基于土塞效应的PHC管桩承载力实用计算方法研究

2020-06-05丁璐璐

山西建筑 2020年12期

丁璐璐

(上海山骋勘察设计有限公司,上海 200000)

0 引言

软土地区桩型一般有钻孔灌注桩和PHC管桩。PHC管桩和钻孔灌注桩相比，具有桩身质量易控制、耐打性好、穿透力强、单位混凝土提供的承载力高、造价相对经济等优点。故PHC管桩适用性非常广，不仅适用于一般土层，而且可打入密实的砂层和强风化岩层；同时由于挤土效应和竖向挤压，桩端承载和桩侧摩阻力较灌注桩有所提高。因此PHC管桩已被广泛应用于机场、码头、建筑、道路等工程中[1-3]。

开口管桩的土塞效应是区别于其他桩型最为显著的特征，对于底端开口的管桩，其承载机理远比闭口桩复杂。这是因为在沉桩过程中，进入管桩内的那部分土受到管内壁摩阻力作用产生一定的压缩，直至桩管内土体(土塞)与桩管内壁之间形成足够大的摩阻力，能够阻止土体进一步嵌入管内，产生封闭效应，形成土塞。土塞对桩端承载力的发挥以及桩侧摩阻力影响显著。如果依旧按照经验公式计算单桩承载力必然会造成较大误差，所以对于管桩的土塞效应研究非常重要[4-6]。

本文在工程实践的基础上，考虑土塞的闭塞效应对桩端阻力的增强作用及计算内壁摩阻力时土塞的有效高度对承载力的影响，对采用静力触探经验参数计算PHC管桩承载力的公式进行了修正，修正后计算得到的结果与载荷试验结果吻合较好。

1 工程概况

宁波某高层住宅，上部结构采用框剪结构，基础采用桩筏基础。场地地势较为平坦，为冲湖积平原区。经过安全性与经济性多方面的比较，工程拟采用PHC管桩设计方案，桩身混凝土强度C80,设计桩长50 m，桩身进入⑧1层粉质粘土，桩径为600 mm，壁厚130 mm。

2 试桩结果

为了正确确定单桩竖向承载力特征值，按国标GB 50007—2011建筑地基基础设计规范第10.2.16条规定，本工程宜通过静载试验预先确定单桩竖向承载力特征值，试桩数量不应少于总桩数的1%，在正常情况下不应少于3根，试桩采用堆载法(慢速维持荷载法)。总加载量为6 600 kN，分级荷载为最大加载量的1/10，其中第一级可取分级荷载的2倍；每级卸载量取加载时分级荷载的2倍。3根试桩结果如表1所示，荷载—沉降曲线见图1。

表1 单桩竖向静载荷试验结果

从图1看出，三根试桩SZ3号、SZ5号、SZ7号的荷载—沉降曲线呈缓变形，拐点不明显，未出现明显的向下转折段，如果继续加载，荷载—沉降曲线可能会仍然向下缓慢发展，桩还有较大的承载潜力。按JGJ 106—2003建筑基桩检测技术规范第4.4.2条确定单桩竖向抗压极限承载力最大试验荷载均为6 600 kN。

3 承载力计算

PHC预制管桩承载力可依据JGJ 94—2008建筑桩基技术规范第5.3.5条的规定进行计算。计算公式如下：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)

(1)

式中各参数详见规范中的规定。

将勘察报告建议的桩侧第i层土的极限侧摩阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk代入式(1)。由计算结果可以看出式(1)计算得到的单桩承载力与实测值远低于载荷试验值，浪费了近一半的承载力，由此可见勘察报告给出的参数过于保守。

静力触探试验(CPT)的探头贯入过程和预制桩的沉桩施工过程相似，所以CPT探头阻力成为估算各类预制桩承载力的重要指标[7]。根据行业标准《建筑桩基技术规范》第5.3.3条规定，按地基土对桩的支承能力确定预制桩的单桩竖向承载力设计值时，桩侧极限侧摩阻力标准值可按下式确定：

粘性土：

ps≤1 000 kPa时：

qsik=ps/20

(2)

ps>1 000 kPa时：

qsik=0.025ps+25

(3)

粉性土及砂土：

qsik=ps/50

(4)

故建议桩侧第i层土的极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk如表2所示。将表2的参数代入式(1)。由表4中计算结果得出各桩的单桩承载力与实测值相差近10%。

表2 建议桩侧极限侧摩阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk

文献[8]考虑内壁摩阻力的作用，建立了如下修正公式：

Quk=(u1+au2)liqsik+bApqpk

(5)

其中，u1,u2分别为预制桩内壁、外壁的周长；a为土塞效应系数，粘性土、粉土和砂土分别取0.15，0.30和0.40；b为极限端阻力修正系数，取1。其他参数同式(1)。

根据式(5)计算，得各试桩的单桩竖向承载力计算值虽然与实测结果相差不大，但都大于实测值，对实际承载力的估算造成一定的不安全因素(见表3)。

表3 三种方法计算值与实测值对比 kN

4 土塞的闭塞效应及有效高度分析

相比闭口管桩，开口管桩排土量小，对桩周土的挤密效应减弱，且存在土塞与管桩内壁复杂的相互作用。因此，土塞作用使得开口管桩的沉桩性状比闭口管桩沉桩性状更加复杂，对打桩性状和桩的承载力影响非常大。

行业内一般认为，由于土塞的封闭效应，进入管桩内的土塞受到挤密，其承载性能得到强化。

PHC管桩在沉桩过程中，土塞受到的扰动很大，一定高度以上的土柱部分对于土塞承载力的贡献非常小，上端不能提供摩阻力的一段称为堆重，下端能提供侧摩阻力的高度h称为有效高度。文献[7]在计算管桩内壁侧摩阻力时未考虑土塞的有效高度，故计算得出的侧摩阻力偏大。

陆昭球等[9]对土塞的特性作了研究，认为有效取10倍桩径为宜，管桩在砂土中的土塞比值h/H在0.22～0.31之间；O`Neill&Raines[10]从荷载传递机理分析管桩的土塞h/H可取0.26。本模型综合以上分析，取h/H=0.25。

于是，在考虑土塞的闭塞效应对端阻的影响及土塞有效高度的前提下，结合式(1)，建立如下修正公式：

(6)

(7)

根据各试桩的土塞参数、试桩处的静力触探指标和土层厚度，代入式(6)得到各试桩的承载力计算值，如表4所示。

表4 修正计算值与实测值对比 kN

由表4可知，规范及文献[10]方法在计算桩端阻力Qpk时，计算值都比本文的计算结果低；而在计算侧摩阻力Qsk时，文献[7]的方法比本文的计算结果高很多；对于总的承载力Quk而言，规范结果明显偏保守。分析可知：采用规范计算时，忽略了桩内摩阻力及土塞效应对桩端承载力的增强，使得总的承载力过于保守；修正方法虽然考虑了内摩阻力，但未考虑土塞上部土体的扰动，仍采用初始土塞的高度来计算，结果计算值比实测值偏大。

由表4可见，本文的单桩承载力计算值与实测值吻合较好，这是因为式(6)既考虑了土塞的有效高度，同时又考虑了土塞效应对桩端承载力的增强作用。