中美歐規范鋼管樁抗拔承載力設計對比*

婁學謙，胡興昊，王 幸，陳明杰

(中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230)

隨著全球共同發展和“一帶一路”倡議的提出，中國企業在非洲、東南亞國家和地區承接了大量海洋工程項目，鋼管樁以其施工方便、承載力高的優點得到了廣泛應用。在海洋工程中，因受風浪、系泊力及地震力的作用，在樁基設計時常常更注重抗拔承載力。因此抗拔樁的設計至關重要，在抗拔樁的設計中，抗拔承載力的計算是一項重要內容。

國外海洋工程的基樁抗拔承載力設計主要參照美國石油協會規范API RP 2A-WSD[1]和歐洲規范EN 1997-1[2]，該類規范的綱領性特征明顯，對計算基樁抗拔承載力等巖土工程問題進行了建議、提示和指導。其中，API規范除了提供計算基樁抗拔承載力的一般公式外，還提供了巖土參數的建議值，但由于其中試驗研究經驗的局限性，有學者已對這些規范中的一些內容提出了質疑，例如樁-土摩擦系數經驗取值[3]。而歐洲規范EN 1997-1只提供了一般計算公式，未規定巖土參數取值方法，一般可參考文獻[4]。

本文對API RP 2A-WSD、EN 1997-1、JTS 167—2018《碼頭結構設計規范》[5]、JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[6]等規范中基樁抗拔承載力計算理論基礎和計算方法進行對比，并通過工程案例，對計算參數取值方面的異同進行對比，為類似工程的設計和施工提供參考。

1 樁基承載力設計理論基礎

1.1 JTS 167—2018

關于基樁豎向承載力計算，JTS 167—2018《碼頭結構設計規范》采用極限狀態的基于可靠度理論的分項系數設計理論，根據不同的樁型，分別給出了采用靜載試驗法、經驗參數法計算單樁軸向承載力設計值時所采用的抗力分項系數。

1.2 JGJ 94—2008

關于基樁豎向承載力計算，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》采用極限狀態的單一安全系數設計理論，綜合安全系數K=2，以單樁豎向極限承載力標準值、極限側阻力標準值、極限端阻力標準值、樁的幾何參數為參數確定抗力，以荷載效應標準組合為作用力。

1.3 API規范

API RP 2A-WSD規范中，設計樁基承載力采用安全系數法，按荷載的類型給予安全系數不同的規定值。設計環境條件加最小荷載(拉樁)時，安全系數取值為1.5。

1.4 歐洲規范Eurocode 7

歐洲規范Eurocode 7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)，使用不同的計算來驗算 ULS和SLS。對于承載能力極限狀態，為了適應不同的情況，Eurocode 7采用DA1、DA2和DA3(DA是Design Approach的縮寫)3種不同的分項系數設計方法。每種設計方法涉及 3 組不同的分項系數，分別是作用的(組A)、巖土材料參數的(組M)和抗力的(組R)分項系數。如果巖土材料參數的分項系數大于1，那么抗力的系數就等于1，反之亦然。這樣只對巖土材料參數或抗力應用分項系數，而不是同時應用[7]。

DA1有兩種組合方式。組合方式1是對荷載作用乘以分項系數，巖土材料參數采用特征值進行設計，A1+M1+R1；組合方式2是對巖土材料參數偏于不利的情況，永久作用采用特征值，可變作用乘以略小的分項系數，巖土材料參數除以分項系數，A2+(M1或M2)+R4。

DA2分項系數應用于荷載作用和抗力，計算公式為A1+M1+R2。

DA3分項系數應用于荷載作用和巖土材料參數，計算公式為(A1或A2)+M2+R3。

在非洲，較多國家使用Eurocode 7及英國國家附錄[8-9]進行參數取值，目前英國使用DA1。各方法的分項系數見表1～3。

表1 荷載作用分項系數

表2 土體強度參數分項系數

表3 打入樁的抗力分項系數

1.5 分析比較

JTS 167—2018、Eurocode 7在設計原理上均采用了概率極限狀態設計法，JTS 167—2018的方法與歐標的設計方法1的組合方式1相同，只是在系數的取值上略有差異。JGJ 94—2008與API規范采用了安全系數法，API針對不同的荷載特點采用了不同的安全系數，與概率極限狀態法有所接近。

