樁基承載力計算方法的中英規范對比分析與應用

張瑞棋，諸葛愛軍，黎雙邵

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；3.港口巖土工程技術交通行業重點試驗室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術重點試驗室，天津 300222）

引 言

碼頭樁基礎多采用灌注樁，樁基承載力主要取決于樁長、樁徑、土性、成樁工藝。我國工程師對于采用歐美標準在本地區確定鉆孔灌注樁承載力缺乏工程經驗。

單樁承載力的確定是樁基設計中的首要問題，其承載力的確定方法有多種，國內常用的方法包括豎向靜載試驗、靜力觸探法、經驗參數等方法，國外常用的方法包括豎向靜載試驗、標準貫入試驗估算法等。中國規范對黏土單位面積樁側阻力和樁端阻力標準值主要依據液限，查表所得，對砂土中單位面積樁側阻力和樁阻力標準值主要依據標貫查表所得，是一種經驗參數估算方法。而英標承載力計算方法對黏土主要依據不排水抗剪強度，對砂類土主要依據也是標貫值，另外英標還考慮了上覆土應力、樁土摩擦角等參數，是一種半經驗-半計算方法[1]。國內經驗參數法對鉆孔灌注樁單位面積樁端阻力標準值參數選取比較保守，往往會導致設計樁長增加或樁徑變大，缺乏市場競爭力。本文通過把現場試樁結果與中國經驗參數、英國地基施工規程標準貫入試驗估算結果進行比較分析，發現英國標準估算鉆孔灌注樁單樁承載力更接近現場試樁結果，有助于本地區及國內相同地質條件借鑒。

1 工程地質條件

海外項目常采用英標或美標，安哥拉卡賓達卡約港項目是在原始海岸線上新建一個離岸式碼頭，一期工程泊位長度700 m，包括1個8萬t集裝箱泊位和 1個 6萬t干散貨泊位，結構預留停靠 14萬t集裝箱船的能力。

現場地質勘察按照英國標準，采用標準貫入試驗[2]和室內試驗[3]相結合的方式進行。勘察結果表明，鉆探揭露深度內土層分布較規律，根據現場勘探和原位測試成果，綜合地層的物理特征，對勘探深度內的土體自上而下劃分為：①中砂、②1中砂、②2細砂、③1中砂、③2細砂、③3中砂。

對勘察深度范圍內的巖土層分布特征進行描述如下：

①中砂：灰色、灰褐色，很松～中密狀，局部混少量有機質，局部夾圓礫，級配不良，土質不均，該層分布連續，平均標貫擊數N=6.8擊。

②1中砂：灰褐色、灰白色，中密～極密實狀，混少量粘土，局部夾圓礫，級配不良，土質不均，該層分布連續，平均標貫擊數N=30.4擊。

②2細砂：灰褐色、灰白色，中密～極密實狀，混少量粘土，級配不良，土質不均，該層分布不連續，在BS1孔缺失，平均標貫擊數N=15.6擊。

③1中砂：黃褐色，灰黃色，密實～極密實狀，混少量粘土，局部夾角礫，級配不良，土質不均。該層分布連續，在所有鉆孔揭露，平均標貫擊數N=49.1擊。

③2細砂：灰色，極密實狀，級配不良，土質不均。該層僅在BS4孔揭露，平均標貫擊數N＞50擊。

③3中砂：灰色，極密實狀，級配不良，土質不均。該層僅在BS4孔揭露，平均標貫擊數N＞50擊。

2 現場豎向抗壓靜載荷試驗

本工程引橋樁基礎設計為鉆孔灌注樁，樁徑為1.1 m，樁長34.0 m，工作荷載為6 720 kN。試驗樁護筒直徑1.3 m，護筒長度9.0 m。

根據美國深基礎的軸向抗壓載荷標準試驗方法[4]，靜載試驗分為2個加載循環。第1加載循環加載至工作荷載，第2加載循環加載至2倍的工作荷載。試驗采用自動試驗系統，自動試驗系統可實現荷載的自動加載及持荷，加載油壓，加載荷載以及樁頂沉降均由該系統自動控制級測量。試驗系統采用堆載法進行，反力裝置采用壓重平臺，加壓系統采用4臺500 t千斤頂。

根據地質情況以及樁身結構，試驗樁沿樁身布置11個軸力測試斷面，每個斷面按圓周均勻布設3個應變傳感器，應變傳感器焊接于主筋上，對應變傳感器引線主筋側面布置最后從樁側引出。

根據樁頂位移和豎向荷載繪制Q～S曲線和S～lgt曲線見圖1和圖2。由每級試驗荷載下樁身不同截面處的軸力值繪制軸力分布見圖3。

土對樁的承載力由樁側摩阻力和樁端阻力組成，極限承載力即由樁側摩阻力極限值和樁端阻力極限值之和。對于鉆孔灌注樁側摩阻力和端阻力的發揮程度與樁間土的性狀、長徑比、施工工藝有關，當泥皮過厚時，樁側摩阻力發揮比較小；當樁底沉渣過厚，樁端阻力發揮比較小。

