基于载荷试验的振沉钢管桩承载力研究

蒋益平张尔海沙丽新李卫超章苏亚李 崧庞玉麟金 易

（1.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125；2.上海浦东工程建设管理有限公司，上海 201210；3.同济大学土木工程学院，上海 200092；4.上海公路桥梁（集团）有限公司，上海 200433；5.上海同纳建设工程质量检测有限公司，上海 200063）

0 引言

随着各地工程规模、要求、难度的增大，具有沉降量小、承载力高、抗震能力好等优点［1］，应用已非常广泛。其中桩的竖向抗压极限承载力（下文简称承载力）是桩基础设计的一个重要指标，例如一些学者［2-3］报道的因桩承载力不足引起建筑物沉降过大或无法正常施工的案例，因此如何确定单桩承载力一直是备受关注的话题。研究表明［4］，单桩竖向抗压极限承载力受桩周土物理力学性质、桩的几何尺寸、成桩工艺、休止时间等因素的影响。

对于预制桩，存在静压沉桩、锤击沉桩和振动沉桩三种主要沉桩工艺，其中主要通过振动降低桩周土阻力、驱动桩下沉的振动沉桩工艺导致的土阻力下降和孔隙水压力上升现象十分明显［5-7］。这也导致了液压免共振锤沉钢管桩的极限承载力有别于锤沉桩和静压桩［8-10］。且当孔隙水压力消散时，桩的承载力随时间上升的趋势也有所不同［11-14］。但目前各规范对使用振动沉桩工艺的桩承载力的说明和规定依然较少，多数规范对预制桩承载力的计算仍是基于锤击沉桩和静压沉桩工艺的相关经验。

本文将对我国各规范推荐的敞口钢管桩承载力确定方法进行总结比较，并通过上海地区开展的现场静载荷试验结果展开讨论。此外，本文对比了不同规范给出的设计承载力之间的差异，进一步围绕液压免共振锤沉钢管桩休止期对承载力的影响进行了讨论。

1 当前设计方法

桩基承载力的确定方法主要有根据原位试验确定和根据经验公式估算两种方法，其中原位试验一般以静载试验作为最主要的承载力判定依据，也是最有说服力的确定方式；而经验公式则是通过式（1）进行计算，在计算时不同规范会根据桩身材料、桩长、桩周土性质及沉桩工艺等因素对承载力Q或其中某部分参数进行修正。

式中：up是桩的周长；Ap是桩的净截面积；li是桩与第i层土沿深度方向上的接触长度；τi是第i层土的极限侧摩阻力标准值；q是桩端土的极限端阻力标准值。

本文将对我国常用规范推荐的单桩承载力确定方法进行简述和对比。

1.1 根据静载试验

关于静载试验的相关规定，本文将根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2017）［15］（以下简称“地基规范”）、上海市工程建设规范《地基基础设计标准》（DGJ 08-11—2018）［16］（以下简称“上海规范”）、《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［17］（以下简称“基桩规范”）、《码头结构设计规范》（JTS 167-4—2012）［18］（以下简称“码头规范”）、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）［19］（以下简称“公路施工规范”）和《铁路工程基桩检测技术规程》（TB 10218—2019）［20］（以下简称“铁路检测规范”）共6本规范进行讨论。

由于沉桩过程会对桩周土造成较大的扰动甚至破坏，桩周土体孔隙水压力上升。而随沉桩后孔隙水压力的消散，土体强度逐渐恢复从而使桩的极限承载力随时间逐渐提高。不同规范规定的休止时间如表1所示。可见，砂土地基中桩基所需的休止时间不超过黏土的一半，这与土体的渗透性有很大的关系。

表1 不同规范对预制桩休止时间的规定Table 1 The commended rest duration in codes

目前工程上，振动沉桩试桩的休止时间普遍采用锤击沉桩和静压沉桩工艺的相关经验。上海地区采用液压免共振锤沉钢管桩施工工艺，多个项目静载荷试验实测数据显示，休止期28 d对应的振沉桩承载力低于设计计算值，部分试桩承载力不足设计计算值的80%；而嘉兴某市政项目沉桩后60 d桩的承载力仍低于设计计算值。由此可见，液压免共振锤沉钢管桩施工工艺的休止时间值得进一步研究。

通过静载试验得到桩的荷载Q和沉降s的关系曲线后，可通过曲线的情况确定试桩的承载力。一般规范中常见的确定方法依据有：

（1）取Q-s曲线发生明显陡降的起始点对应荷载值（图表中简称方法1，如图1（a）所示）；

（2）取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值（图表中简称方法2，如图1（b）所示）；

图1 静载试验确定承载力方法示意图Fig.1 The illustration of capacity determination by static load tests