2 單樁抗拔承載力的計算方法

2.1 碼頭結構設計規范

JTS 167—2018規定，凡允許不作靜載荷試樁的工程，打入樁的單樁抗拔承載力設計值可按下式計算：

(1)

式中：γR為單樁抗拔承載力分項系數，取1.45～1.55；U為樁身截面周長；ξi為折減系數，對黏性土取0.7～0.8，對砂土取0.5～0.6；qfi為樁周第i層土的單位面積極限側阻力標準值，可根據規范中的推薦值選取；li為樁身穿過第i層土的長度；G為樁重力，水下部分按浮重力計；α為樁軸線與垂線夾角。

2.2 建筑樁基技術規范

JGJ 94—2008規定，承受拔力的樁基，其單樁抗拔承載力應滿足：

(2)

式中：Nk為按荷載效應標準組合計算的基樁拔力；Tuk為群樁呈非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標準值，按式(3)計算；Gp為樁自重，地下水位以下取浮重力。

(3)

式中：ui為樁身周長；qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值，可根據規范中推薦的經驗值選取，或通過原位測試法計算；λi為抗拔系數，砂土取0.50～0.70，黏性土和粉土取0.70～0.80。

2.3 API規范

根據API規范規定，計算得到的抗拔承載力不得大于抗壓承載力的側阻力，按式(4)計算。

(4)

式中：Qt為單樁抗拔極限承載力，小于或等于抗壓承載力的側阻部分；d為樁的直徑；f(z)為深度z處的樁側摩阻力。

通過單樁極限抗拔承載力除以安全系數來確定單樁抗拔承載力設計值。計算時，應考慮樁浮重力W，當可以確定時可考慮土塞浮重力G，單樁抗拔承載力設計值可以表示為Qt1.5+W+G，形式上與建筑樁基標準是一致的。

1)黏性土中。

f(z)=αsu

(5)

式中：su為計算深度處的不排水抗剪強度；α為無量綱參數，對欠固結土，α通常可取1.0。

參數α滿足α≤1.0，根據下式計算：

(6)

p′0(z)=ρsgz

(7)

式中：ρs為土的有效密度；z為入土深度。

2)無黏性土中。

f(z)=βp′0(z)

(8)

式中：β為適用于砂土的無量綱參數，API規范[10]給出了不閉塞開口管樁的β值，對全擠土樁(即閉口或完全閉塞開口樁)的值可提高25%使用；p′0為深度z處的有效覆蓋土壓力；對于長樁，f(z)不可能如式(8)所示隨覆蓋層壓力線性增加，在這種情況下，可以將f(z)按API規范限定。

3)巖層中。

只規定了原則性要求，未規定具體的參數或計算方法。

2.4 EN規范

單樁抗拔承載力設計值Rt;d可按下式計算：

(9)

式中：Rt;k為單樁抗拔承載力特征值，應通過靜載試驗得出，也可以基于土體試驗結果計算，但前提是這些方法已通過樁荷載試驗和類似經驗驗證；γs;t為抗力分項系數，可由國家附錄規定，或參考規范的附錄A取值。

EN 1997-1計算單樁抗拔承載力特征值Rt;k時，通過兩種程序考慮土體變異性：

第1種程序稱為“模型”程序，使用土體試驗結果計算Rt;k。與靜載試驗類似，該程序也將計算承載力除以相關系數ξ，以考慮樁承載力的變異性。

(10)

式中：ξ3和ξ4是取決于土體剖面試驗數量n的相關系數，可由國家附錄規定，或參考規范的附錄A取值；(Rs；cal)mean為使用土體試驗結果計算得到的樁側摩阻力極限值的平均值；(Rs；cal)min為使用土體試驗結果計算得到的樁側摩阻力極限值的最小值。

