關于管樁設計合理優化的探討

趙宇

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

高樁碼頭結構適用于黏性土、粉土、砂土、碎石土和風化巖等可以沉樁的地基，應優先采用打入樁以降低工程投資，當地基巖面較淺或沉樁困難時方采用嵌巖樁基或灌注樁基。打入樁按抗彎要求選型時，可參考下列經驗：抗彎要求不高，可采用預應力混凝土方樁；抗彎要求較高，沉樁貫入難度不大時，可采用預應力混凝土管樁；抗彎要求較高，沉樁貫入難度較大或樁長較大時，可采用鋼管樁和預應力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁；抗彎要求高或沉樁貫入困難時，宜采用鋼管樁。

樁型應根據使用要求、水文、地質條件、施工條件、環境條件和耐久性等要求，按安全適用、經濟合理的原則選用。目前，管樁已成為高樁碼頭的主力樁型。在南京以下的長江碼頭，靠泊船型和基樁彎矩均較大，現多采用PHC管樁，只有在基樁自由長度很大或水平作用力大的系靠船墩才采用鋼管樁；在海港高樁碼頭中，一般靠泊船型和基樁彎矩很大，多采用鋼管樁，少數采用PHC管樁和大管樁[1]。在樁型選定后，有沒有可能對基樁結構優化，降低樁基造價？本文將就此進行探討。

1 管樁單樁垂直極限承載力計算公式

1.1 鋼管樁單樁垂直極限承載力計算公式

1.1.1 封閉式鋼管樁

封閉式鋼管樁的承載變形機理與混凝土預制樁相同，其承載力的計算可采用與混凝土預制樁相同的模式與承載力參數。混凝土預制樁單樁垂直極限承載力由極限端阻力和樁側各土層極限側阻力的總和兩部分組成，而端阻力理所當然是由樁端全斷面產生的。

依據JTJ 254—98《港口工程樁基規范》[2]，當按承載力經驗參數法確定單樁垂直極限承載力設計值時，應按下式計算：

JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[3]的計算公式和《港口工程樁基規范》實質是相同的。

封閉式鋼管樁（《建筑樁基技術規范》中稱為“閉口鋼管樁”）在實際工程中較少采用，條件合適也可以采用。

1.1.2 開口鋼管樁

開口鋼管樁與封閉式鋼管樁不同，其承載變形機理與承載力隨有關因素的變化比封閉式鋼管樁復雜。這是由于沉樁過程，樁端部分土將涌入管內形成“土塞”。土塞的高度及閉塞效果隨土性、管徑、壁厚、樁進入持力層的深度等諸多因素變化。而樁端土的閉塞程度又直接影響樁的承載力性狀，此為閉塞效應。閉塞程度的不同導致端阻力以不同的模式破壞。一種是土塞沿管內向上擠出或由于土塞壓縮量大而導致樁端土大量涌入，此為非完全閉塞，這種非完全閉塞將導致端阻力降低；另一種是如同封閉式樁一樣破壞，樁端土塞效應系數達0.8（最大值）。管樁單樁垂直極限承載力是由極限端阻力和樁側各土層極限側阻力的總和兩部分組成，端阻力是由樁端土閉塞程度決定，不能按全斷面計算。土塞的閉塞程度主要隨樁端進入持力層的相對深度hb/d（hb為樁端進入持力層的深度；d為樁外徑）而變化，范圍為 0～0.8。

《港口工程樁基規范》規定為提高鋼管樁的樁端阻力和樁側阻力，當覆蓋層較差，且樁端打入良好持力層時，可采用半封閉式或封閉式樁尖。樁徑小于600 mm的開口鋼管樁，當樁尖進入良好持力層的深度大于5倍樁徑時，可認為樁端土的閉塞效應得到充分發揮，單樁垂直極限承載力設計值可按式（1）計算。對于樁徑大于600 mm的開口鋼管樁，《港口工程樁基規范》未給出計算公式，而《建筑樁基技術規范》給出了開口鋼管樁（《建筑樁基技術規范》中稱為“敞口鋼管樁”）的計算公式，可以作為計算依據。如考慮持力層以上土層對樁端閉塞的有利影響，實際樁承載力還比按《建筑樁基技術規范》計算值高[4]。

依據《建筑樁基技術規范》，當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定鋼管樁單樁垂直極限承載力標準值時，可按下列公式計算：

當 hb/d＜5時，λp=0.16 hb/d；當 hb/d≥5時，λp=0.8。

1.1.3 半封閉式鋼管樁

《港口工程樁基規范》未給出計算公式，而《建筑樁基技術規范》給出了半封閉式鋼管樁（《建筑樁基技術規范》稱為“半敞口鋼管樁”）的計算公式，可以作為計算依據。對于帶隔板的半封閉式鋼管樁，應以等效直徑de代替d確定λp，de=d/（n為樁端隔板分割數）。

