5.8 桩身承载力与裂缝控制计算

5.8.1 桩身应进行承载力和裂缝控制计算。计算时应考虑桩身材料强度、成桩工艺、吊运与沉桩、约束条件、环境类别等因素，除按本节有关规定执行外，尚应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010、《钢结构设计规范》GB 50017和《建筑抗震设计规范》GB 50011的有关规定。

Ⅰ受压桩

5.8.2 钢筋混凝土轴心受压桩正截面受压承载力应符合下列规定：
    1. 当桩顶以下5d范围的桩身螺旋式箍筋间距不大于100mm，且符合本规范第4.1.1条规定时：

5.8.4 计算轴心受压混凝土桩正截面受压承载力时，一般取稳定系数φ＝1.0。对于高承台基桩、桩身穿越可液化土或不排水抗剪强度小于10kPa的软弱土层的基桩，应考虑压屈影响，可按本规范式(5.8.2-1)、式(5.8.2-2)计算所得桩身正截面受压承载力乘以φ折减。其稳定系数φ可根据桩身压屈计算长度l_c和桩的设计直径d(或矩形桩短边尺寸6)确定。桩身压屈计算长度可根据桩顶的约束情况、桩身露出地面的自由长度l₀、桩的入土长度h 、桩侧和桩底的土质条件按表5.8.4-1确定。桩的稳定系数φ可按表5.8.4-2确定。

表5.8.4-1 桩身压屈计算长度lc

表5.8.4-2 桩身稳定系数φ

Ⅱ 抗拔桩

5.8.7 钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合下式规定：

5.8.9 当考虑地震作用验算桩身抗拔承载力时，应根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011的规定，对作用于桩顶的地震作用效应进行调整。

Ⅲ受水平作用桩

5.8.10 对于受水平荷载和地震作用的桩，其桩身受弯承载力和受剪承载力的验算应符合下列规定：
    1. 对于桩顶固端的桩，应验算桩顶正截面弯矩；对于桩顶自由或铰接的桩，应验算桩身最大弯矩截面处的正截面弯矩；
    2. 应验算桩顶斜截面的受剪承载力；
    3. 桩身所承受最大弯矩和水平剪力的计算，可按本规范附录C计算；
    4. 桩身正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力，应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010执行；
    5. 当考虑地震作用验算桩身正截面受弯和斜截面受剪承载力时，应根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011的规定，对作用于桩顶的地震作用效应进行调整。

Ⅳ预制桩吊运和锤击验算

5.8.11 预制桩吊运时单吊点和双吊点的设置，应按吊点(或支点)跨间正弯矩与吊点处的负弯矩相等的原则进行布置。考虑预制桩吊运时可能受到冲击和振动的影响，计算吊运弯矩和吊运拉力时，可将桩身重力乘以1.5的动力系数。
5.8.12 对于裂缝控制等级为一级、二级的混凝土预制桩、预应力混凝土管桩，可按下列规定验算桩身的锤击压应力和锤击拉应力：

    3. 最大锤击压应力和最大锤击拉应力分别不应超过混凝土的轴心抗压强度设计值和轴心抗拉强度设计值。

条文说明

5.8.2、5.8.3 钢筋混凝土轴向受压桩正截面受压承载力计算，涉及以下三方面因素：
    1. 纵向主筋的作用。轴向受压桩的承载性状与上部结构柱相近，较柱的受力条件更为有利的是桩周受土的约束，侧阻力使轴向荷载随深度递减，因此，桩身受压承载力由桩顶下一定区段控制。纵向主筋的配置，对于长摩擦型桩和摩擦端承桩可随深度变断面或局部长度配置。纵向主筋的承压作用在一定条件下可计入桩身受压承载力。
    2. 箍筋的作用。箍筋不仅起水平抗剪作用，更重要的是对混凝土起侧向约束增强作用。图30是带箍筋与不带箍筋混凝土轴压应力-应变关系。由图看出，带箍筋的约束混凝土轴压强度较无约束混凝土提高80％左右，且其应力-应变关系改善。因此，本规范明确规定凡桩顶5d范围箍筋间距不大于100mm者，均可考虑纵向主筋的作用。

图30 约束与无约束混凝土应力-应变关系
（引自Mander et al 1984)