第2種程序稱為“備選”程序，首先將土體試驗的結果進行綜合保守評估，然后基于保守評定結果計算Rt;k。

(11)

式中：qs;i;k為不同地層中單位面積的樁側土摩阻力特征值；As；i為不同地層中樁段的側面積。

如果選用備選程序，γs;t可能需要通過乘以大于1.0的模型系數γRd修正。模型系數可由國家附錄確定，如英國國家附錄規定模型系數取1.4，當通過維持荷載法驗證了極限承載力后，可降為1.2。

因為問題的復雜性，EN 1997并未給出qs;i;k取值方法，已有很多項目參考了《樁的設計與施工實踐》進行取值，式(11)進一步變為：

1)對細粒土。

(12)

式中：αpi為峰值附著系數，值可由圖1估算；F為長度因子，其值可由圖2估計；cui為樁身周圍各土層的未擾動不排水抗剪強度特征值；As;i為提供摩擦力作用的樁身的表面積。

圖1 峰值附著系數與抗剪強度有效上覆壓力的關系

圖2 長度系數與埋置深度樁徑的關系

2)對粗粒土。

(13)

式中：σ′v0為樁側計算深度處有效上覆巖土層壓力；ksi為土的水平土應力系數，取決于土的相對密度和固結狀態、樁的擠土體積、樁的材料和樁的形狀，對打入的大擠土樁、打入的小擠土樁，ksk0取值分別為1～2、0.75～1.25；δf為樁土摩擦角的特征值或平均值。

在正常固結土中，K0隨深度而恒定，取決于土的相對密實度：松散(標準貫入擊數N為0～10)，K0=0.50；中密(標準貫入擊數N為10～30)，K0=0.45；密實(標準貫入擊數N>30)，K0=0.35。

不同界面條件下樁與土的摩擦角值：平滑(涂層)鋼或砂，δf=0.5φ～0.7φ；粗糙(波形)鋼或砂，δf=0.7φ～0.9φ。

3)對軟巖。

對于砂巖、火成巖、部分石灰巖等易碎的粗粒巖石，可以認為打樁使樁身周圍的巖石破碎，形成疏松到中密的砂體，這種情況可以采用適當的Ks和δ參考式(14)計算。如果泥巖和粉砂巖等巖石的風化程度接近黏性土狀，使得獲得原狀樣本成為可能，則風化巖石可視為黏土，參考式(12)計算。

從基礎工程設計角度，采用式(14)估計軟巖層的樁側單位摩阻力。

(14)

式中：σ′ucw為軟巖單軸抗壓強度；b為系數，取值0.2～0.3。

2.5 比較分析

通過土層參數法計算鋼管樁單樁抗拔承載力時，EN 1997-1中未規定樁側單位側摩阻力取值方法；美國API規范規定了黏性土和無黏性土單位側摩阻力計算方法，而對巖層中的取值僅有原則性規定；我國JTS 167—2018規定了土的單位側摩阻力經驗值，沒有巖層中打入樁單位側摩阻力取值的相關規定；JGJ 94—2008規定了土、強風化巖、全風化巖單位側摩阻力的取值建議，更全面、更簡便。

EN 1997-1和美國API規范均規定，抗拔樁側阻取值與抗壓樁側阻取值相同，通過分項系數或安全系數等參數調整安全儲備，JTS 167—2018和JGJ 94—2008的抗拔側阻取值是在抗壓側阻基礎上折減得到，與EN1997-1和美國API規范的理念是相同的，但實際效果略有差異。

3 工程實例

3.1 實例1

實例1是肯尼亞蒙巴薩港某離岸碼頭工程，采用開口鋼管樁作為結構基礎，樁徑1.0 m，壁厚15.4 mm，樁長52.70 m，樁底設計高程-49.00 m，采用歐洲規范進行設計。巖土以黏性土、砂土、強風化到中風化泥巖為主。巖土的物理力學參數見表4。