1.2 混凝土空心樁單樁垂直極限承載力計算公式

先張法預應力混凝土管樁和后張法大管樁都是混凝土空心樁，已廣泛用于港口、市政、橋梁、鐵路、公路、水利、工業與民用建筑等工程中，其中先張法管樁按強度等級分為預應力混凝土管樁（代號為PC）、預應力混凝土薄壁管樁（代號為PTC）和預應力高強混凝土管樁 （代號為HPC）。混凝土管樁本體結構形狀為中空圓筒形，其混凝土各斷面外徑與壁厚宜相等，根據設計要求配設鋼樁尖（開口、半封閉式或封閉式）。

1.2.1 封閉式混凝土管樁

封閉式混凝土管樁（即設置封閉式鋼樁尖的管樁）在實際工程中較少采用，如果條件合適也可以采用[5]，可按《港口工程樁基規范》計算公式（即式（1））計算承載力。

1.2.2 開口混凝土管樁

開口混凝土管樁（即設置開口鋼樁尖的管樁）是普遍采用的型式，《港口工程樁基規范》未給出計算公式。依據《建筑樁基技術規范》，當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定開口混凝土空心樁單樁垂直極限承載力標準值時，可按下列公式計算：

當 hb/d＜5時，λp=0.16 hb/d；當 hb/d≥5時，λp=0.8。

1.2.3 半封閉式混凝土管樁

半封閉式混凝土管樁（即設置半封閉式鋼樁尖的管樁）按理也是可以采用的，單樁垂直極限承載力可按開口混凝土管樁計算公式計算，參照半封閉式鋼管樁以等效直徑de代替d來確定λp，de=d/（n為樁端隔板分割數）。

2 管樁單樁垂直極限承載力計算對比情況

2.1 封閉式鋼管樁或混凝土管樁

封閉式鋼管樁或混凝土管樁在實際工程中基本未采用，均可按依據《港口工程樁基規范》計算公式（式（1））計算，端阻力是由樁端全斷面產生的，相同條件封閉式鋼管樁或混凝土管樁垂直承載力相同。

2.2 開口及半封閉式鋼管樁或混凝土管樁持力層的垂直極限承載力計算結果

選取長江某實際工程的基樁承載力計算指標根據經驗參數法來計算管樁單樁垂直極限承載力，管樁采用PHC管樁和鋼管樁，為了便于比較，只計算其持力層的垂直極限承載力進行對比。該碼頭工程持力層為密實狀細砂，樁側極限摩阻力標準值為125 kPa，樁端極限摩阻力標準值為6100 kPa。

對比計算樁型為鋼管樁、PHC管樁；樁徑為φ1000；樁端進入持力層深度為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m；樁尖型式為常規（開口）、樁尖設一字隔板（半封閉式）、樁尖設十字隔板（半封閉式）。計算成果對比詳見表1和圖1，垂直承載力分項系數取1.45。

表1 φ1000 mm管樁持力層垂直承載力對比表

圖1 管樁持力層垂直承載力設計值與樁端進入持力層深度、樁尖型式的關系曲線

需要說明的是：PHC管樁常用樁尖型式有十字型、圓錐型和開口型3種，應根據地質條件和設計要求進行選用，在實際使用中開口型樁尖使用最為廣泛。開口型樁尖穿越砂層能力強，但擠土效應較其它樁尖型式低，對于上部土層較差但持力層為密實砂層情況，采用樁尖設一字隔板和十字隔板的PHC管樁，理論上是可行的。目前尚無PHC管樁樁尖設一字隔板或十字隔板的工程實例，實際工程中要采用的話應在試樁取得成功后采用比較穩妥。

2.3 開口及半封閉式鋼管樁、混凝土管樁持力層的垂直承載力計算結果對比

1）鋼管樁和PHC管樁持力層的樁側承載力與樁端進入持力層深度均呈線性關系；當hb/d＜5時，鋼管樁樁端承載力與樁端進入持力層深度呈線性關系，而PHC管樁樁端承載力也隨樁端進入持力層深度增加而加大，但非線性關系；當hb/d≥5時，鋼管樁和PHC管樁樁端承載力達到最大，為固定不變值。

2）對相同外徑的鋼管樁和PHC管樁，樁端進入持力層深度相同時其樁側承載力是相同的，而PHC管樁因其壁厚大而產生的樁端承載力比鋼管樁的更大，樁端進入持力層深度越大，鋼管樁和PHC管樁的樁端承載力之間的差值越小。僅從樁承載力而言，PHC管樁優于鋼管樁，同時也說明PHC管樁沉樁難度更大。

