桩伴侣新作——桩伴侣对高教授《高层建筑桩基础的安全度与可靠性评价》一文的赘述和定性解答 [复制链接]

桩伴侣新作——桩伴侣对高教授《高层建筑桩基础的安全度与可靠性评价》一文的赘述和定性解答 hc1N~$3!G  
2000年，高大钊教授在《21世纪高层建筑基础工程》一书中发表了《高层建筑桩基础的安全度与可靠性评价》一文。在文章中，通过对沉降控制复合桩基安全度的分析，指出复合桩基安全度的变化规律，进而提出以下问题： yr6V3],Tp  
（1）为什么桩先于地基土趋向于极限状态？在什么条件下可能出现相反的趋势？ <[phnU^ 8  
（2）在调用了地基土潜力的条件下，如何评价与控制复合桩基的整体安全度？如何选取整体安全系数的容许值？是取桩基础原来的安全系数容许值2.0，还是取天然地基的安全系数容许值2.5，还是取其他的控制值？ @oNXZRg6  
（3）在研究复合桩基承载力极限状态设计时，如何评价与控制局部安全度？局部安全系数的物理概念是什么？ ?(PKeq6  
（4）在复合桩基的沉降控制过程中，是否需要明确承载力控制的约束条件？在沉降与承载力，技术与经济之间如何进行优化？ nu^436MSOa  
接着，文章通过对《建筑桩基技术规范》中复合桩基安全度的分析，指出其与沉降控制方法整体安全系数接近，但两者桩和地基土的局部安全系数都相差较大，认为关键是对地基土承载力发挥程度的假定不同所致，进而又提出了两个问题： JVJMgim)0  
（1）如果承台底土阻力确实能充分发挥，则传统的桩基设计方法的实际安全度比复合桩基控制的整体表观安全系数要大，那么复合桩基的安全系数仍取2是否意味着桩的实际安全度比传统的设计方法降低了？如果降低过多是否合适？因此，是否需要适当增大表观安全系数的容许值以控制实际安全度不致降低过多？ j [a(#V{  
（2）如果承台底土阻力不能充分发挥，那么实际安全度将低于表观安全系数，降低的程度与承台底土阻力的发挥程度有关，因此需要研究影响承台底土阻力发挥的条件以及承台底土发挥程度与实际安全度变化的关系。在没有确实的把握充分发挥承台底土阻力是，就不能完全考虑这一项的承载能力，否则将降低桩基础的实际安全度水准。是否需要在实际桩基工程的设计计算中考虑承台底土阻力的发挥程度？ VQs5"K"  
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桩伴侣新作——桩伴侣对高教授《高层建筑桩基础的安全度与可靠性评价》一文的赘述和定性解答 K}y f>'O  
2000年，高大钊教授在《21世纪高层建筑基础工程》一书中发表了《高层建筑桩基础的安全度与可靠性评价》一文。在文章中，通过对沉降控制复合桩基安全度的分析，指出复合桩基安全度的变化规律，进而提出以下问题： yauvXosX  
（1）为什么桩先于地基土趋向于极限状态？在什么条件下可能出现相反的趋势？ ]|@^1we  
（2）在调用了地基土潜力的条件下，如何评价与控制复合桩基的整体安全度？如何选取整体安全系数的容许值？是取桩基础原来的安全系数容许值2.0，还是取天然地基的安全系数容许值2.5，还是取其他的控制值？ "4Nt\WQ  
（3）在研究复合桩基承载力极限状态设计时，如何评价与控制局部安全度？局部安全系数的物理概念是什么？ )+^+sd  
（4）在复合桩基的沉降控制过程中，是否需要明确承载力控制的约束条件？在沉降与承载力，技术与经济之间如何进行优化？ ?0.NIu,,o  
接着，文章通过对《建筑桩基技术规范》中复合桩基安全度的分析，指出其与沉降控制方法整体安全系数接近，但两者桩和地基土的局部安全系数都相差较大，认为关键是对地基土承载力发挥程度的假定不同所致，进而又提出了两个问题： 5G#n"}T  
