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桩长的几个问题讨论
Discussion on several Questions about the Stake Length
刘冬柏 Liu Dongbo 李凤武 Li Fengwu
刘冬柏，湖南省建筑设计院
副院长、教授级高级工程师
1、问题的提出
桩基础具有承载力高，沉降速度慢，沉降量小且均匀，能承受垂直荷载，水平荷载、上拔力及由机器产生的振动或动力作用等特点，因此被广泛应用于建设工程。特别是随着我国高层建筑、大跨度建筑的飞速发展，基础承受的上部荷载越来越大，基础形式中桩基础所占的比例越来越高。我国现行基础设计规范对各类桩基的设计、构造和施工均做出了相关规定，比较好的指导了桩基础的设计与施工。然而，关于桩长的规定并不十分明确，在工程实际中桩长的问题争议较多。例如，有些工程的混凝土预应力管桩桩长仅为3~4m，但进行原位静载实验，桩基的竖向承载力特征值往往可达到设计预估值。有些人工挖孔桩桩长仅为4~5m，深层荷载板试验结果也能够达到设计预估值。按照《建筑桩基技术规范》规定，单桩原位静载实验和深层荷载板试验结果是桩基承载力取值的主要依据。有些设计人员认为符合规范规定的设计原则，桩长不应作为控制指标。上述此类情况，是否不加分析的采用试验结果作为桩基设计的特征值。笔者认为，对于此类端承短桩，若桩端持力层为硬质岩体时，在建筑的寿命期内，桩基可靠度可能满足设计预期目标，但桩端持力层为软质岩（如全风化粉砂岩，页岩）时，其可靠度能否达到设计预期目标，是值得深思的。又例如，某些建筑的场地土上部软弱土层较厚，设计人员为寻找到较硬的桩基持力层，又满足建设方节约投资的要求，选用的人工挖孔桩桩长高达40~50m，给施工带来极大的难度，甚至造成人员伤亡。其设计的合理性值得商榷。本文就竖向荷载作用下的端承桩桩长的几个问题，与同行们讨论。
2、端承桩长度超短的限定
根据我国现行《岩土工程勘察规范》的要求，岩土工程勘察报告必须提供岩土层的参数值。从这些参数中不难发现，同一土层的浅基础承载力特征值和桩端承载力特征值相差4~10倍（除坚硬质岩石外)。一般情况下，特征值是根据地基土的极限承载力除以安全系数得到的设计允许值。极限承载力是地基土丧失整体稳定时的临界荷载。通常可采用太沙基公式或梅耶霍夫公式进行分析计算。该公式计算假定的滑动面形态有浅层滑动面和深层滑动面。桩端极限承载力基于深层滑动面假定的极限荷载理论来确定。如图一所示，左侧的模型为太沙基图式，右侧的为梅耶霍夫图式。从两个图式的破坏形态可以看出其破坏面都在地面以下，
64图1
图2
当桩长小于一定深度时，破坏面会延伸出地面，随着深度的减少，其破坏形态逐渐变为浅层破坏，极限承载力逐渐降低，最后就成了浅层滑动面假定的极限承载力计算模型。如图二所示。深基础与浅基础最大的区别在于上层覆土的作用，土层超过一定深度的深基础的承载力远大于浅基础的承载力，在我国现行的地基基础规范中，计算浅基础承载力时，地基承载力设计值应考虑深度修正系数的影响。足以说明上层覆盖土的作用。但其极限承载力不会一直随着入土深度的增加而增大，而是有一定限度的，当桩的埋深超过该限度时，则桩端极限承载力近乎保持恒量，该限值即为桩的临界深度。不少学者对临界深度进行了深入的研究，提出了一些经验公式。此类经验公式都基于梅耶霍夫极限承载力的理论，以桩长与桩径之比进行描述。工程地质报告中提供的桩端承载力特征值都是超过临界深度的桩端承载力特征值。
