PHC管樁豎向承載力確定

劉英克

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

預應力管樁的工作機理比閉口樁要復雜的多，目前對管樁承載力的研究主要集中在沉樁的擠土效應，靜載作用下的土塞性狀研究，包括端阻力、土塞與樁內壁之間的內摩阻力的發揮和分布等方面。

現有的確定單樁承載力的方法很多，這些方法可歸為兩大類。第一類方法，是通過對實際樁進行靜的或動的試驗測定，稱為直接法，如靜荷載試驗和各種的動測方法。第二類方法，是通過其他手段，分別得出樁底端阻力和樁身側阻力后相加求得，無須對樁進行試驗，故稱間接法，也稱為靜力計算法，如：承載力理論公式、經驗公式和原位測試(靜力觸探法、標準貫入度法、旁壓儀法等)[1-6]。

1 試驗段概況及土塞現場測試結果

選擇某高速公路湯莊分離式立交橋（K62+401）作為預應力管樁試驗段。場地所在區域主要為長蕩湖（及錢資蕩）至鬲湖之間的寬廣平原地區，屬于長江三角洲太湖堆積平原區，次級地貌單元為沖湖積平原分區。第四系覆蓋層厚度較大，為沖積、湖積相成因；其中全新統厚度較薄，多為表土層，局部河塘溝谷處分布有淺薄層軟土；上更新統厚度較大，分布穩定，層狀軟土發育，多沖海相沉積，局部厚度較大。試驗地層各層名稱及土性指標見表1。該場地選用直徑600 mm，壁厚110 mm的PHC管樁。樁長15 m，橋墩樁距為1.5 m，橋臺樁距為1.6 m×2.1 m，混凝土強度等級C80，每一根PHC管樁分上、下兩節施工，上、下節長度為7 m、8 m，兩節接頭采用焊接，以上PHC管樁均采用靜壓法施工。

表1 現場土層土性指標表

PHC樁為開口樁，其沉樁過程是一個非常復雜的過程。不僅存在“擠土效應”也存在“土塞效應”。本文著重研究土塞對管樁承載力的影響。隨著沉樁深入，管樁內的土芯不斷被擠密增高，達到一定高度后，即形成了“土塞”[7]。樁端土的閉塞程度對樁端阻力發揮及單樁的承載力有著一定程度的影響。圖1所示為管樁中實測土塞長度分布圖。從圖中可以看出，管樁中的土塞長度為管樁樁長的30%～45%之間，平均約5 m，可見預應力混凝土管樁為擠土樁。由圖2可以看出，實測的土塞長度要比計算所得土塞長度長。

圖1 實測土塞的平均長度（以2號橋墩為例）

圖2 計算與實測土塞長度比較

圖2將實測土塞長度與高應變計算的土塞長度比較，一般高應變分析的土塞長度平均約為2～3 m，約實測土塞長度的50%。所以，我們在對管樁進行承載力計算時，要考慮到管樁在壓樁時土塞所產生的閉塞效應。

2 管樁豎向承載力公式修正

2.1 測試資料

圖3～圖5為現場利用CPT及CPTU測得的各土層靜力觸探指標值及兩者測得指標的對比圖。從圖5中可以看出，兩者之間所測結果趨向基本相同，但是由于CPTU分層較細，所測結果更接近實際狀況。

靜力觸探的雙橋探頭在貫入過程中可分別測得錐尖阻力和側壁摩阻力，與樁有些相似之處，故可根據靜力觸探所測得的資料與靜載荷試樁資料進行對比來計算預應力管樁的極限承載力，但靜探與預應力管樁的工作性狀是不同的，故不能用測得的qc、fs直接作為樁端阻力和樁側阻力，本次用靜探qc和fs指標來估算預應力管樁承載力就是以靜載實驗的成果為依據，利用高應變等所得到的資料，求得試樁各地層的樁側摩阻力和樁端阻力，再利用靜探指標qc與fs樁端阻力與樁側阻力進行相關分析，求得它們間的關系及相關系數，得到用靜探指標計算預應力管樁承載力的方法。