（1）如果承台底土阻力确实能充分发挥，则传统的桩基设计方法的实际安全度比复合桩基控制的整体表观安全系数要大，那么复合桩基的安全系数仍取2是否意味着桩的实际安全度比传统的设计方法降低了？如果降低过多是否合适？因此，是否需要适当增大表观安全系数的容许值以控制实际安全度不致降低过多？ ("@!>|H  
（2）如果承台底土阻力不能充分发挥，那么实际安全度将低于表观安全系数，降低的程度与承台底土阻力的发挥程度有关，因此需要研究影响承台底土阻力发挥的条件以及承台底土发挥程度与实际安全度变化的关系。在没有确实的把握充分发挥承台底土阻力是，就不能完全考虑这一项的承载能力，否则将降低桩基础的实际安全度水准。是否需要在实际桩基工程的设计计算中考虑承台底土阻力的发挥程度？ Y2TtY;  
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由于点了复合桩基与变刚度调平的死穴，桩伴侣又被岩土论坛禁止发言了，请大家帮忙将该文的内容传播一下。或者到以下论坛： Sdo-nt  
另外，考虑到管桩经常难以压到预定标高，整个场地长短不一，这正好用做桩伴侣的“止沉”桩，这时，桩竖向承载力的发挥就是要不一样的。参见拙作《带伴侣的桩极限承载力数值分析及讨论》。 Ef\-VKh  
桩伴侣是桩基与复合地基的组合，桩伴侣是通过改变桩顶与基础底板的距离实现基础底板的沉降调平，而通过削弱边桩角桩来实现变刚度调平就极大地增大了楼房整体倒塌的风险，大楼房不能只靠中间的桩顶着，那岂不成了耍杂技？！

1桩与地基土趋向于极限状态的次序 %>yL1BeA4  
为什么桩先于地基土趋向于极限状态？在什么条件下可能出现相反的趋势？ ' QG?nu  
前一个问题可由宰金珉教授提出的“塑性支承桩——卸荷减沉桩”概念来完整理解，这也是由形成复合地基的必要条件（如6倍以上的桩距/桩径比、摩擦桩等）决定的，本文也尝试给出回答： u, ff>/1  
这是由于桩与上层地基土到达极限状态时，两者所对应的沉降量不同造成，地基土到达极限状态的沉降值比桩到达极限状态的沉降值大得多，在外力的作用下，地基基础发生沉降，达到一定的沉降量后，桩与桩端地基土先进入承载力极限状态，随着荷载和沉降的增大，上层地基土后进入极限状态，地基基础彻底破坏。 {ax:RUQxy  
为更好地回答后一个问题，本文引入一典型的复合地基沉降量-反力曲线示意，参见图1，图中桩的点荷载与土的面荷载折算为相同的量纲，为便于说明和理解反力的叠加，将常用的承载力-沉降量(P-S/Q-S)曲线的物理意义进行了适当调整，承载力即桩或土对上部荷载产生的反力，不同的沉降量对应相应的反力。不改变桩的数量等其他条件，仅仅调整桩与土的受荷次序，可进一步得到图2的沉降量-反力曲线。由于施工扰动、回弹、固结沉降等原因，地基土在不同程度上均存在反力滞后的情况，地基土与基础底板接触而无附加应力，脱离严重时甚至产生负摩阻力，必然是桩先到达极限状态；但如果采取一些构造措施，比如桩顶或桩端预留沉降净空[7][8][9][10][11][12]，当该净空足够大，则可能出现相反的趋势，上层地基土先到达极限状态。桩端预留沉降净空类似于桩端沉渣，施工和质量控制难度较大，应用桩伴侣则可以较为方便地实现桩顶预留沉降净空。 /z!%d%"  
SBpL6~NW  
图1 复合桩基的沉降量-反力图 ;gkM{={`p  
Fig. 1 Settlement-Load 9x8fhAy}4  
Q8NX)R  
图2 调整受荷次序的沉降量-反力图 a#4?cEy  
Fig. 2 Settlement-Load ig!+2g  

2  复合桩基竖向承载力安全度的评价与控制 ^c<Ve'-
 