（3）经24 h尚未达到试桩沉降相对稳定时取前一级荷载值（图表中简称方法3）。

各规范规定的承载力确定方法如表2所示，可见所有规范均推荐方法1确定桩的承载力。

表2 通过静载试验确定承载力的方法Table 2 Capacity determination by static load tests

对于缓变型Q-s曲线，大部分规范均认为可取桩顶沉降达一定值时对应的荷载，但不同规范对于该沉降值的规定有差异。例如，地基规范中取s＝40 mm所对应的荷载值，当桩长大于40 m时，宜考虑桩身的弹性压缩。上海规范在地基规范的基础上，更多地考虑了桩身材料的压缩变形，认为混凝土桩宜取s=40 mm对应荷载，钢桩和超过40 m长的混凝土桩应考虑桩身弹性压缩。基桩规范和铁路规范则考虑了桩径对桩竖向受荷特性的影响，除取s=40 mm对应的荷载值外，对于Dt（Dt为桩端直径）大于或等于800 mm的桩，可取s等于0.05Dt对应的荷载值，当桩长大于40 m时，宜考虑桩身弹性压缩。

1.2 根据规范计算

根据原位钻探、室内土工试验，结合当地工程经验，勘察报告会提供各土层的桩侧极限摩阻力τi和桩端极限端阻力q。根据勘察报告提供的参数，设计人员可按地基规范、上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》（DGJ 08-37—2018）［21］（以下简称“上海岩土规范”）、《港口工程桩基规范》（JTJ 254—2109）［22］（以下简称“港口规范”）、《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）［23］（以下简称“桩基规范”）和《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）［24］（以下简称“公路规范”）、《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2017）［25］（以下简称“铁路规范”）等规范在式（1）基础上结合分项系数、折减系数等估算预制桩的承载力设计值。

对于敞口管桩，港口规范对敞口管桩的桩端承载力进行了折减，其折减主要是根据其桩身材料、桩径、桩身入土深度和桩端进入持力层深度四个因素综合确定的。其中对于混凝土管桩的折减较钢管桩低、对小直径桩的折减较大直径桩低、对进入持力层深度小的桩较进入持力层深度大的桩低。上海岩土规范和桩基规范中提出了敞口钢管桩端土塞效应系数，该系数通过桩端进入持力层深度和桩径，对桩端土塞效应进行了估计，并对桩端阻力进行了修正。

针对振动沉桩对承载力的影响，公路规范和铁路规范根据不同桩径、不同土类型给出了影响系数，见表3，其中D是桩径。该系数代表了振沉桩与同场地静压桩和打入桩的承载力比值。在设计时，分别对桩侧极限摩阻力和桩端极限端阻力乘以表中对应系数进行修正。目前这一影响系数还未被地基规范、上海岩土规范提及。

表3 振沉影响系数Table 3 The coefficient of vibratory driving

从表3中可以看出，多数情况下振动沉桩会降低桩的承载力，仅当桩径不大于0.8 m的砂土场地中，振动沉桩承载力较打入桩和锤击桩更高。由于上海地区典型土层分布以黏土为主，若持力层不是密实砂土，采用振动沉桩工艺的钢管桩承载力将低于打入桩和静压桩；上海市政工程中钢管桩桩径一般不大于0.8 m，如采用公路规范和铁路规范设计，则振沉钢管桩黏性土的侧摩阻力低于同直径的钻孔灌注桩侧摩阻力，上述影响系数有值得探讨之处。

1.3 小结

根据静载试验确定单桩承载力时，在Q-s曲线存在明显陡降的情况下，我国各规范对极限承载力的确定方法一致。但各规范对于静载试验休止期的建议尚无定论，且未专门针对振沉桩提出推荐值。

在估算桩的承载力值方面，各规范考虑的影响因素各不相同。但仅公路规范和铁路规范考虑了振动沉桩对承载力的影响，这两部规范中指出大部分情况下振沉桩承载力低于相同条件的静压桩和打入桩。

2 现场静载荷试验

为对比讨论不同规范推荐的单桩承载力确定方法，本文结合上海某实际工程项目开展的液压免共振锤沉钢管桩试验结果进行分析。

本文讨论的试桩为同一承台下两根相邻的工程桩TP42和TP72。两根桩均为直径700 mm、总长49.7 m的敞口钢管桩，壁厚12～16 mm。经免共振高频液压振动锤分节沉至设计标高，沉桩过程未能形成土塞，即钢管桩内土体表与桩外地表基本齐平。桩位处地基土沿桩身共划分10个土层（亚层），桩底贯入第⑦2-2层8.3 m。场地各土层分布情况见图2，各土层的物理力学指标、桩侧极限侧阻力和极限端阻力如表4所示。

