PHC管桩单桩极限承载力的现场试验研究

刘 杰，董杨杨，张冠廷

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.中国电建集团山东电力建设有限公司，山东 济南 250014)

0 前 言

舟山某基地建设项目位于浙江省舟山市岱山县西侧的鱼山岛附近，其特殊的地理位置必然会导致此工程地质条件的复杂性。土层的工程性质较差，软弱土层深厚且强度低、压缩性大。PHC管桩在处理软土地基方面，有着很多优点：承载力高、施工方便快捷、造价较低且能适应不同的地层条件，目前正被广泛应用到沿海地区的基础工程中。

国内不少学者、工程技术人员对PHC管桩做了研究，取得了丰硕的成果。但因舟岱山县鱼山岛地层条件的特殊性，其他区域的研究成果不能很好地运用到此项目中。由此在本工程中进行了试桩试验和静载试验，重点分析了不同地层条件对PHC管桩极限承载力的影响，并结合常用现行规范，提出了适用于此工程的极限承载力预测公式。

1 现场静载试验

1.1 试验概况

本试验组选取了地块4Z280、5Z645、6K862为试验场地，前后进行了5根闭口管桩的锤击贯入施工和静载试验。其中，地块5Z645进行三次试验，且各试验点之间相距30 m以消除邻桩挤土效应的影响，其余地块各进行一次试验。锤击法沉桩采用DD12.8T机型及锤重，落距为2.8 m；沉桩施工结束后半个月，开始进行静载试验，试验均使用堆载法，试桩具体情况见表1(本文贯入度是指最后30击每击贯入的深度)。

表1 试桩情况

1.2 地层条件

经勘察，3个地块相应于5个桩的地层条件及厚度分布见表2(只列举到桩端持力层的土层)。其中，2-1淤泥质粉质黏土与2-2淤泥质粉质黏土呈灰色流塑状态，土质较均匀，高压缩性，夹粉土、粉砂薄层，含有机质和少量腐蚀质。

表2 相应于沉桩深度60 m的地层分布及厚度

2 单桩极限承载力

2.1 规范公式法

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D 63—2007)所采用如下计算公式：

(1)

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[7]采用如下计算公式：

Qu=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(2)

以上公式(1)、(2)中，各项参数的选取详见各规范。

运用以上公式，对本工程5根桩的单桩竖向极限承载力进行计算，计算结果与静载试验结果如表3所示。

表3 极限承载力计算值与静载试验结果

2.2 误差分析

对于闭口管桩承载力而言，虽无土塞效应的影响，但规范中式(1)与式(2)并未考虑挤土效应对其承载力的影响，故在计算过程中各土层极限侧阻力标准值与极限端阻力标准值的取值均取范围内最大值。

通过表3规范公式计算结果与静载试验结果对比可知，对于此工程的5根试桩来说规范公式是偏于保守的，公式(1)明显要比公式(2)的误差偏大。其中3号桩的误差最大，式(1)达到19.4%，式(2)达到了13.4%。

2.2.1 地层条件的影响

由地质勘察报告可知，2-1淤泥质粉质黏土与2-2淤泥质粉质黏土层，都在不同程度上夹有粉土、粉砂层，且其分布不均匀，故勘察报告中无法定量描述。此工程试桩地块软土层厚度位于26.93～42.9 m，这也就决定了其桩的极限侧阻力必然高于规范所给定的参考范围。对于桩型、桩长、贯入度都相同的桩1和桩2，由于桩1的软土层厚度为26.93 m，小于软土层厚度为41.5 m的桩2，故无论是式(1)还是式(2)，桩1的计算误差都比桩2的小。极限端阻力的大小也会对桩极限承载力有所贡献，对比桩1、桩2可知，对于软土厚度较大的地层条件的摩擦型管桩，极限端阻力并不对承载力计算误差起决定性影响。

2.2.2 贯入度的影响

对于锤击法施工的管桩，贯入度对其承载力的大小也有着重要的参考价值。分析5Z645地块的3根桩，桩型、桩长、桩端持力层相同，贯入度不同。贯入度最大的桩4，其承载力计算误差最小，贯入度最小的桩3，其承载力计算误差最大，由此可知规范公式法计算桩极限承载力对于贯入度较大的桩有很好的适用性，但贯入度对此3根桩的极限承载力并无影响。分析可知，贯入度越小的桩，其挤土效应越明显，因此，对于未考虑挤土效应的规范公式而言，适用性就较差。由于此试验的3根桩在同一地块，且贯入度相差并不大，因此，对于由静载试验确定桩的极限承载力的影响就不明显，有待于后续试验的进一步验证。

3 修正的承载力预测公式

由于规范公式法对此工程桩极限承载力的过于保守，会使得设计人员低估桩的极限承载力，造成材料的浪费。因此，较为适用于本工程的修正公式的提出就显得尤为重要。针对前文所分析的地层条件尤其是软土层对桩极限承载力的影响，基于规范公式中计算误差较小的式(2)，提出了适用于本工程的修正公式：

Qu=u∑miqsik+qpkAp

(3)

式中，mi为软土修正系数，对于2-1淤泥质粉质黏土取1.1，对2-2层淤泥质粉质黏土取1.3，其余土层均取1；对于计算过程中各土层极限侧阻力qsik与极限端阻力qpk的取值仍取规范所给定范围的最大值。

由式(3)计算得到各试桩的极限承载力，见表4。

由表4可知，用修正公式求得的预测值与静载试验所得值相比误差范围在5%以内，且桩1至桩4预测值都比实际值偏小，说明地块4Z280、5Z645用于此工程是比较经济且安全的；桩5的预测值比实际值偏大，故其所在的6K862地块后续用此公式预测极限承载力时，对于规范所给侧阻力的参考范围可适当选取，无需所有土层均取最大值。

表4 修正公式计算值与相应误差

4 结 语

1) 针对常用规范公式计算桩极限承载力存在较大误差的现状，着重分析了工程地质条件对极限承载力的影响，分析表明：层内夹粉土、粉砂薄层的软土层，厚度较大者会对计算误差产生更大的影响；对于本工程，相比与极限侧阻力，极限端阻力对摩擦型PHC管桩计算误差的大小并不产生决定性影响；对于贯入度的影响，初步表明贯入度越小的桩，其挤土效应越明显，规范公式的适用性就越差，关于对桩极限承载力的影响还需要后续试验的进一步验证。

2) 基于规范公式中计算误差较小的式(2)，提出了适用于本工程的修正公式。通过计算结果可知：用修正公式求得的预测值与静载试验所得值相比误差范围在5%以内，且桩1至桩4所在的4Z280、5Z645地块预测值都较为安全，故此修正公式适用性较好；桩5所在的6K862地块运用此修正公式时，需适当选取规范所给的极限侧阻力参考范围值。

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