承台（作用于地基土）与群桩中各单桩几乎同时达到极限荷载的可能性微乎其微，因此，复合桩基的整体安全系数不应当由单独承担荷载的桩基安全系数与天然地基安全系数进行简单的加法运算得出。以图1的数据为例，如取桩与土的极限承载力均为700，对应于该极限值，桩与土的沉降分别是7与44；如果上部荷载为400，则桩的安全系数Kp与土的安全系数Ks均为1.75，复合桩基整体安全系数K=Kp+Ks=3.5。如果整体安全系数仅仅是桩与土安全系数的加法运算，那么，由于桩的数量等条件完全一样，仅仅改变了桩土的受荷次序，图2中桩与土分别延迟受力的两种情况的整体安全系数也都是3.5。 %4H%?4  
然而，当荷载达到极限1400时，图2中工况1-3所对应的沉降值分别为31，43，62，由于沉降量是判定承载力的基本依据，沉降值不同则说明三种工况的极限承载力也应当不同，极限承载力不同则整体安全系数也不同，陷入矛盾之中。 8Wx=p#_  
复合桩基理论所无法解释的悖论在于如果用桩量可以从0到桩基础的用桩量之间任意调整，那么设计的安全系数或可靠度也可以任意调整，2+2=4是对的，2+2=3也是对的；更大的矛盾还在于相同用桩量的情况下，简单地改变桩与土承载力的发挥程度就能人为改变安全系数，而承载力的发挥程度却是随外力的改变处于不断地变化之中。 .]u/O`c]  
由于地基土的参与，复合桩基整体的承载力-沉降曲线出现明显拐点后不再持续陡降，而是能继续保持承担更大荷载的能力（类似于钢筋的强化，但钢筋强化阶段的应力仅作为强度储备），在利用强化阶段承载力的情况下，岩土工程师对于极限承载力的判定具有了很大的“自由裁量权”，也面临很大的道德风险和执业风险，尤其是对于在天然地基承载力满足条件下的“减小沉降桩”，这一概念使得复合桩基的整体安全度更加不确切。中国建科院地基所刘金砺[13]、迟铃泉[14]等人有关变刚度调平设计的一系列文章中，列举了类似的例子。通过变刚度调平设计，桩的数量发生了变化，与此同时，单独承担荷载的桩基安全系数发生了变化，这是否意味着变刚度调平设计减小用桩量是以复合桩基竖向承载力整体安全系数的降低为代价呢？ pb}*\/s  
本文认为：高大钊教授提出的“在调用了地基土潜力的条件下，如何评价与控制复合桩基的整体安全度”的问题，在当前工程常规类似设计构造、施工工艺的条件下无正解，即使能够精确计算出与工程实际相符的沉降值，也无法准确判断出工程的实际安全度或极限状态，在不同的工程之间更无法横向比较其可靠度，或者建立相对统一的可靠指标。  &HW9Jn  
但当采取桩伴侣或其他构造措施使桩预留净空从而明确地基土的发挥程度，则可以使该问题得到较好的解答。例如图2桩预留净空延迟受力的工况2，可将沉降量为35之前的变形视作对地基土的预压，预压荷载为施工阶段逐渐施加的上部结构，产生的应力即分担的荷载大约为500，之后桩开始参与工作，在承载能力迅速由500提高到1300的过程中沉降量仅增加5，这种荷载大量增大而沉降量却几乎不增加的状况可形象地称为“止沉”。“止沉”的思路减小了土承载时变形大的弊端，可最大限度地利用土的承载能力，又充分发挥了桩在线性工作阶段变形小的特点，使建筑物的后期使用阶段沉降很小。 Ie_wHcM<  
由于将前期地基土的沉降视作是上部结构的预压，而且预压固结之后承载力还能进一步提高，因此，评价带伴侣桩的整体安全度可只考虑桩的线性阶段，之后的“强度硬化”阶段承载力作为储备。对于图2中桩预留净空延迟受力的工况2，可将极限荷载取为1300，安全系数为2时带伴侣桩的承载力标准值为500+(1300-500)/2=900。 \Z/@C lCm  
