中歐軟質巖灌注樁豎向承載力設計對比

戴海新，張嵩云，江 義

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

依據港工規范，全風化、強風化軟質巖系指其母巖為飽和單軸抗壓強度標準值frk≤30 MPa的巖石[1]，該類巖石具有軟、弱、松、散等低強度的特點，多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質砂巖等。在軟質巖地質條件下，灌注樁通常較合適、并被廣泛采用。然而，當前對軟質巖中灌注樁的豎向承載力、樁側摩阻力、樁端阻力等方面的研究較少，也不夠深入；軟質巖中樁側摩阻力規范推薦值也較為保守，這可能導致很多工程樁基入土深度較大，造成不必要的浪費。

為了研究軟質巖中灌注樁樁側摩阻力的合理取值，在保證結構安全可靠的前提下尋求較優的樁基入土長度，本文依托某阿布扎比項目，采用歐洲標準(Eurocode 7，以下簡稱歐標)和中國港工規范對灌注樁豎向承載力分別進行計算，并對計算結果進行分析，對比兩種規范的差異性，尋求樁長的合理優化取值。最后，通過現場多種樁基檢測結果對軟質巖地質中灌注樁豎向承載力的設計進行驗證，為工程中類似地質條件下的灌注樁基礎設計提供參考依據。

1 歐標灌注樁豎向承載力設計

1.1 歐標的主要設計思想

歐標的主要設計思想是極限狀態設計，規范中要求明確區分承載力極限狀態(ULS)和正常使用極限狀態(SLS)，使用不同的計算方法來驗算[2]。對于承載能力極限狀態，歐標采用DA1、DA2和DA3共3種設計方法；對于正常使用極限狀態，歐標驗算時分項系數采用1.0[3]。

1.2 結構和土層的破壞

檢查結構(STR)和土層(GEO)中出現破壞或者過度變形的極限狀態時，必須滿足不等式：

Ed≤Rd

(1)

式中：Ed為作用效應設計值；Rd為抗力設計值。

1.3 歐標樁基設計方法

歐標采用分項系數法，根據不同國家的習慣存在DA1、DA2和DA3共3種不同的設計方法。由于本項目所在地位于阿布扎比，通常采用英國有關標準進行水工結構的設計和施工，因此本項目設計選擇英標附錄所采用的DA1進行計算。

DA1根據計算情況的不同，分為“非樁與錨固結構”以及“樁與錨固結構”兩種情況。本文樁基計算僅考慮“樁與錨固結構”的作用組合，其表達式為：組合1：A1+M1+R1；組合2：A2+(M1或M2)+R4；其中：A為荷載產生的作用，M土體強度參數，R為抗力。對應的分項系數見表1。

表1 分項系數

1.4 灌注樁豎向承載力

單樁軸向抗壓承載力按土層參數計算方面，歐標未直接給出具體的計算方法，具體公式參照PileDesignandConstructionPractice[4]進行計算，計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：Rcd為單樁豎向抗力設計值(kN)；Rbd、Rsd分別為樁端阻力設計值(kN)和樁側摩阻力設計值(kN)；Rbk、Rsk分別為樁端阻力特征值(kN)和樁側摩阻力特征值(kN)；γb、γs分別為樁端阻力和樁側摩阻力分項系數；qbk、qsk分別為單位面積樁端阻力特征值(kPa)和單位面積樁側摩阻力特征值(kPa)；Ab、As分別為樁端面積(m2)和樁側面積(m2)；qb、qs分別為單位面積極限樁端阻力值(kPa)和單位面積極限樁側摩阻力值(kPa)；γRd為模型系數。

在進行灌注樁豎向承載力計算時，歐標規定對于計算樁徑有一定程度的折減，當樁徑大于1 000 mm時，計算樁徑為實際樁基-50 mm。

在具體的樁側摩阻力和樁端阻力計算上，對于在無黏性土、砂土以及巖石中的灌注樁有不同的計算公式。鑒于本工程區域地質主要為軟質巖(表層為回填砂，考慮負摩阻力)，本文僅列舉巖石中的樁側摩阻力和樁端阻力計算。

對于巖石地基中的灌注樁，樁側摩阻力qs根據Williams & Pells 方法進行計算，計算公式為：

qs=αβquc

(5)