圖1 試驗樁Q～S曲線

圖2 試驗樁S～lgt曲線

圖3 不同荷載下樁身軸力

從圖2和圖3中看到，樁頂荷載14 657 kN時Q～S曲線已明顯陡降，S～lgt曲線尾部向下彎曲，樁頂總沉降量110.05 mm，最大回彈量為13.74 mm，回彈率為12.48 %。綜合判斷單樁軸向抗壓極限承載力為13 679 kN。

根據不同荷載樁身軸力分析，在高程-5.0 m位置處，因護筒直徑比下部樁身直徑大，樁身呈釘形狀，擴徑處產生端阻力，計算樁端阻力時應考慮。綜合考慮，樁側總阻力為10 917 kN，樁端阻力為2 762 kN，樁側阻力占總承載力的79.8 %，樁端阻力占總承載力的20.2 %。

3 理論計算

3.1 根據國內標準計算

依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）[5]估算鉆孔灌注樁極限承載力如下式：

式中：

Quk為單樁極限承載力（kN）；

qsik為樁側第i層土極限側阻力標準值（kPa）；

qpk為樁徑為 800 mm 的極限端阻力標準值（kPa）；

li為第i層土厚度（m）；

u為樁周長（m）。

根據BS4孔勘察資料，按照式（1）進行計算各層土側摩阻力和端阻力見表1。

3.2 根據英國標準計算

依據英國《Code of practice for foundations》（BS 8004:2015）[6]第6.4.1.3.3條標準貫入擊數估算鉆孔灌注樁極限承載力如下式：

式中：

Rt為單樁極限承載力（kN）；

Rs為樁側總摩阻力（kN）；

Rb為樁端阻力（kN）；

hj為土層厚度（m）；

uj為樁周長（m）；

Ab為樁底截面積（m2）。

式中：

Ps,j為第j層土樁側摩阻力（kPa）；

ns,j為經驗系數，取決于土性和樁型，查表12；

Pref為計算常數，取100 kPa；

Nj為未經修正標準貫入擊數。

式中：

Pb,0.1為樁頂位移為樁徑 10 %時，樁端阻力（kPa）；

nb,0.1為經驗系數，取決于土性和樁型，查表12；

Pref為計算常數，取100 kPa；

Nb為未經修正標準貫入擊數。

根據BS4孔勘察資料，按照式（2）～式（6）進行計算各層土側摩阻力和端阻力見表2。

表1 各層土側摩阻力和端阻力計算值

表2 各層土側摩阻力和端阻力計算值

按照式(1)計算試樁極限承載力為11 650.91 kN，其中樁側摩阻力為 9 261.73 kN，樁端阻力為2 389.18 kN，樁側阻力占總承載力的79.5 %，樁端阻力占總承載力的20.5 %。按照式(2)～式(6)計算試樁極限承載力為 1 252.51 kN，其中樁側摩阻力為8 843.46 kN，樁端阻力為3 670.06 kN，樁側阻力占總承載力的70.6 %，樁端阻力占總承載力的29.4 %。

3.3 比較分析

1）比較建筑樁基規范（JGJ 94-2008）參數法和現場試樁結果，樁極限承載力比現場試樁小14.8 %，其中樁側阻力值比現場試樁小1 655.27 kN，樁端阻力比現場試樁值小 372.82 kN。建筑樁基技術規范查表得到的單位面積側摩阻力和單位面積端阻力是基于國內的施工工藝和現場試驗得出的，表格取值比較保守。

2）比較英國Code of practice for foundations估算法和現場試樁結果，樁極限承載力比現場試樁小8.5 %，其中樁側阻力值比現場試樁小2 073 kN，樁端阻力比現場試樁大 917.06 kN，樁側阻力和樁端阻力分別占總承載力的百分比與現場試樁更接近。現場試樁樁端阻力比英國標準貫入試驗估算法小，主要與成樁過程中樁底沉渣厚度有關。

3）將兩種計算結果與現場試樁比較，英國地基施工規程標準貫入試驗估算更接近試樁結果。

4）比較建筑樁基規范參數法和英國地基施工規程標準貫入試驗估算法，當地基土為砂土時，對建筑樁基技術規范樁基極限承載力公式進行修正為Quk=u∑qsikli+λqpk Ap，λ根據砂土分類取值范圍為1.0～2.0。

4 結 論

1）采用英國地基施工規程標準貫入擊數估算鉆孔灌注樁樁極限承載力比現場試樁小8.5 %，英國標貫擊數計算法更接近現場試樁結果。

2）將兩種估算結果與現場試樁進行比較將建筑樁基技術規范樁基極限承載力公式進行修正為Quk=u∑qsikli+λqpk Ap，λ根據砂土分類取值范圍為1.0～2.0。

3）鉆孔灌注樁設計階段，一般很難獲得樁的極限承載力真實值，但可以根據標準貫入試驗，利用規范公式分析和估算其承載力是可行的。