PHC管樁豎向承載力確定

劉英克

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

預(yù)應(yīng)力管樁的工作機(jī)理比閉口樁要復(fù)雜的多，目前對(duì)管樁承載力的研究主要集中在沉樁的擠土效應(yīng)，靜載作用下的土塞性狀研究，包括端阻力、土塞與樁內(nèi)壁之間的內(nèi)摩阻力的發(fā)揮和分布等方面。

現(xiàn)有的確定單樁承載力的方法很多，這些方法可歸為兩大類(lèi)。第一類(lèi)方法，是通過(guò)對(duì)實(shí)際樁進(jìn)行靜的或動(dòng)的試驗(yàn)測(cè)定，稱(chēng)為直接法，如靜荷載試驗(yàn)和各種的動(dòng)測(cè)方法。第二類(lèi)方法，是通過(guò)其他手段，分別得出樁底端阻力和樁身側(cè)阻力后相加求得，無(wú)須對(duì)樁進(jìn)行試驗(yàn)，故稱(chēng)間接法，也稱(chēng)為靜力計(jì)算法，如：承載力理論公式、經(jīng)驗(yàn)公式和原位測(cè)試(靜力觸探法、標(biāo)準(zhǔn)貫入度法、旁壓儀法等)[1-6]。

1 試驗(yàn)段概況及土塞現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

選擇某高速公路湯莊分離式立交橋（K62+401）作為預(yù)應(yīng)力管樁試驗(yàn)段。場(chǎng)地所在區(qū)域主要為長(zhǎng)蕩湖（及錢(qián)資蕩）至鬲湖之間的寬廣平原地區(qū)，屬于長(zhǎng)江三角洲太湖堆積平原區(qū)，次級(jí)地貌單元為沖湖積平原分區(qū)。第四系覆蓋層厚度較大，為沖積、湖積相成因；其中全新統(tǒng)厚度較薄，多為表土層，局部河塘溝谷處分布有淺薄層軟土；上更新統(tǒng)厚度較大，分布穩(wěn)定，層狀軟土發(fā)育，多沖海相沉積，局部厚度較大。試驗(yàn)地層各層名稱(chēng)及土性指標(biāo)見(jiàn)表1。該場(chǎng)地選用直徑600 mm，壁厚110 mm的PHC管樁。樁長(zhǎng)15 m，橋墩樁距為1.5 m，橋臺(tái)樁距為1.6 m×2.1 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，每一根PHC管樁分上、下兩節(jié)施工，上、下節(jié)長(zhǎng)度為7 m、8 m，兩節(jié)接頭采用焊接，以上PHC管樁均采用靜壓法施工。

表1 現(xiàn)場(chǎng)土層土性指標(biāo)表

PHC樁為開(kāi)口樁，其沉樁過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。不僅存在“擠土效應(yīng)”也存在“土塞效應(yīng)”。本文著重研究土塞對(duì)管樁承載力的影響。隨著沉樁深入，管樁內(nèi)的土芯不斷被擠密增高，達(dá)到一定高度后，即形成了“土塞”[7]。樁端土的閉塞程度對(duì)樁端阻力發(fā)揮及單樁的承載力有著一定程度的影響。圖1所示為管樁中實(shí)測(cè)土塞長(zhǎng)度分布圖。從圖中可以看出，管樁中的土塞長(zhǎng)度為管樁樁長(zhǎng)的30%～45%之間，平均約5 m，可見(jiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁為擠土樁。由圖2可以看出，實(shí)測(cè)的土塞長(zhǎng)度要比計(jì)算所得土塞長(zhǎng)度長(zhǎng)。

圖1 實(shí)測(cè)土塞的平均長(zhǎng)度（以2號(hào)橋墩為例）

圖2 計(jì)算與實(shí)測(cè)土塞長(zhǎng)度比較

圖2將實(shí)測(cè)土塞長(zhǎng)度與高應(yīng)變計(jì)算的土塞長(zhǎng)度比較，一般高應(yīng)變分析的土塞長(zhǎng)度平均約為2～3 m，約實(shí)測(cè)土塞長(zhǎng)度的50%。所以，我們?cè)趯?duì)管樁進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，要考慮到管樁在壓樁時(shí)土塞所產(chǎn)生的閉塞效應(yīng)。

2 管樁豎向承載力公式修正

2.1 測(cè)試資料

圖3～圖5為現(xiàn)場(chǎng)利用CPT及CPTU測(cè)得的各土層靜力觸探指標(biāo)值及兩者測(cè)得指標(biāo)的對(duì)比圖。從圖5中可以看出，兩者之間所測(cè)結(jié)果趨向基本相同，但是由于CPTU分層較細(xì)，所測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際狀況。

靜力觸探的雙橋探頭在貫入過(guò)程中可分別測(cè)得錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力，與樁有些相似之處，故可根據(jù)靜力觸探所測(cè)得的資料與靜載荷試樁資料進(jìn)行對(duì)比來(lái)計(jì)算預(yù)應(yīng)力管樁的極限承載力，但靜探與預(yù)應(yīng)力管樁的工作性狀是不同的，故不能用測(cè)得的qc、fs直接作為樁端阻力和樁側(cè)阻力，本次用靜探qc和fs指標(biāo)來(lái)估算預(yù)應(yīng)力管樁承載力就是以靜載實(shí)驗(yàn)的成果為依據(jù)，利用高應(yīng)變等所得到的資料，求得試樁各地層的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，再利用靜探指標(biāo)qc與fs樁端阻力與樁側(cè)阻力進(jìn)行相關(guān)分析，求得它們間的關(guān)系及相關(guān)系數(shù)，得到用靜探指標(biāo)計(jì)算預(yù)應(yīng)力管樁承載力的方法。

