开口钢管桩单桩承载力研究现状分析

邓冰杰

（重庆交通大学 重庆 400074）

开口钢管桩单桩承载力研究现状分析

邓冰杰

（重庆交通大学 重庆 400074）

总结了常用的计算开口钢管桩单桩承载力计算方法，分别是的建筑桩基规范法、港口工程桩基规范法和ICP法、UWA法、ZSTU法、海利公式法，分析了各种方法的特点。最后总结了从土塞对钢管桩内摩阻力出发来计算开口钢管桩单桩承力的研究现状。

开口钢管桩；单桩承载力；土塞

引言

开口钢管桩由于具有承载力高、设计灵活性大、对周围土层扰动小、质量易保证、施工方便等优点，其应用越来越广。小直径的钢管桩现在已经被用在深基坑支护，边坡支护等支护工程上，一般情况下会与其他的支护方式结合使用，与锚杆结合使用的比较多[6]。在古旧建筑基础的修复上也常常采用开口钢管桩，如开封的玉皇阁和西安的万寿寺塔都是用小直径的钢管桩成功实现基础的托换以起到保护古建筑的作用。直径较大的开口钢管桩则常被用在码头、港口、桥梁、海上工作平台、高层与超高层建筑等的基础工程中。

开口钢管桩在沉桩的过程中，由于桩底为开口的，大量的土体会涌入管内，我们称管内的土柱为“土塞”或者“土芯”。由于存在土塞与桩管内壁复杂的相互作用，使得开口管桩的沉桩性状比闭口桩沉桩性状更为复杂，对打桩以及桩的承载力的影响更吸引人的关注。

2 国内外比较常用的开口钢管桩计算方法

2.1在闭口桩的基础上进行折减

我国现行《建筑桩基技术规范》和 《港口工程桩基规范》给出的计算方法都是在闭口桩的基础上进行折减。计算模式为“侧摩阻+桩端阻”，侧摩阻在计算时与闭口桩一样，折减的部分主要是桩端阻。折减系数在 《建筑桩基技术规范》称为“土塞效应系数 ”，它的取值主要与桩端进入持力层的相对深度hb/d（其中lb为桩端进入持力层的深度，d为钢管桩外径）有关。在 《港口工程桩基规范》中称为“承载力折减系数η”，其取值与桩外径、桩的入土深度、桩的入土深度以及桩端进入持力层的深度先关。

由于确定标准的不同，对折减系数的取值有较大的区别。这与它们所面对的工程对象的不同有关。《建筑桩基技术规范》主要适用于建筑工程中土质比较好、可以达到持力层，桩径相对比较小的开口钢管桩。《港口工程桩基规范》可能更适用于港口工程中土质较差、直径比较大的，难于达到持力层，直径相对较大的开口钢管桩。

2.2考虑土塞指标的计算方法

（1）ICP法

（2）UWA法

UWA方法由西澳大学Lehane研究团队在ICP方法的基础上发展而来的比较适用于砂土中开口钢管桩单桩承载力计算的方法,也是基于静力触探（CPT）。该方法的优点在于在计算时引入了表示土塞的指标IFR(土塞高度增长率)和PLR（土塞高度比）。在计算端阻时用的是全截面。

（3）ZSTU法

2.3海利公式法

海利公式(heily)基于动能守恒定律和撞击原理。该方法的缺点只能使用在动力沉桩上，计算时需要详细的动力沉桩的工程数据。计算公式为：

3 考虑土塞对钢管内壁的摩阻力的计算方法

当土塞处于未闭塞状态时，钢管在承受上部荷载时，土塞有向上运动的趋势，钢管有向下运动的趋势。此时，“单转承载力=桩外侧摩阻力+桩内侧摩阻力+钢管桩环形截面的端阻”。当土塞处于闭塞状态时，土塞高度不会再增高，钢管在承受上部荷载时，土塞与钢管一起有向下运动。因此，单桩竖向承载力=桩外侧摩阻力+桩环形截面的端阻+土塞提供的端阻。

这里设计到“土塞对钢管桩的内摩阻力如何确定”的问题。目前主要有两种思路。第一种，通过建立土塞微元体的平衡方程推导出土塞的总内摩阻力，其中比较出名的山原法。第二种，通过研究内摩阻力与外摩阻力的关系来确定内摩阻力。李乐铭等的研究表明：对于大直径的开口钢管桩，只有在接近桩端的区域土塞内摩阻力与外摩阻力大致相当，在土塞的大部分区段内，内摩阻力一般仅相当与相同深度外摩阻力的30%-50%。陆昭球通过对大量实际工程中的打桩记录进行分析，提出来他的“10倍桩径有效长度理论”，即认为在打桩过程中只有距桩底10倍桩径范围内的土塞发挥作用。随着有限元分析方法的出现，很多研究者通过有限元对土塞内摩阻力进行研究。得出结论：内摩阻力从土塞顶到土塞底大致呈指数函数分布。

目前，这种计算方案还没有给出比较明确的计算公式，主要原因是国内外学者基本都是从宏观的角度对土塞进行定性或半定量的研究，对开口钢管桩土塞效应的细观力学本质的研究还很欠缺。因此，从土塞形成的细观机理出发来研究土塞对开口钢管桩单桩承载力的贡献可能是今后的一个研究方向。

[1] 中华人民共和国建设部.JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008

[2] 中华人民共和国交通运输部.JTS167-4-2012.港口工程桩基规范[S].北京：人民交通出版社，2012

[3] 李韬，高大钊.开口管桩压入法沉桩土塞效应机理分析[J].地质与勘探，2003，39(z2)：273-275

[4] 郑俊杰,聂重军,鲁燕儿.基于土塞效应的柱形孔扩张问题解析解[J].岩石力学与工程学,2006,25(z2)：4004-4008

[5] 曹文书,赵东,陈平,张卫喜.开口钢管桩沉桩助力研究[J].四川建筑科学研究，2012，38（6）：122-124

[6] 赵长明.砂土中钢管桩竖向承载力设计方法的比较研究[D].合肥工业大学，2014

[7] 陆昭球,高倚山,宋铭栋.关于开口钢管桩工作性状的几点认识[J]岩土工程学报，1999(1)

[8] 俞峰,杨峻.砂土中钢管桩承载力的静力触探设计方法[J].岩土工程学报，2011，33（z2）：349-354

[9] 李乐铭,尚玉华.大直径钢管桩垂直承载力的试验研究[A]．交通部三航局科研所科技成果论文集[C],1990

[10] 鹿宁.小口径钢管静压桩的沉桩阻力研究[D].西安建筑科技大学，2015

[11] 刘国辉.土塞对管桩单桩竖向承载力计算的影响[D].天津大学，2007

[12] 郭平.大直径现浇混凝土薄壁筒桩竖向承载性状数值分析[D].浙江大学，2005

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