相对于复合桩基来说，带伴侣的桩对于桩的类型、桩距桩径比等没有严格的限制，适用范围更广泛；需要说明的是图2桩预留净空延迟受力工况2的沉降-反力曲线并不光滑，是一种典型的端承桩的情形，实际工程中受桩端持力层、预留净空的大小、方式等影响，曲线将逐渐上移、有所平滑，特别是对于仅有极小预留净空（向上的刺入量）带褥垫层的复合地基，随着褥垫层的减薄或密实度增大，其沉降-反力曲线已趋于光滑。 6'/ #+,d'  

3  局部安全系数以及更多安全系数的的评价与控制 aOp\91  
高大钊教授提出了复合桩基中桩和天然地基局部安全系数的概念，即桩与土各自的极限承载力与各自分担荷载的比值，对于常规复合桩基，桩的局部安全系数随着桩数的减小趋于1，土的局部安全系数则始终比桩的局部安全系数大若干倍。从前文的分析中，不难理解产生桩与土局部安全系数不同的原因仍然是由于桩与上层地基土到达极限状态时所对应的沉降量不同，局部安全系数也能反映出两者到达极限状态的次序。 r&CiSMS*  
对于带伴侣的桩，由于地基土的沉降可视作是竣工前的预压，使地基土更加密实，原来的天然地基成为人工预压地基，承载力得以提高，应当重新评价地基土的承载力和安全度。对于图2中桩预留净空延迟受力的工况2，极限荷载取为1300时桩的局部安全系数为2，人工预压地基的局部安全系数仍然极高 K-4PI+qQ\  
除了局部安全系数，本文再讨论一些其他的安全系数，对这些安全系数的解释说明包含了对高大钊教授其他问题的回答： dH!*!r>  
3.1   后期使用安全系数 C]6O!Pb0  
定义：竣工时的沉降量与竣工后后期增加沉降量的比值为后期使用安全系数。 )e{aN+  
引入后期使用安全系数的概念主要是为了避免仅考虑竖向承载力却忽视由于地基土的长期蠕变而影响后期正常使用。仍以图2的三种工况为例，给定竣工后的荷载为700，装修使用后的荷载为900，三种工况在反力为700时的沉降量分别为4，36，5；反力为900时的沉降量分别为11，37，25；竣工后增加的沉降量分别为7，1，20；则三种工况后期使用安全系数分别为0.6，46，0.25。桩预留沉降的后期使用安全系数明显高于另外两种工况。 5+vaE 2v  
3.2   水平承载安全系数 mt .sucT  
定义：上部结构传来的总水平荷载与桩土极限水平承载力的比值为水平承载安全系数。 @]j1:PN-  
引入水平承载安全系数的概念主要是为了扭转岩土工程界长期以来重竖向、轻水平的风气，避免设计、施工人员在对待低承台桩基承受水平、地震荷载上时存在的侥幸心理和麻痹大意，导致抗水平荷载能力极低管桩的滥用，间接导致了类似2009年6月27日上海市闵行区整体倾倒的13层楼房的工程事故。韩小雷等提出由于高层建筑地下室的施工，大多数都要做基坑支护或做外防水层，一般都有基坑回填的问题，因此很难提供较大的侧限力，而且，在地震反复荷载作用下，回填土的残余压缩变形会逐渐增大，实际上地下室外壁有可能会与周围土体脱开而使侧限力为零，在遭遇较大地震时，根据“松土振密、密土振松”的常识， 桩承台周围很难存在稳定的土层，最终的水平荷载几乎仍完全需要桩与地基土来承担。 r@V!,k#S  
桩伴侣的应用可以极大地改善水平荷载下桩身的应力状态，提高水平承载能力，具体可参见作者的其他拙作——《非典型高承台桩基与带伴侣的桩工作性状比较》、《水平荷载作用下带伴侣的桩工作性状数值分析》等（尚未正式发表）。 Psf#c:*_)  
3.3   个别安全系数 @dKTx#gZ  
定义：群桩中的个别桩或个别区域作用的外部荷载与其所能承受的极限承载能力的比值，包括竖向和水平或其组合。 s<Ziegmw|g  
导致场地中各区域的个别安全系数不同的根本原因在于荷载与反力的离散型，主要有以下几个方面： d=(mw_-
?  