式中：quc為巖石單軸抗壓強度均值(kPa)；α為巖石單軸抗壓強度折減系數，可根據quc查表得到；β為有關巖石裂縫間距的校正系數，可根據巖石RQD查表得出。

對于樁端在巖石地基中的灌注樁，樁端阻力qb可按下式計算:

qb=Abqub

(6)

式中：qub為樁端阻力(kPa)，根據Kulhawy & Goodman 經驗圖表，樁端阻力qub可由巖石質量指標RQD直接確定。

2 國內行業標準灌注樁豎向承載力設計

2.1 國內行業標準設計思想

JTS 167—2018《碼頭結構設計規范》(以下簡稱中標)為國內港口工程領域樁基設計的現行規范，碼頭結構設計采用抗力分項系數法，按承載能力極限狀態設計，應滿足下式要求：

γ0Sd≤Rd

(7)

式中：γ0為不同結構安全等級的重要性系數，一般水工建筑物為二級，γ0取1.0；Sd為作用組合的效應設計值；Rd為抗力設計值。

2.2 灌注樁豎向承載力計算

當采用承載力經驗參數法確定灌注樁單樁豎向承載力時，具體計算公式如下：

(8)

式中：Qd為單樁軸向承載力設計值(kN)；γR為單樁軸向承載力抗力分項系數，灌注樁γR取1.55～1.65；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，當樁徑大于0.8 m時，以砂土、碎石類土為例取為(0.8d)，d為樁徑(m)；qfi為單樁第i層土的單位面積極限側摩阻力標準值(kPa)；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)；A為樁端截面面積(m2)。

3 工程實例計算對比

3.1 樁力計算

阿布扎比哈里發集裝箱港岸線總長1 200 m，其中800 m岸線已建成，剩余400 m碼頭及后方堆場已完成施工，需要對陸域400 m軌道梁進行延伸設計。軌道梁基礎為樁徑1.2 m的鉆孔灌注樁，灌注樁間距為4 m，共計104根樁。 樁基上部所受荷載有自重、裝卸橋荷載，考慮作用效應組合方式[5]：自重+裝卸橋荷載。分別用歐標和中標對軌道梁樁力進行計算，計算結果見表2。

表2 歐標與中標樁力設計值對比(不考慮樁側負摩阻力)

本工程地質主要以軟質巖為主，軟質巖表層為后期回填的粉砂，由于該層砂為后期回填，土體松散而產生沉降，須考慮其對樁基產生的負摩阻力作用，以鉆孔BH8為例分析計算。參考PileDesignandConstructionPractice，負摩阻力τsneg根據有效應力計算：

τsneg=βσ′vo

(9)

式中：β為有關入土深度的折減系數，當入土深度小于15 m時，β取為0.3；σ′vo為垂直上覆土體有效土壓力(kPa)。

本工程地下水位以上砂層厚度為3.897 m(砂層頂高程高于樁頂1.9 m)，密度為1.9 tm3；地下水位以下砂層厚度為10.010 m，浮密度為0.9 tm3；計算所得回填砂產生的負摩阻力總和為1 372 kN。考慮樁側負摩阻力后樁力計算結果見表3。

表3 歐標與中標樁力設計值對比(考慮樁側負摩阻力)

3.2 灌注樁豎向承載力計算

根據鉆孔地質資料，本工程所在區域巖土層分布較為規律，地層較為單一，表層為后期回填粉砂，松散-中密-密實，其下為軟質巖鈣質巖和粉砂巖。以鉆孔BH8為例，根據歐標計算各土層樁側摩阻力及樁端阻力，計算結果見表4。

歐標計算得到的樁側摩阻力和樁端阻力與中標計算值進行對比，見表5。

表4 土層分布及土體力學參數

注：RQD為巖石質量指標，j為質量因子，巖石質量指標(RQD)和質量因子j的關系參照PileDesignandConstructionPractice確定。

表5 歐標與中標計算各土層樁側摩阻力及樁端阻力對比

由表5可以看出，軟質巖內灌注樁采用歐標計算得到的側摩阻力約為中標推薦值的1.85倍，而采用歐標計算得到的樁端阻力僅為中標推薦值的25%，兩個規范的計算值差別較大。