对于常用的预应力管桩，施工时常遇到桩长仅为3～4m的情况，而通过静载试验桩基承载力却能够达到设计要求。往往设计人员遵循我国现行的规范进行桩的承载力的确定。严格按照《建筑桩基技术规范》5.3.1条的规定：“设计采用的竖向标准承载力特征值应满足下列要求：1、设计等级为甲级的建筑桩基，应通过单桩静载试验确定；2、设计等级为乙级的建筑桩基，当地质条件简单时，
可参照地址条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定，其余均应通过单桩静载试验确定；3、设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位测试和经验参数确定。” 同时也遵照《建筑地基基础设计规范》第8.5.5条的类似规定，上述规范只要求桩基承载能力以试验为准。在某些特定情况下，盲目照搬规范的条文要求，不加以分析，可能造成工程的安全隐患。3~4m有效桩长的预应力管桩桩端作用在硬质岩体上，桩长对承载力影响可能不大。但桩端作用在软质岩体上（强风化泥质砂岩、页岩）或群桩时，实验结果的承载力虽高，但岩体受到桩端扰动后，地下水必然导致岩体软化，岩土的承载力、粘聚力和内摩擦角降低，桩长又小于临界深度，桩端承载力将会大大降低；假若桩长一些，桩侧摩阻力和桩端承载力共同组成桩基的承载力，桩侧摩阻力占有一定的比例，在端阻力降低的极端情况下其摩阻力的安全储备还可以弥补桩基的实际承载力。当桩长很短时，桩侧摩阻力在承载力中占的比例较小，桩端承载力的降低将会直接降低桩的承载力。其道理类似于2008年的南方冰灾轻钢结构垮塌比混凝土、砌体结构要严重得多的道理。因此，对于桩端位于软质岩体预应力管桩，不能简单的采用原位静载试验的结果作为桩基设计承载力。应考虑桩长的影响。桩长不宜太短，建议不宜小于6m，并应做好桩端的封闭处理，尽量降低岩体可能后期强度降低的影响，并在计算中留有一定的安全储备。
对于常用的人工挖孔灌注桩，桩径是影响桩长的重要因素，当岩层埋藏较浅时，常出现桩长仅为3～4m的情况，其原位深层荷载板试验检验的特征值虽然满足设计要求，但只考虑试验结果，不考虑桩长是值得商榷的。首先讨论深层荷载板试验，深层平板载荷试验可适用于确定深层地基，土层及大直径桩桩端土层在承压板下应力主要影响范围内的承载力。深层平板载荷试验的承压板采用直径为0.8m的刚性板，紧靠承压板周围外侧的土层高度应不少于80cm，从试验方法中可以看出该试验方法和试验条件是要求实验时产生的是一种深层破坏，所得的承载能力才是深基础的承载能力。当桩长较短，如3～4m，桩直径和扩大头较大
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时，如2～3m时，桩的极限破坏形态表现为浅层破坏，与浅基础破坏形态接近，与试验时的深层极限状态差别较大。由于浅基础的承载力远小于深基础的承载力，桩长较短时桩的承载力也会远小于根据规范和试验结果设计的桩的承载力，给结构造成安全的隐患。对于桩基持力层为土层、较软岩和软岩的大直径桩，其最小桩长在我国现行规范中没有明确的规定，仅在《全国民用建筑工程技术措施－结构》第3.11.1条中提到“人工挖孔桩桩长小于6m，且桩长与桩扩大头直径之比不小于3，桩长不满足要求的基础只能按照墩基础进行设计。”的要求。笔者对《技术措施》该条文的理解，它是基于上述土力学的基本概念所给出的一般规定，设计人员宜参照执行。
对于桩基持力层位于硬质岩体上，如中风化以上的花岗岩、石灰岩等，岩石的单轴抗压承载能力很高，与混凝土相差不大，甚至高于混凝土的抗压强度。岩石的浅基础承载力与深基础承载力几乎相同，此时桩基的破坏形态就与太沙基及梅耶霍夫的图式不相同，桩基的破坏表现为局部受压破坏。对于此类桩基础，桩的长度对桩的承载力影响不大，其桩长可以适当减少，但应对局部承压进行分析计算。
