基于土塞效應的PHC管樁承載力實用計算方法研究

丁 璐 璐

(上海山騁勘察設計有限公司,上海 200000)

0 引言

軟土地區樁型一般有鉆孔灌注樁和PHC管樁。PHC管樁和鉆孔灌注樁相比，具有樁身質量易控制、耐打性好、穿透力強、單位混凝土提供的承載力高、造價相對經濟等優點。故PHC管樁適用性非常廣，不僅適用于一般土層，而且可打入密實的砂層和強風化巖層；同時由于擠土效應和豎向擠壓，樁端承載和樁側摩阻力較灌注樁有所提高。因此PHC管樁已被廣泛應用于機場、碼頭、建筑、道路等工程中[1-3]。

開口管樁的土塞效應是區別于其他樁型最為顯著的特征，對于底端開口的管樁，其承載機理遠比閉口樁復雜。這是因為在沉樁過程中，進入管樁內的那部分土受到管內壁摩阻力作用產生一定的壓縮，直至樁管內土體(土塞)與樁管內壁之間形成足夠大的摩阻力，能夠阻止土體進一步嵌入管內，產生封閉效應，形成土塞。土塞對樁端承載力的發揮以及樁側摩阻力影響顯著。如果依舊按照經驗公式計算單樁承載力必然會造成較大誤差，所以對于管樁的土塞效應研究非常重要[4-6]。

本文在工程實踐的基礎上，考慮土塞的閉塞效應對樁端阻力的增強作用及計算內壁摩阻力時土塞的有效高度對承載力的影響，對采用靜力觸探經驗參數計算PHC管樁承載力的公式進行了修正，修正后計算得到的結果與載荷試驗結果吻合較好。

1 工程概況

寧波某高層住宅，上部結構采用框剪結構，基礎采用樁筏基礎。場地地勢較為平坦，為沖湖積平原區。經過安全性與經濟性多方面的比較，工程擬采用PHC管樁設計方案，樁身混凝土強度C80,設計樁長50 m，樁身進入⑧1層粉質粘土，樁徑為600 mm，壁厚130 mm。

2 試樁結果

為了正確確定單樁豎向承載力特征值，按國標GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范第10.2.16條規定，本工程宜通過靜載試驗預先確定單樁豎向承載力特征值，試樁數量不應少于總樁數的1%，在正常情況下不應少于3根，試樁采用堆載法(慢速維持荷載法)。總加載量為6 600 kN，分級荷載為最大加載量的1/10，其中第一級可取分級荷載的2倍；每級卸載量取加載時分級荷載的2倍。3根試樁結果如表1所示，荷載—沉降曲線見圖1。

表1 單樁豎向靜載荷試驗結果

從圖1看出，三根試樁SZ3號、SZ5號、SZ7號的荷載—沉降曲線呈緩變形，拐點不明顯，未出現明顯的向下轉折段，如果繼續加載，荷載—沉降曲線可能會仍然向下緩慢發展，樁還有較大的承載潛力。按JGJ 106—2003建筑基樁檢測技術規范第4.4.2條確定單樁豎向抗壓極限承載力最大試驗荷載均為6 600 kN。

3 承載力計算

PHC預制管樁承載力可依據JGJ 94—2008建筑樁基技術規范第5.3.5條的規定進行計算。計算公式如下：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)

(1)

式中各參數詳見規范中的規定。

將勘察報告建議的樁側第i層土的極限側摩阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk代入式(1)。由計算結果可以看出式(1)計算得到的單樁承載力與實測值遠低于載荷試驗值，浪費了近一半的承載力，由此可見勘察報告給出的參數過于保守。

靜力觸探試驗(CPT)的探頭貫入過程和預制樁的沉樁施工過程相似，所以CPT探頭阻力成為估算各類預制樁承載力的重要指標[7]。根據行業標準《建筑樁基技術規范》第5.3.3條規定，按地基土對樁的支承能力確定預制樁的單樁豎向承載力設計值時，樁側極限側摩阻力標準值可按下式確定：

