中美規范灌注樁單樁抗壓承載力計算對比

巴 蕾,關玉君，劉 杰

(1.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

灌注樁是指在工程現場通過機械鉆孔、鋼管擠土或人力挖掘等手段在地基土中形成樁孔，并在其內放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁。灌注樁配筋率一般較低且適應持力層起伏較大的地質條件，不需要截樁、不設接頭，因此在工程中被廣泛使用。

隨著全球共同發展和“走出去”戰略的實施，國內設計單位承攬了大量的基礎設施建設工程，這就要求設計人員快速掌握并應用不同國家的設計理念和相關規范。同時行業之間也存在一定程度的交叉，比如典型橋梁結構跨海大橋下部的類似碼頭的觀景平臺，或者典型的水工結構人工島附近修建的小型橋梁。對于灌注樁基礎，不同的設計規范之間存在著一定的差異性，如何進行設計以滿足安全性和經濟性的需要，并符合相應國家及行業的規范要求，是一個值得研究的課題。有工程師針對中、美、歐日關于打入樁設計方法的異同，在設計理論基礎、單樁軸向抗壓承載力、單樁抗拔承載力和水平承載力等方面進行了綜合對比分析[1-3]；也有工程師對比了中英規范大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力設計，并通過靜載試驗結果對豎向承載力的設計進行復核[4]。本文針對灌注樁單樁抗壓承載力計算的相關內容，對中國碼頭規范、中國公路規范及美國高速公路規范計算細節進行相應介紹，通過具體項目實例作進一步的對比分析，給出不同規范設計方法的異同，為灌注樁單樁抗壓承載力設計提供參考。

1 中國碼頭結構規范

JTS 167—2018《碼頭結構設計規范》[5](簡稱JTS規范)將樁分為打入樁、灌注樁及嵌巖樁3類。對于挖孔入巖的混凝土樁，若持力層為軟巖(遇水軟化巖層或飽和單軸抗壓強度標準值小于10 MPa的巖層)，樁的承載力宜按灌注樁計算，若為堅硬巖層則按嵌巖樁考慮。

在沒有靜荷載試樁資料的情況下，灌注樁單樁軸向抗壓承載力計算方法由JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[6]中的經驗參數法修正而來，設計值可按下式計算：

(1)

式中：Qd為單樁軸向承載力設計值(kN)；γR為單樁軸向承載力分項系數；U為樁身截面周長(m)；ψsi、ψp為樁側阻力、端阻力尺寸效應系數，當樁徑不大于0.8 m時，均取1.0，當樁大于0.8 m時，按規范取值，與樁徑有關；qfi為單樁第i層土的單位面積極限側摩阻力標準值(kPa)，如無當地經驗值時，可按JTS規范表4.2.8-5取值；li為樁身穿過第i層土的長度(m)；qR為單樁單位面積極限樁端阻力標準值(kPa)，如無當地經驗值時，可按JTS規范中表4.2.8-6取值；A為樁端截面面積(m2)。

由式(1)可以看出，JTS規范對灌注樁的抗壓承載力取了一個整體的抗力分項系數，在計算側阻與端阻時分別計算了對應黏性土及非黏性土的尺寸效應系數。計算須先對地層種類進行劃分，當無當地經驗值時通過查表得到樁基礎端阻和側阻承載力推薦值。通過分析規范表4.2.8-5中不同地層的側阻推薦值可以發現：1)黏性土側阻與土壤液性指數有關，對于相同類別的土層，液限指數越低，土壤側阻越大；2)無黏性土側阻由土壤密實度決定，密實度可由標準貫入擊數或重型圓錐動力觸探擊數衡量，對于相同類別的土層，擊數越高，土壤側阻越大；3) 對于巖石，強風化巖側阻高于全風化巖，硬質巖較軟質巖側阻大。通過分析規范表4.2.8-6中不同地層的端阻推薦值可以發現：各類土體端阻推薦值除了與側阻推薦值相同的相關因素和趨勢外，還與泥面以下樁長有關，樁長越長，端阻越大。

嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力設計值可按下式計算：

(2)

式中：U1、U2分別為覆蓋層與嵌巖段的樁身截面周長；ξfi為樁周側阻力計算系數，與樁徑相關；hr為嵌巖段深度；ξs、ξp為嵌巖段側阻力、端阻力計算系數，與嵌巖深徑比hrd有關；γcs、γcR為覆蓋層、嵌巖段受壓承載力分項系數，嵌巖段的分項系數較大；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值，應根據工程勘察報告提供的數據并結合工程經驗確定。

2 中國公路橋涵地基與基礎設計規范

JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》[7](簡稱JTG規范)中也同樣將灌注樁分為摩擦樁的鉆孔灌注樁和支撐在基巖或嵌入基巖內的鉆(挖)孔灌注樁兩類進行計算。不同的是，飽和單軸抗壓強度標準值小于2 MPa的巖層即為軟巖，樁的承載力宜按摩擦樁計算；大于2 MPa為堅硬巖層，按嵌巖樁考慮。

在沒有靜荷載試樁資料的情況下，摩擦樁的鉆孔灌注樁單樁軸向承載力容許值按式(3)、(4)進行計算，樁側阻計算采用0.5的折減系數，樁端阻計算則是對樁端土處的承載力基本容許值[fa0]根據清底情況、樁端的埋置深度以及它們與樁徑之間的關系做一系列的折減。

(3)

qR=m0λ[[fa0]+k2ρ2g(h-3)]

(4)

式中：λ為修正系數；m0為清底系數，對于透水性土取0.70～0.85，對于不透水性土取0.65～0.71；k2為容許承載力隨深度的修正系數，根據樁端處持力層土類按規范選用；h為樁端的埋置深度；γ2為樁端以上各土層的加權平均密度(tm3)。

當無當地經驗時，各土層側阻標準值同樣通過查表得到，趨勢規律與碼頭規范相似。決定端阻的地基承載力基本容許值有如下規律：1)巖石的容許值與堅硬情況及節理的發育程度有關，越堅硬的、節理越不發育的，容許值越大；2)碎石及砂土地基的容許值與密實度相關，同類土層越密實容許值越大；3)黏性土的容許值與液性指數和天然孔隙比有關，同類土層液性指標越高、孔隙比越大，容許值越低。

支承在基巖上或嵌入基巖內的鉆孔樁的單樁軸向受壓承載力按式(5)計算：

(5)

式中：c1、c2為巖石端阻、側阻的發揮系數，根據清孔情況、巖石破碎程度等因素而定；hi為巖層i的深度；ξs為覆蓋層土的側阻發揮系數，根據樁端的巖石飽和單軸抗壓強度標準值frk確定。

3 美國公路規范

API RP 2A-WSD規范[8]是海上石油平臺及港口領域廣泛認可的國際通用規范，但該規范只給出了打入樁樁基承載力的計算方法，并沒有針對灌注樁樁基承載力的計算描述。AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications[9](簡稱AASHTO規范)是國際橋梁設計界接近領先地位的規范，對打入樁及灌注樁樁基承載力均有詳細介紹。

與國內規范相同，AASHTO規范中灌注樁的軸向抗壓承載力也由端阻和側阻兩部分組成，采用式(6)計算：

RR=φqpqpAp+φqsqsAs

(6)

式中：φqp、φqs分別為樁尖、樁側承載力折減系數，取值參考AASHTO規范表10.5.5.2.4-1；qp為單位樁端承載力(MPa)；qs為單位樁側承載力(MPa)；Ap為灌注樁端截面積(mm2)；As為灌注樁側面積(mm2)。與國內規范不同的是,AASHTO規范將土質分為黏性土、非黏性土及巖石,并分別給出對應的側阻及端阻計算公式。

3.1 黏性土樁基承載力

黏性土的樁側阻力按式(7)、(8)計算：

qs=αSu

(7)

(8)

式中：Su為土層的不排水抗剪強度(MPa)；α為黏性系數；pa為大氣壓強，為0.101 MPa。

黏性土的樁端阻力按式(9)、(10)計算：

qp=NcSu≤3 671 kPa

(9)

