值Sd可按下式确定：Sd=1.35Sk，式中：Sk为标准组合的作用效应设计值。”一致,保持了同样的可靠度，均是通过简化规则来进行的计算。
在《荷规》（12版）3.2.4条表述为“对由永久荷载效应控制的基本组合，永久荷载的分项系数取1.35。”。列公式Sd=1.35SGk+1.4*0.7*SQk≥1.2SGk+1.4*SQk，得SGk/SQk≥2.8时，永久荷载效应起控制作用。所以SGk/SQk≥2.8时，基础设计时可采用简化规则计算基本组合的效应设计值，1.35对应《荷规》（12版）中的基本组合分项系数为永久荷载1.35，可变荷载0.98（可变荷载的组合值系数取为0.7，为大多数民用建筑组合值系数）。