參考《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]、《建筑樁基設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》[9]及現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探內(nèi)容，可以設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁極限承載力的計(jì)算公式為：

式中：U為管樁樁身周長(zhǎng)，m；li為樁周i層土的厚度；qsik、qc為管樁樁周第i層土的極限側(cè)阻和極限端阻；Ap為管樁樁端投影面積；αp為端阻修正系數(shù)。

此時(shí)，已經(jīng)考慮了管樁土塞效應(yīng)的影響，將其放入樁端阻力中去。

2.2 樁側(cè)極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik的確定

利用靜力觸探指標(biāo)fs來(lái)確定qsik的值時(shí)，應(yīng)考慮各土層的值各不相同，分開(kāi)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。本次試驗(yàn)段的土層共分為5層，最后一層未揭穿，故只有4層。對(duì)亞黏性土，砂土進(jìn)行分析，按照靜載試樁得到的每層土的側(cè)摩阻力qsik和靜力觸探指標(biāo)fs之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用冪指數(shù)方程對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行分析，如式（ 2）所示：

圖3 CPT jt1 fs-qc曲線圖

圖4 CPT jt2 fs-qc曲線

圖 5 CPT、CPTU fs、qc(qt)比較

按照式（2）所示的方程形式對(duì)亞黏土、砂性土分別進(jìn)行計(jì)算，可以得到這兩類(lèi)土的樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik和fs之間的關(guān)系為：

式中：a＝7.19，b=0.552.

式中：a＝3.74，b=0.651.

粉質(zhì)黏土到黏質(zhì)粉土到黏土：

式中：a＝7.19，b=0.552.

說(shuō)明：在地表以下一定范圍內(nèi)的淺層土，由于有效上覆土壓力較小，側(cè)摩阻力難以充分發(fā)揮，另外樁打入時(shí)，使樁表面與周?chē)馏w之間形成較大的間隙，即使土體恢復(fù)后，摩阻力也偏小，土層愈硬，偏小越多。故對(duì)于淺層土要依據(jù)埋藏深度及土性情況做適當(dāng)?shù)恼蹨p。

2.3 估算樁端極限阻力Qpk時(shí)，αp、qc的取值方法

2.3.1 qc的取值方法

參考國(guó)內(nèi)外的有關(guān)類(lèi)似的規(guī)定，結(jié)合《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ JTJ D63—2007）[9]，樁端附近靜探錐尖阻力的qc取值方法為：取樁端平面以上4D(D為樁徑)范圍內(nèi)按土層厚度的探頭錐尖阻力加權(quán)平均值qc1，然后再和樁端以下4D范圍內(nèi)探頭錐尖阻力qc2進(jìn)行平均。當(dāng)qc1≥qc2時(shí)，即樁端以下土層比上面土層軟，αp此時(shí)對(duì)樁端承載力起主要作用的是下層 qc2，此時(shí) qc＝qc2。

2.3.2 αp的取值方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變?cè)囼?yàn)分析得到的資料，見(jiàn)表2。相關(guān)資料顯示：αp的取值與樁端處持力層的性質(zhì)有關(guān)外，還與樁長(zhǎng)有關(guān)。建議的αp值是樁長(zhǎng)和持力層性質(zhì)的綜合放映，根據(jù)上述分析得到的結(jié)果并結(jié)合其他的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議αp值可按表2選用。

表2 高應(yīng)變?cè)囼?yàn)分析得到的αp值

表3為利用修正公式和已有的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)土性參數(shù)計(jì)算得到的PHC管樁的極限承載力比較。從表中我們得出：利用CPTU資料得到的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)最為接近。

表3 按照此經(jīng)驗(yàn)修正公式計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論研究等，分析了管樁的承載性能，對(duì)管樁單樁的豎向承載力公式進(jìn)行了修正，得到了如下結(jié)論：

a）通過(guò)山原法對(duì)管樁的土塞進(jìn)行研究，得到土塞高度達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平均高度為5 m左右時(shí)，PHC管樁樁端出現(xiàn)閉塞，此時(shí)管樁的豎向承載力應(yīng)考慮管樁土塞對(duì)樁端阻力的影響。

b）利用CPTU修正管樁的豎向承載力計(jì)算公式為：Quk=Qsk+Qpk=U∑liqsik+αpqcAp， 其中管樁樁側(cè)承載力的計(jì)算是以靜載結(jié)果為依據(jù)，用高應(yīng)變?cè)囼?yàn)得到的側(cè)摩阻力和CPTU所測(cè)得的側(cè)摩阻力進(jìn)行相關(guān)性分析得到計(jì)算式為：qsik=a(fs)b得到：黏土：a＝7.19，b=0.552；砂性土：a＝3.74，b=0.651；粉質(zhì)黏土到黏質(zhì)粉土到黏土：a＝7.19，b=0.552。樁端阻力取樁端平面以上4D和以下4D范圍，同時(shí)樁端阻力系數(shù)考慮了管樁的土塞效應(yīng)，取1.3。