Nc=6[1+0.2(ZD)]≤9

(10)

式中：D為樁徑；Z為樁的埋深。

3.2 無黏性土樁基承載力

非黏性土的樁側阻力采用β方法，按式(11)、(12)計算：

qs=βσ′v

(11)

(12)

式中：σ′v為土層中部的豎向有效應力；β為荷載傳遞系數；φ′f為土層的有效內摩擦角；σ′p為豎向有效前期固結應力。

非黏性土的樁端阻力與平均標準貫入擊數N60有關，由式(13)計算：

qp=1.2N60

(13)

qp的值應限制在2 753 kPa以下，除非有荷載試驗給出較大的數值。

3.3 入巖樁基承載力

對于入巖的灌注樁，樁側阻力qs由式(14)計算：

(14)

對于沒有人工支撐無法鉆孔的裂隙巖石，樁側阻力應由式(15)計算：

(15)

式中：C為衰退系數，普通工況下取1.0；qu為巖石的單軸抗壓強度(MPa)；αE為考慮巖石質量指標RQD及巖石節理的折減系數。

如果樁下2倍樁徑深度范圍內的巖石為完整巖石，入巖樁的樁端阻力按式(16)計算：

qp=2.5qu

(16)

如果該深度范圍內的巖石為節理巖石且節理有任意的方向，那么樁端承載力按式(17)、(18)計算：

(17)

(18)

式中：σ′vb為樁端處的豎向有效應力(MPa)；qu為完整巖石的單軸抗壓強度(MPa)；s、a、mb為節理巖石的質量參數，由AASHTO規范表10.4.6.4-4及圖10.4.6.4-1查得，取決于巖石的類別及密實程度、節理的發育情況、巖石表面的情況、不同的施工工藝對土體的擾動情況等。

由式(14)～(18)分析可得：1)對于黏性土，土體的端阻與側阻與不排水抗剪強度直接相關。不排水抗剪強度越高，土體側阻和端阻越高；樁的埋深越深，樁徑越小，端阻越大。2)對于無黏性土，端阻與樁端土層的標貫擊數有關，標貫擊數越大端阻越大；側阻與沿樁身分布土壤的豎向有效應力、有效內摩擦角有關，隨著地層深度增加，土體有效應力逐漸增加，側阻逐漸增加；當土層位于地下水以下時，土壤的有效應力就會有所下降。3)對于巖石基礎來說，完整巖石中樁的側阻與端阻值均隨著巖石單軸抗壓強度的增大而增大；對于節理或是裂隙巖石，單軸抗壓強度越高，巖石質量指標RQD越高，密實度越大，巖石完整度越高，施工對土體的擾動越小，土體的側阻與端阻值越大。

4 規范對比

JTS規范采用極限承載力除以承載力分項系數的形式，在側阻與端阻和的基礎上取了一個整體的抗力分項系數；JTG規范對側阻采用了0.5的折減系數，對端阻的計算則根據影響因素做了一系列的折減，而無固定的折減系數；AASHTO規范對端阻、側阻均考慮了折減系數。各規范分項系數及折減系數的對比見表1，可知JTG與AASHTO兩個公路規范的側阻折減系數相近。

表1 抗壓承載力抗力分項系數與折減系數對比

注：JTS規范抗力分項系數取經驗系數法對應的系數；AASHTO規范同一種土的折減系數會因為不同的研究或經驗公式而不同。

JTS規范與JTG規范計算時依據液限和標貫擊數等，使用查表得到推薦的單位側阻及端阻值進行計算，操作簡單，但受表格中土的分類限制，當遇到特殊地質土時查表受限。JTG規范沒有給出強風化與全風化巖(單軸抗壓強度小于2 MPa)對應的推薦值。AASHTO規范將土質分為黏性土、非黏性土及巖石并分別給出不同的計算公式，計算過程概念明確，充分考慮了土體應力狀態、地下水等因素的作用，通過不排水抗剪強度、標貫擊數和上覆土有效壓力等參數，計算土層的側阻與端阻，更能真實反映土體的應力情況，適用范圍更廣；但相比較JTS與JTG規范，其計算過程相對復雜，需要多種土工試驗測得的相關基本參數。不同規范考慮的影響因素見表2。