3）對相同外徑的鋼管樁或PHC管樁，當樁尖采用一字隔板、十字隔板時（PHC管樁通過特殊鋼樁靴來實現），因樁端土閉塞程度更佳，樁基承載力一般均有一定幅度的提高；樁端進入持力層深度越大，因樁尖采用一字隔板、十字隔板對樁基承載力的影響越小（當hb/d≥5時，設不設隔板樁基承載力均一樣，此時也就沒必要設置隔板）。同等情況下，樁端隔板分割數越大，樁基承載力提高幅度也越大。

3 提高管樁單樁垂直承載力的途徑

3.1 樁尖設置隔板

以前述φ1000 mm鋼管樁樁端進入持力層深度3 m為例，常規鋼管樁持力層垂直總承載力設計值為2398 kN，樁尖設一字隔板、十字隔板的鋼管樁持力層垂直總承載力設計值分別為3055 kN、3456 kN，分別可提高657 kN、1058 kN（或27.4%、44.1%）。由此可見，鋼管樁樁尖設置隔板成為半封閉式鋼管樁，其垂直總承載力設計值得以提高。從前述其它計算對比表看，樁端進入持力層深度越深，其垂直總承載力設計值提高幅度也小，甚至一樣。對PHC管樁，也可通過設置帶隔板的鋼樁靴來提高其單樁垂直極限承載力。

鋼管樁和PHC管樁設置一字隔板、十字隔板等型式的樁尖，雖可提高單樁垂直極限承載力，但其沉樁難度也相應增加，宜通過試樁驗證其承載力和施工可行性（尤其是對PHC管樁），再在工程樁中大量采用方才穩妥。相對而言，鋼管樁設置帶隔板樁尖，對沉樁影響較小，適應性也較好。因鋼管樁的樁尖設置隔板比較容易施工，可作為提高單樁垂直極限承載力的途徑之一。

3.2 采用預應力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁

有的碼頭工程，根據樁的抗彎要求可采用預應力混凝土管樁，而樁承載力又要求管樁進入持力層的長度較大，如采用預應力混凝土管樁，沉樁施工因貫入難度大往往沉樁不能達到設計要求高程，即使達到高程管樁也容易發生破損，工程質量得不到保障。這種情況采用鋼管樁替換預應力混凝土管樁雖然可以解決施工問題，工程質量也能得到保障，但工程投資增加很多。

對于上述沉樁貫入難度較大或樁長較大情況，可采用預應力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁予以解決，混凝土管樁進入持力層適當長度以提供樁端阻力，組合樁下部鋼管樁可以解決基樁沉樁問題，從而確保工程質量。實際工程中已有采用預應力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁[6]。

3.3 采用預應力混凝土管樁與帶隔板樁尖的鋼管樁組成的組合樁

沉樁貫入難度較大或樁長較大時，一般采用預應力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁就可以解決問題。當組合樁的鋼管樁長度大時，其經濟性往往較差，此時增設帶隔板樁尖的鋼管樁以提高樁的承載力，從而實現減短鋼管樁長度，節省工程投資。

無論采用上述哪種方法都能在一定程度提高管樁單樁垂直承載力，也就是說樁長可以適當減短，節省工程投資，從而達到提高其性價比的目的。

4 結語

盡管將JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》直接用于碼頭工程存在適應性問題，但可作為碼頭設計的參考，在有足夠多的實際工程驗證后，其計算公式擴展應用于碼頭工程方才穩妥。

基樁設計是高樁碼頭的主要設計內容之一，既要充分考慮結構安全性和施工可行性，又要兼顧到經濟合理性，因此采用適宜的樁型以及樁結構來協調樁、土關系是設計必須要解決的問題。樁型選定后，必要時可對基樁結構進行合理優化提高其性價比，既降低樁基造價又不致增加太多的施工難度，本文就此進行了探討，并提出了三條解決思路，可供工程建設各方參考。

[1]馮浩.寧波-舟山港西蟹峙石油儲運工程碼頭基樁選型[J].港灣技術，2010（2）：11-16.

[2]JTJ 254—98，港口工程樁基規范[S].

[3]JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[4]王君輝，馮建國，張華平.開口鋼管樁樁基承載力樁端部分計算方法探討[J].水運工程，2012（1）：49-53.

[5]劉文世.港口陸域建筑預應力混凝土管樁設計[J].水運工程，2011（5）：80-84.

[6]趙妍.超長預應力混凝土大直徑管樁在寧波-舟山港鎮海港區通用散貨碼頭建設中的應用[J].港灣技術，2011（1）：26-30.