    3. 成桩工艺系数ψ_c。桩身混凝土的受压承载力是桩身受压承载力的主要部分，但其强度和截面变异受成桩工艺的影响。就其成桩环境、质量可控度不同，将成桩工艺系数ψ_c规定如下。ψ_c取值在原JGJ 94-94规范的基础上，汲取了工程试桩的经验数据，适当提高了安全度。
    混凝土预制桩，预应力混凝土空心桩：ψ_c＝0.85；主要考虑在沉桩后桩身常出现裂缝。
    干作业非挤土灌注桩(含机钻、挖、冲孔桩、人工挖孔桩)：ψ_c＝0.90；泥浆护壁和套管护壁非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩：ψ_c＝0.7～0.8；软土地区挤土灌注桩：ψ_c＝0.6。对于泥浆护壁非挤土灌注桩应视地层土质取ψ_c值，对于易塌孔的流塑状软土、松散粉土、粉砂，ψ_c宜取0.7。
    4. 桩身受压承载力计算及其与静载试验比较
    本规范规定，对于桩顶以下5d范围箍筋间距不大于100mm者，桩身受压承载力设计值可考虑纵向主筋按本规范式(5.8.2-1)计算，否则只考虑桩身混凝土的受压承载力。对于按本规范式(5.8.2-1)计算桩身受压承载力的合理性及其安全度，从所收集到的43根泥浆护壁后注浆钻孔灌注桩静载试验结果与桩身极限受压承载力计算值R_u进行比较，以检验桩身受压承载力计算模式的合理性和安全性(列于表14)。其中R_u按如下关系计算：

    从表14可见，虽然后注浆桩由于土的支承阻力(侧阻、端阻)大幅提高，绝大部分试桩未能加载至破坏，但其荷载水平是相当高的。最大加载值Q_max与桩身受压承载力极限值R_u之比Q_max／R_u均大于1，且无一根桩桩身被压坏。
    以上计算与试验结果说明三个问题：一是影响混凝土受压承载力的成桩工艺系数，对于泥浆护壁非挤土桩一般取ψ_c＝0.8是合理的；二是在桩顶5d范围箍筋加密情况下计入纵向主筋承载力是合理的；三是按本规范公式计算桩身受压承载力的安全系数高于由土的支承阻力确定的单桩承载力特征值安全系数K＝2，桩身承载力的安全可靠性处于合理水平。

表14 灌注桩（泥浆护壁、后注浆）桩身受压承载力计算与试验结果

续表14

续表 14

    这里应强调说明一个问题，在工程实践中常见有静载试验中桩头被压坏的现象，其实这是试桩桩头处理不当所致。试桩桩头未按现行行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106规定进行处理，如：桩顶千斤顶接触不平整引起应力集中；桩顶混凝土再处理后强度过低；桩顶未加钢板围裹或未设箍筋等，由此导致桩头先行破坏。很明显，这种由于试验处置不当而引发无法真实评价单桩承载力的现象是应该而且完全可以杜绝的。
5.8.4 本条说明关于桩身稳定系数的相关内容。工程实践中，桩身处于土体内，一般不会出现压屈失稳问题，但下列两种情况应考虑桩身稳定系数确定桩身受压承载力，即将按本规范第5.8.2条计算的桩身受压承载力乘以稳定系数φ。一是桩的自由长度较大(这种情况只见于少数构筑物桩基)、桩周围为可液化土；二是桩周围为超软弱土，即土的不排水抗剪强度小于10kPa。当桩的计算长度与桩径比l_c／d＞7.0时要按本规范表5.8.4-2确定甲值。而桩的压屈计算长度l_c与桩顶、桩端约束条件有关，l_c的具体确定方法按本规范表5.8.4-1规定执行。
5.8.7、5.8.8 对于抗拔桩桩身正截面设计应满足受拉承载力，同时应按裂缝控制等级，进行裂缝控制计算。
    1. 桩身承载力设计
    本规范式(5.8.7)中预应力筋的受拉承载力为f_pyA_py，由于目前工程实践中多数为非预应力抗拔桩，故该项承载力为零。近来较多工程将预应力混凝土空心桩用于抗拔桩，此时桩顶与承台连接系通过桩顶管中埋设吊筋浇注混凝土芯，此时应确保加芯的抗拔承载力。对抗拔灌注桩施加预应力，由于构造、工艺较复杂，实践中应用不多，仅限于单桩承载力要求高的条件。从目前既有工程应用情况看，预应力灌注桩要处理好两个核心问题，一是无粘结预应力筋在桩身下部的锚固；宜于端部加锚头，并剥掉2m长左右塑料套管，以确保端头有效锚固。二是张拉锁定，有两种模式，一种是于桩顶预埋张拉锁定垫板，桩顶张拉锁定；另一种是在承台浇注预留张拉锁定平台，张拉锁定后，第二次浇注承台锁定锚头部分。
    2. 裂缝控制
    首先根据本规范第3.5节耐久性规定，参考现行《混凝土结构设计规范》GB 50010，按环境类别和腐蚀性介质弱、中、强等级诸因素划分抗拔桩裂缝控制等级，对于不同裂缝控制等级桩基采取相应措施。对于严格要求不出现裂缝的一级和一般要求不出现裂缝的二级裂缝控制等级基桩，宜设预应力筋；对于允许出现裂缝的三级裂缝控制等级基桩，应按荷载效应标准组合计算裂缝最大宽度w_max，使其不超过裂缝宽度限值，即w_max≤w_lim。
5.8.10 当桩处于成层土中且土层刚度相差大时，水平地震作用下，软硬土层界面处的剪力和弯距将出现突增，这是基桩震害的主要原因之一。因此，应采用地震反应的时程分析方法分析软硬土层界面处的地震作用效应，进而采取相应的措施。