表2 側阻及端阻影響因素對比

對于入巖樁，JTS規范將巖石的飽和單軸抗壓強度10 MPa作為軟巖與硬質巖的分界，樁基承載力分別采用灌注樁和嵌巖樁的不同公式進行計算；JTG規范同樣有這個類似的分界，但單軸抗壓強度的分界值為2 MPa。

對于硬質巖的側阻計算，JTS與JTG規范中側阻值為巖石的飽和單軸抗壓強度直接乘以修正系數,AASHTO規范引入了大氣壓強，側阻值是在飽和單軸抗壓強度與大氣壓強的比值基礎上開根號再乘修正系數，因此修正系數比JTS及JTG規范要大很多。

5 工程實例

某觀景平臺為典型的水工結構，采用灌注樁樁基，帽梁上方為預制預應力空心板梁結構，斷面如圖1所示。用3種規范分別進行計算，直觀對比依據各規范計算的設計承載力的情況。

工程地勘報告所給的土體指標見表3，土層從上至下依次為砂質粉土、太平洋淤泥、殘積土、風化巖，所有土層均在平均海平面以下，密度采用浮密度。灌注樁直徑1 600 mm，入土深度30 m。

圖1 觀景平臺斷面(高程：m；尺寸：mm)

表3 土體指標

因工程處于初期階段無靜載荷試驗數據，因此采用經驗參數法進行計算。根據各規范的計算方法和參數，求得相應的樁基承載力見表4。

表4 樁基承載力計算結果對比

注：JTS規范抗力分項系數取中間值；JTS與JTG規范查表得的土體參數值均取中間值；假設灌注樁施工工藝為泥漿護壁鉆孔。

根據各規范樁基抗壓承載力計算結果對比，JTS與JTG規范計算的淺層土體側阻值要比AASHTO規范偏大，而AASHTO規范計算的深層土體側阻計算值更大，這是因為AASHTO規范考慮了豎向有效應力的影響，另外兩個規范淺層與深層土均是用查表推薦值計算。對于樁端土為較軟巖石的鉆孔灌注樁，中美規范計算均表明樁側摩阻力所占比例較大，而樁端阻力所占比例較小，因此這種情況下灌注樁一般可看成是摩擦樁或摩擦端承樁；對于算例選定的樁端土qu為3 MPa巖石的灌注樁，3種規范的端阻占比依次為JTG規范>JTS規范>AASHTO規范，也就是說摩擦樁的效應依次增強。

6 結論

1)JTS規范采用承載力除以承載力分項系數的形式,JTG與AASHTO規范采用承載力乘折減系數的形式，JTS規范的整體安全系數儲備較ASSHTO規范小。

2)JTS規范與JTG規范計算時使用查表得到推薦的單位側阻及端阻值進行計算，操作簡單，但受表格中土的分類限制，當遇到特殊地質土時查表受限。AASHTO規范計算過程概念明確，充分考慮了土體應力狀態、地下水等因素的作用，計算土層的側阻與端阻，更能真實反映土體的應力情況，適用范圍更廣。但相比較JTS與JTG規范，其計算過程相對復雜，需要多種土工試驗測得的相關基本參數。

3)對于入巖樁，JTS規范與JTG規范將巖石分為軟巖與硬質巖，樁基承載力分別采用灌注樁和嵌巖樁的不同公式進行計算;AASHTO規范中沒有這個分界，但樁入巖部分的側阻與端阻計算考慮了巖石的質量指標RQD、節理發育程度、施工工藝引起的土體擾動情況及豎向有效應力等因素，較JTS與JTG規范更為細致精確。

4)樁端土為較軟巖石的鉆孔灌注樁一般可看成是摩擦樁或摩擦端承樁。