表4 土層參數

采用BSP CG300液壓沖擊錘施打鋼管樁，樁端沉至-45.01 m，至中風化泥巖后無法繼續貫入，1.2 m錘擊跳高下，終錘貫入度0.8 mm。

因終錘樁端高程與設計樁端高程有較大差距，且該項目鋼管樁受拔力作用，在沉樁后第8 d進行了抗拔靜載試驗，抗拔樁加載分為0～1.0 倍的設計荷載、0～2.5 倍的設計荷載2個循環，設計荷載為1 300 kN。完成前面2次循環加卸載后，樁仍未破壞，后在快速法加載至5 395 kN時樁上拔破壞，荷載-樁頂上拔曲線見圖3。抗拔樁的極限承載力是指土體對抗拔樁提供的極限摩阻力[11]，因此，破壞荷載的上一級荷載減去樁身自重即為樁的極限承載力，為4 840.7 kN，荷載-樁頂上拔曲線見圖3。進行抗拔折減前，各土層的單位樁側阻力見表5，樁的抗拔側阻力結果見表6。

圖3 試樁的Q-s曲線

表5 單位樁側摩阻力 kPa

表6 樁的抗拔側阻力結果

從表 6可以看出，該區域黏性土為主的地層條件下，用JGJ 94—2008進行抗拔極限承載力計算誤差更小，其它幾套規范誤差較為接近。考慮安全系數或分項系數、樁身自重等后，計算單樁抗拔承載力設計值，以歐洲規范的DA1-2組合計算結果最低。參考Piledesignandconstructionpractice或JGJ 94—2008計算打入樁軟巖段的樁側阻力，是可行的。建議參考JGJ 94—2008對本項目樁基設計進行優化。

3.2 實例2

實例2為幾內亞鋁土礦出口碼頭工程，采用開口鋼管樁作為結構基礎，樁徑1.42 m，壁厚21 mm，樁長48.00 m，樁底設計高程-42.00 m。巖土的物理力學參數見表7。

表7 土層參數

采用HHP20液壓沖擊錘進行鋼管樁沉樁施工，在1.2 m錘擊跳高下，終錘貫入度12 mm。為評價樁實際抗拔承載能力和樁的抗壓與抗拔側阻性狀，在沉樁第18 d進行了抗拔靜載試驗，試驗條件下抗拔承載力不低于6 697.6 kN。

進行抗拔折減前，各土層的單位樁側阻力見表8，樁側阻力結果見表9。可以看出，在高塑性黏性土和密實細砂為主的地層條件下，用JGJ 94—2008、API規范進行抗拔極限承載力計算誤差更小，其他2項規范誤差較為接近。考慮安全系數或分項系數、樁身自重等計算單樁抗拔承載力設計值后，歐標的DA1-2組合計算結果最低。建議參考JGJ 94—2008或API規范對本項目樁基設計進行優化。

表8 單位樁側摩阻力 kPa

表9 樁的抗拔側阻力結果

4 結論

1)主要為黏性土的地層中，用JGJ 94—2008計算的抗拔極限側阻力與實測值偏差最小，其它幾項規范誤差接近。主要為黏性土、砂土的地層中，用JGJ 94—2008、API規范計算的抗拔極限側阻力與實測值偏差最小。

2)考慮分項系數、安全系數后計算的單樁抗拔承載力設計值有一定差異，進行樁的抗拔承載力設計時，應充分了解包括外部作用的計算方法、理念，避免對樁的承載力產生誤解。

3)計算案例表明，對國外打入鋼管樁，采用JGJ 94—2008或Piledesignandconstructionpractice進行強風化軟泥巖側阻力取值是可行的。

4)理論上，在計算樁的抗拔承載力設計值時，除計入樁身自重外，還可以計入樁內土塞重。中國規范和EN 1997規范均未考慮土塞重，API規范對土塞重的考慮持慎重態度。此外，土塞的形成程度，不僅影響到樁重，還影響擠土效應，這些均會導致計算值與實測值之間存在較大偏差。

5)EN 1997、API規范對樁側單位面積摩阻力取值方法是比較開放的，在國外樁基工程中，建議充分結合中國規范，以利于設計優化和中國規范的輸出。