3、超长桩的限定
我国现行规范对超长桩的长度的限定给出了一些参考值，例如，《桩基规范》附录A中对常用的各类桩的最大桩长做出限定，这些限定主要是从施工工艺、成桩设备、接头质量和施工人员的安全的方面，根据国内外桩基工程经验总结提炼而给出的参考值，是值得设计人员遵循的。
对于某些建筑的场地土上部软弱土层较厚，因承载力需要桩的长度大时，应根据建筑结构的类型，荷载的性质、桩的使用功能，穿越土层、桩端持力层、地下水位、施工设备、施工环境、施工经验、制桩材料供应等条件，按照安全、经济合理的原则选择合理的桩基形式。例如《桩基规范》第4.1.7条规定“预制桩的分节长度应根据施工条件及运输条件确定；单根桩的接头数量不宜超过3个”。广东沿海地区海相沉积软弱土层较厚，桩基承载力以摩擦力为主，但考虑桩的受力机理和成桩的可靠度，在地方标准《预应力砼管桩规程》中特别将单个桩的接头数量也不宜超过3个作为地方的具体规定。预制桩较其他桩型，桩径相对较小。桩长过长时会使桩的长细比增加，在桩身穿越液化土层或者不排水抗剪强度小于10kPa的软土层时，桩的屈曲影响较大使桩的承载力降低。从预应力管桩的施工和构造角度，考虑到接头随着时间的影响，地下水对接头的侵蚀锈蚀，会造成桩的失效概率增大，桩接头过多时，失效概率进一步增大。因此规范规定预制桩单个桩的接头数量也不宜超过3个。考虑到桩的运输问题，现阶段每节桩长一般都不大于15m，因此预应力管桩的最大桩长不宜超过60m。
对人工挖孔桩，住建部2007年6月24日颁布的659号公告《建设事业“十一五”推广应用和限制禁止使用技术（第一批)公告，规定“人工挖孔桩不得用于软土或易发生流沙的场地。地下水位高的场地，应先降水后施工”。湖南省住建厅相继在安全施工的文件中对此也作出了规定。这些规定主要是考虑到工人下井作业的施工安全，深度过深时通气排气困难，塌孔可能性增大。特别是现在工程中常出现的椭圆形桩，在径向土压力作用下会使护壁产生弯矩，设计不当会造成护壁坍塌的重大事故。南宁市某小区建筑工地2008年8月6日发生人工挖孔桩缺氧窒息，造成3人死亡的重大安全事故。广州市交通运输学校人防地下室工程人工挖孔桩施工时造成4人死亡的重大安全事故。因此规范规定人工挖孔桩长度不宜大于30m。国内有一些工程的最大桩长都曾经超过上述规定。对于此类特殊情况，应对施工工艺和施工人员安全提出有效的保证措施。在保证施工安全百分之一百的前提下桩的最大长度可以适当放松。
对于冲（钻）孔灌注桩，规范规定冲击成孔灌注桩长度不宜大于50m。桩长过长时，容易引起塌孔，缩颈等现象，易造成桩基承载力的假象，因通常我们所做的单承载力试验一般是工程桩总数的1%，因此应严格对每根桩进行桩身完整性检测，以确保结构安全。
4、结束语
在工程设计中，单桩桩长的确定应是桩基设计中的重要组成部分，它涉及到建筑全寿命期内建筑的安全和施工人员的安全，应对下列几类问题引起我们的关注：
1) 预制桩的超短桩应用深基础的极限荷载理论进行充分的分析,校核试桩结果，特别对于遇水软化的岩体作为桩基持力层时，应充分考虑在人工扰动后地基土易软化，承载力会随着时间效应而逐渐降低的因素，桩长不宜小于6m。
2) 人工挖孔桩的桩长，除考虑桩的受力特性外应充分考虑施工人员的操作安全；桩长超过规范提倡的30m以上，对此特殊情况应有详细的施工安全措施和要求。
3) 桩端持力层在坚硬岩体（中风化以上的花岗岩、石灰岩等）的短桩可以不受限制，但桩端嵌入岩体内应有一定深度，确保其稳定性，并进行局部承压验算。
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