粘性土：

ps≤1 000 kPa時：

qsik=ps/20

(2)

ps>1 000 kPa時：

qsik=0.025ps+25

(3)

粉性土及砂土：

qsik=ps/50

(4)

故建議樁側第i層土的極限側阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk如表2所示。將表2的參數代入式(1)。由表4中計算結果得出各樁的單樁承載力與實測值相差近10%。

表2 建議樁側極限側摩阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk

文獻[8]考慮內壁摩阻力的作用，建立了如下修正公式：

Quk=(u1+au2)liqsik+bApqpk

(5)

其中，u1,u2分別為預制樁內壁、外壁的周長；a為土塞效應系數，粘性土、粉土和砂土分別取0.15，0.30和0.40；b為極限端阻力修正系數，取1。其他參數同式(1)。

根據式(5)計算，得各試樁的單樁豎向承載力計算值雖然與實測結果相差不大，但都大于實測值，對實際承載力的估算造成一定的不安全因素(見表3)。

表3 三種方法計算值與實測值對比 kN

4 土塞的閉塞效應及有效高度分析

相比閉口管樁，開口管樁排土量小，對樁周土的擠密效應減弱，且存在土塞與管樁內壁復雜的相互作用。因此，土塞作用使得開口管樁的沉樁性狀比閉口管樁沉樁性狀更加復雜，對打樁性狀和樁的承載力影響非常大。

行業內一般認為，由于土塞的封閉效應，進入管樁內的土塞受到擠密，其承載性能得到強化。

PHC管樁在沉樁過程中，土塞受到的擾動很大，一定高度以上的土柱部分對于土塞承載力的貢獻非常小，上端不能提供摩阻力的一段稱為堆重，下端能提供側摩阻力的高度h稱為有效高度。文獻[7]在計算管樁內壁側摩阻力時未考慮土塞的有效高度，故計算得出的側摩阻力偏大。

陸昭球等[9]對土塞的特性作了研究，認為有效取10倍樁徑為宜，管樁在砂土中的土塞比值h/H在0.22～0.31之間；O`Neill&Raines[10]從荷載傳遞機理分析管樁的土塞h/H可取0.26。本模型綜合以上分析，取h/H=0.25。

于是，在考慮土塞的閉塞效應對端阻的影響及土塞有效高度的前提下，結合式(1)，建立如下修正公式：

(6)

(7)

根據各試樁的土塞參數、試樁處的靜力觸探指標和土層厚度，代入式(6)得到各試樁的承載力計算值，如表4所示。

表4 修正計算值與實測值對比 kN

由表4可知，規范及文獻[10]方法在計算樁端阻力Qpk時，計算值都比本文的計算結果低；而在計算側摩阻力Qsk時，文獻[7]的方法比本文的計算結果高很多；對于總的承載力Quk而言，規范結果明顯偏保守。分析可知：采用規范計算時，忽略了樁內摩阻力及土塞效應對樁端承載力的增強，使得總的承載力過于保守；修正方法雖然考慮了內摩阻力，但未考慮土塞上部土體的擾動，仍采用初始土塞的高度來計算，結果計算值比實測值偏大。

由表4可見，本文的單樁承載力計算值與實測值吻合較好，這是因為式(6)既考慮了土塞的有效高度，同時又考慮了土塞效應對樁端承載力的增強作用。

5 結語

1)勘察報告提出的預制樁側摩阻力標準值和端阻力標準值是偏保守的，這使得按經驗參數法計算的承載力遠小于實測值。故今后在計算單樁極限承載力時，在地質條件與本工程相類似的情況下，可結合靜力觸探試驗結果進行計算。

2)在工程實例中，本文的計算公式更符合實際。規范及文獻[7]的公式未綜合考慮土塞的閉塞效應對樁端承載力的增強作用及計算內壁摩阻力時土塞的有效高度。