參考《公路橋涵地基與基礎設計規范》[8]、《建筑樁基設計技術規范》[9]及現場靜力觸探內容，可以設預應力混凝土管樁單樁極限承載力的計算公式為：

式中：U為管樁樁身周長，m；li為樁周i層土的厚度；qsik、qc為管樁樁周第i層土的極限側阻和極限端阻；Ap為管樁樁端投影面積；αp為端阻修正系數。

此時，已經考慮了管樁土塞效應的影響，將其放入樁端阻力中去。

2.2 樁側極限側摩阻力標準值qsik的確定

利用靜力觸探指標fs來確定qsik的值時，應考慮各土層的值各不相同，分開來進行計算。本次試驗段的土層共分為5層，最后一層未揭穿，故只有4層。對亞黏性土，砂土進行分析，按照靜載試樁得到的每層土的側摩阻力qsik和靜力觸探指標fs之間的對應關系，用冪指數方程對所得到的結果進行分析，如式（ 2）所示：

圖3 CPT jt1 fs-qc曲線圖

圖4 CPT jt2 fs-qc曲線

圖 5 CPT、CPTU fs、qc(qt)比較

按照式（2）所示的方程形式對亞黏土、砂性土分別進行計算，可以得到這兩類土的樁側極限摩阻力標準值qsik和fs之間的關系為：

式中：a＝7.19，b=0.552.

式中：a＝3.74，b=0.651.

粉質黏土到黏質粉土到黏土：

式中：a＝7.19，b=0.552.

說明：在地表以下一定范圍內的淺層土，由于有效上覆土壓力較小，側摩阻力難以充分發揮，另外樁打入時，使樁表面與周圍土體之間形成較大的間隙，即使土體恢復后，摩阻力也偏小，土層愈硬，偏小越多。故對于淺層土要依據埋藏深度及土性情況做適當的折減。

2.3 估算樁端極限阻力Qpk時，αp、qc的取值方法

2.3.1 qc的取值方法

參考國內外的有關類似的規定，結合《公路橋涵地基與基礎設計規范》（ JTJ D63—2007）[9]，樁端附近靜探錐尖阻力的qc取值方法為：取樁端平面以上4D(D為樁徑)范圍內按土層厚度的探頭錐尖阻力加權平均值qc1，然后再和樁端以下4D范圍內探頭錐尖阻力qc2進行平均。當qc1≥qc2時，即樁端以下土層比上面土層軟，αp此時對樁端承載力起主要作用的是下層 qc2，此時 qc＝qc2。

2.3.2 αp的取值方法

根據現場高應變試驗分析得到的資料，見表2。相關資料顯示：αp的取值與樁端處持力層的性質有關外，還與樁長有關。建議的αp值是樁長和持力層性質的綜合放映，根據上述分析得到的結果并結合其他的工程實踐經驗，建議αp值可按表2選用。

表2 高應變試驗分析得到的αp值

表3為利用修正公式和已有的室內和現場土性參數計算得到的PHC管樁的極限承載力比較。從表中我們得出：利用CPTU資料得到的結果和現場靜載試驗最為接近。

表3 按照此經驗修正公式計算結果

3 結論

通過現場試驗、理論研究等，分析了管樁的承載性能，對管樁單樁的豎向承載力公式進行了修正，得到了如下結論：

a）通過山原法對管樁的土塞進行研究，得到土塞高度達到現場檢測平均高度為5 m左右時，PHC管樁樁端出現閉塞，此時管樁的豎向承載力應考慮管樁土塞對樁端阻力的影響。

b）利用CPTU修正管樁的豎向承載力計算公式為：Quk=Qsk+Qpk=U∑liqsik+αpqcAp， 其中管樁樁側承載力的計算是以靜載結果為依據，用高應變試驗得到的側摩阻力和CPTU所測得的側摩阻力進行相關性分析得到計算式為：qsik=a(fs)b得到：黏土：a＝7.19，b=0.552；砂性土：a＝3.74，b=0.651；粉質黏土到黏質粉土到黏土：a＝7.19，b=0.552。樁端阻力取樁端平面以上4D和以下4D范圍，同時樁端阻力系數考慮了管樁的土塞效應，取1.3。