基于土塞效應(yīng)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(shè)計有限公司,上海 200000)

0 引言

軟土地區(qū)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(zhì)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(jīng)濟等優(yōu)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(fēng)化巖層；同時由于擠土效應(yīng)和豎向擠壓，樁端承載和樁側(cè)摩阻力較灌注樁有所提高。因此PHC管樁已被廣泛應(yīng)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(yīng)是區(qū)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(fù)雜。這是因為在沉樁過程中，進入管樁內(nèi)的那部分土受到管內(nèi)壁摩阻力作用產(chǎn)生一定的壓縮，直至樁管內(nèi)土體(土塞)與樁管內(nèi)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(nèi)，產(chǎn)生封閉效應(yīng)，形成土塞。土塞對樁端承載力的發(fā)揮以及樁側(cè)摩阻力影響顯著。如果依舊按照經(jīng)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(yīng)研究非常重要[4-6]。

本文在工程實踐的基礎(chǔ)上，考慮土塞的閉塞效應(yīng)對樁端阻力的增強作用及計算內(nèi)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(jīng)驗參數(shù)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(jié)果與載荷試驗結(jié)果吻合較好。

1 工程概況

寧波某高層住宅，上部結(jié)構(gòu)采用框剪結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。場地地勢較為平坦，為沖湖積平原區(qū)。經(jīng)過安全性與經(jīng)濟性多方面的比較，工程擬采用PHC管樁設(shè)計方案，樁身混凝土強度C80,設(shè)計樁長50 m，樁身進入⑧1層粉質(zhì)粘土，樁徑為600 mm，壁厚130 mm。

2 試樁結(jié)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(chǔ)設(shè)計規(guī)范第10.2.16條規(guī)定，本工程宜通過靜載試驗預(yù)先確定單樁豎向承載力特征值，試樁數(shù)量不應(yīng)少于總樁數(shù)的1%，在正常情況下不應(yīng)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(jié)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(jié)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(xiàn)明顯的向下轉(zhuǎn)折段，如果繼續(xù)加載，荷載—沉降曲線可能會仍然向下緩慢發(fā)展，樁還有較大的承載潛力。按JGJ 106—2003建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)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(yù)制管樁承載力可依據(jù)JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范第5.3.5條的規(guī)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(shù)詳見規(guī)范中的規(guī)定。

將勘察報告建議的樁側(cè)第i層土的極限側(cè)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(jié)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(shù)過于保守。

靜力觸探試驗(CPT)的探頭貫入過程和預(yù)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(yù)制樁承載力的重要指標[7]。根據(jù)行業(yè)標準《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.3.3條規(guī)定，按地基土對樁的支承能力確定預(yù)制樁的單樁豎向承載力設(shè)計值時，樁側(cè)極限側(cè)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(cè)第i層土的極限側(cè)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(shù)代入式(1)。由表4中計算結(jié)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(cè)極限側(cè)摩阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk

文獻[8]考慮內(nèi)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(yù)制樁內(nèi)壁、外壁的周長；a為土塞效應(yīng)系數(shù)，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(shù)，取1。其他參數(shù)同式(1)。

根據(jù)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(jié)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(yīng)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(yīng)減弱，且存在土塞與管樁內(nèi)壁復(fù)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(fù)雜，對打樁性狀和樁的承載力影響非常大。

行業(yè)內(nèi)一般認為，由于土塞的封閉效應(yīng)，進入管樁內(nèi)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(cè)摩阻力的高度h稱為有效高度。文獻[7]在計算管樁內(nèi)壁側(cè)摩阻力時未考慮土塞的有效高度，故計算得出的側(cè)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(yīng)對端阻的影響及土塞有效高度的前提下，結(jié)合式(1)，建立如下修正公式：

(6)

(7)

根據(jù)各試樁的土塞參數(shù)、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(guī)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(jié)果低；而在計算側(cè)摩阻力Qsk時，文獻[7]的方法比本文的計算結(jié)果高很多；對于總的承載力Quk而言，規(guī)范結(jié)果明顯偏保守。分析可知：采用規(guī)范計算時，忽略了樁內(nèi)摩阻力及土塞效應(yīng)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(nèi)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(jié)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(yīng)對樁端承載力的增強作用。

5 結(jié)語

1)勘察報告提出的預(yù)制樁側(cè)摩阻力標準值和端阻力標準值是偏保守的，這使得按經(jīng)驗參數(shù)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(zhì)條件與本工程相類似的情況下，可結(jié)合靜力觸探試驗結(jié)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(guī)范及文獻[7]的公式未綜合考慮土塞的閉塞效應(yīng)對樁端承載力的增強作用及計算內(nèi)壁摩阻力時土塞的有效高度。