采用歐標及中標計算灌注樁豎向承載力，其結果對比見表6。

表6 采用歐標與中標計算灌注樁豎向承載力對比

注：歐標組合a指樁端阻力和樁側摩阻力采用不同的分項系數，歐標組合b指樁端阻力和樁側摩阻力采用共同的組合分項系數1.15。

3.3 計算結果對比

根據表6的結果，歐標計算顯示灌注樁在軟質巖中樁側摩阻力占樁基總承載力的比例為95%，占絕大部分，樁端阻力基本可以忽略，具有明顯的摩擦樁特點。中標顯示灌注樁在軟質巖中樁側摩阻力占樁基總承載力的比例為75%，樁端阻力占比為25%，具有摩擦端承樁的特點，兩項占比均很重要。

樁入土長度10.16 m、樁總長度22.2 m時，根據歐標計算灌注樁豎向承載力已滿足設計要求；但根據中標計算，豎向承載力仍不滿足設計要求。當按港工規范豎向承載力滿足設計要求時，樁入土長度需16.86 m，樁總長度28.9 m，按中標計算樁基長度比歐標計算長度長了6.7 m。

4 樁基承載力檢測結果

施工時，灌注樁樁長按22.2 m設計，實際樁尖持力層為-20.3～-19.0 m。樁基檢測采用了5種不同方法分別進行檢測。

4.1 高應變PDA檢測

檢測按照美國材料與試驗協會標準ASTM D 4945-2017進行，采用24 t的自由落體動力錘進行錘擊，最大落錘高度1.75 m。本次檢測共抽檢5根樁，PDA檢測結果表明5根基樁均完整性很好。樁基荷載平均標準值為6 800 kN，要求的試驗載荷為1.5倍的樁基荷載標準值，取為10 200 kN。CASE樁波分析程序(CAPWAP)檢測結果見表7[6]。

表7 CASE樁波分析程序(CAPWAP)檢測結果

表7分析表明，樁基承載力均超過了10.200 MN的要求試驗載荷，滿足要求，這也反映了采用歐標計算所得的樁長22.2 m是合適的。

4.2 樁基自平衡法檢測(Osterberg Cell 法)

表8 自平衡試驗檢測結果

對軟質巖側摩阻力檢測結果進行分析，鈣質巖平均側摩阻力為428 kPa，與歐標計算所得的369 kPa較為接近，這表明現行中標推薦的軟質巖內灌注樁側摩阻力值明顯偏保守。

4.3 靜載試驗

樁基靜載試驗按照美國材料與試驗協會標準ASTM D1143—07進行，加載反力裝置由工字梁和混凝土預制塊組成，采用一臺液壓千斤頂和一個操作泵施加荷載。

樁基荷載平均標準值為6.800 MN，最大試驗載荷為1.5倍的樁基荷載標準值，取為10.200 MN。本次檢測共抽檢3根樁進行試樁，最大加載下的樁基檢測結果見表9[8]。

表9 最大加載下的樁基檢測結果

根據規范要求，在最大試驗載荷條件下最大軸向樁頭位移應不超過12.0 mm，或樁徑的1%，3組試樁軸向樁頭位移均非常小，滿足規范要求。樁基靜載試驗結果表明：采用設計樁長22.2 m是滿足要求和合理的。

5 結語

1)中標和歐標在主要設計思想上是相同的，均采用極限狀態設計，主要區別在于荷載組合分項系數取值不同，造成樁力設計值有所差別。

2) 中標和歐標灌注樁豎向承載力的計算均按照樁側摩阻力和樁端阻力的合力進行，不同之處在于歐標計算軟質巖樁側摩阻力占樁基總承載力的比例更大，樁端阻力基本可以忽略，具有明顯摩擦樁的特點，而中標計算中樁端阻力占樁基總承載力的比例為25%，是不可或缺的一部分承載力。

3)采用經驗公式進行灌注樁豎向承載力計算時，按中標計算值偏保守，這主要體現在兩個方面：①兩個規范在計算時均對灌注樁樁徑有所折減，按國內行業標準的折減系數較小，為(0.8d)(樁徑大于0.8 m)，按歐標為1.15、1.20。②中標軟質巖內灌注樁側摩阻力的取值偏保守，采用自平衡法試樁檢測出的樁側摩阻力遠大于規范推薦值上限。

4)國內行業標準軟質巖內灌注樁側摩阻力的取值偏保守，建議規范在下一次修訂時可以考慮進一步對其進行修正。