(1)上部结构荷载，包括竖向和水平荷载； _)8s'MjA:&  
(2)场地不均匀； uT"rq:N  
(3)施工质量与工艺； 4dlGxat  
(4)设计时各桩或区域安全系数不同。 It(_v  
整体安全系数满足，但个别安全系数如果偏低，有可能发生局部个别区域的失效，进而导致反力重分布，引起连锁反应，导致更大区域甚至是整体的破坏，应当引起重视。 j%kncGS  
拿变刚度调平优化设计来说，通过削弱边桩角桩、加强中桩固然使得基础底板（筏板）的沉降趋于均匀，然而在调平筏板沉降的同时，却极大地降低了边桩、角桩区域的个别安全系数。为了便于理解，可以拿一个生活中的例子来说明——椅子，为了坐得稳当，椅子腿通常尽量放到椅子的外缘，以提供更大的抗倾覆弯矩，这是生活常识，极少数非常个性、并不实用的椅子才将椅子腿放在椅子的中间。在地震等水平荷载的作用下，则可能产生瞬时的微小倾斜，如果边桩、角桩的局部承载力偏低，将使倾斜逐步累加，中间的桩承载能力再高对于抵抗倾斜的作用也很小，支撑高楼大厦不是耍杂技，削弱边桩、角桩极大地增大了发生整体倾覆的风险。 %EH)&k  
利用桩伴侣技术来解决基础底板（筏板）调平则可以一举三得，而且非常方便： &~CI<\o P  
(1)可均匀布桩、甚至局部加强边桩、角桩，增大抵抗整体倾覆的能力； N7"W{"3D  
(2)在此基础上，适当调整桩顶与基础底板的距离，即边桩、角桩预留沉降大一些，中桩预留沉降小一些就可以实现变刚度调平； L0,'m
S  
(3)桩伴侣还增大了基础底板的刚度。 2G7Wi!J  
因此，带伴侣的桩也被称为“变刚度调平桩”。 @{Q4^'K"  

4  结    语 {)XTk&"  
（1）在一定程度上解决了精确计算沉降量的难题后，复合桩基、变刚度调平设计等技术得到了较大地研究、应用和发展，并进入了国家规范，然而，由于上述技术仍然沿袭常规桩基础或桩筏基础的构造，在减小用桩量的同时不可避免地对竖向承载的安全系数产生影响，使该安全系数具有了可变性和任意性，给岩土工程师带来了很大的道德风险和执业风险。 K?;DMUSY\  
（2）地基基础的设计并非只有总的竖向承载力和筏板沉降内力两个控制因素，除此之外，对于后期使用、水平荷载以及个别部位的提前失效也应同步、统筹考虑，对此，带伴侣的桩（变刚度调平桩、桩伴侣）可能是个较优的选择，希望引起业界的重视，争取得到工程应用实践的机会。 uRvP hkqm  
';CNGv -  

用桩伴侣止沉解决管桩高低不一（承载力不一）、变刚度调平产生的不把椅子腿放边上、整合复合桩基与复合地基，也许，桩伴侣真的是对的。 BmT!aue  
薛江炜 F9PxSk_\9  
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现在下载还有付钱？ [g,}gyeS(  

房价必然会降，因为大家最终只需要个小盒子甚至连小盒子都用不着。现在的房价比秦始皇时代便宜得多，将来技术进步了房价还会更便宜，例如采用桩伴侣技术可以使房屋寿命提高一倍以上，造价降低一倍以下。 zDp2g)  
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太原理工大学