表4 场地土层相关参数Table 4 Parameters of field stratums

图2 试桩位置的静力触探端阻力曲线图Fig.2 Cone resistance of cone penetration test close to test piles

沉桩完成后分别对同承台下两根工程桩TP42和TP72各进行一次加载，其中TP42试桩的休止期为42d、TP72试桩为72d。两根试桩的加载通过锚桩法。

两次加载试验得到的桩头处荷载-沉降曲线如图3所示，通过表2中方法1可知TP42的单桩承载力为6030 kN。由于TP72在7000 kN荷载下仍未出现破坏迹象，说明TP72承载力不低于7000 kN，在后续讨论中按照下限7000 kN作为其承载力进行讨论。从上述分析中可以看出，TP72相较TP42提高了至少16%；对比表1中一般15～28 d的休止期规定，42～72 d实测的承载力明显较高，说明振沉桩与打入桩和静压桩相比，具有更长的时效性现象，即振沉桩若需发挥相同承载力需要的休止期较静压桩和打入桩更长。为实现桩基承载力在通常规定的28 d内达到设计值，本研究发现应重点采取能提高桩端土塞效应的措施或方法，如后注浆等。

钢管桩桩身的弹性压缩量与试桩荷载、桩长、钢管桩材料模量等相关，可按加载曲线的回弹量取值。根据图3中试验数据可知，两试桩最大沉降量分别为48.61 mm和71.94 mm，而卸载后的残余变形分别为11.44 mm和42.01 mm，可认为桩身弹性压缩变形最大分别为37.17 mm和29.93 mm，即分别为总沉降量的76%和42%。需要说明的是，桩身压缩量占总沉降量的比例与桩身残余变形大小有关，也与桩端是否有刺入变形及刺入变形多少有关，即刺入变形越大，桩身弹性压缩变形占比越小。工程中可以通过钢管桩填混凝土芯减少钢管桩的桩身压缩量。

图3 荷载-沉降曲线Fig.3 Load-settlement curves

通过上述地勘报告推荐极限桩侧阻力和极限桩端阻力，可根据式（1）结合各规范计算公式，得到估算的桩基承载力。计算说明如下：

（1）公路规范对土塞效应折减适用最小桩径为1.2 m，本次钢管桩直径较小，参考桩基规范取土塞效应系数；

（2）考虑到试桩进入持力层深度大，港口规范的桩端承载力折减系数取0.85；

（3）由于各规范中分项系数不同，现将各规范得到的设计值、标准值和容许值换算为同规范中静载试验确定的极限承载力值。

依据各规范计算的极限承载力、静载试验确定值如图4所示，港口规范和铁路规范计算值最大，公路规范和上海岩土规范计算值最小，计算的最大差值约675 kN，小于上海岩土规范计算值的10%。对于直径700 mm的敞口钢管桩，由于桩端土层为⑦2-2层粉砂，考虑震动影响的公路规范计算值稍大于上海岩土规范计算值，铁路规范由于未考虑土塞效应，偏差相对较大。

图4 各方法估算标准值与静载试验确定值对比Fig.4 Comparison on capacity by estimation and static load tests

以休止期为42 d时静载试验确定的承载力为基准，试桩承载力均小于各规范的计算值。在休止期达到72 d时，单桩承载力相较42 d时已有明显增长，达到了公路规范和上海岩土规范计算值。

结合上海其他市政工程试桩结果，说明现有振沉钢管桩极限承载力计算方法有值得改进之处；当桩端持力层为密实砂土时，对于直径700 mm的敞口钢管桩，采用公路规范和上海岩土规范的计算公式是较合理的，但应注意公路规范中土塞效应系数取值。

3 结论

本文通过对我国多部规范中单桩竖向抗压承载力确定方法的介绍和对比，以及静载荷试验结果的分析，得到了以下结论：

（1）对比各规范，港口规范和铁路规范计算值最大，公路规范和上海岩土规范计算值最小，计算的最大差值约675 kN，小于上海岩土规范计算值的10%。

（2）休止期从42 d增加到72 d，振沉桩承载力提升不少于16%。休止42 d时，桩的承载力无法达到规范的计算值；休止期达72 d时，桩基承载力达到公路规范和上海岩土规范的计算值。

（3）目前我国规范尚未针对振沉桩静载试验休止期给出明确的规定，本文试验结果显示振沉桩的休止期不应少于42 d，该建议值高于目前规范对静压桩和打入桩的推荐休止期。为实现桩基承载力在通常规定的28 d内达到设计值，建议采取能提高桩端土塞效应的措施或方法，如后注浆等。

（4）现有振沉钢管桩极限承载力计算方法有值得改进之处；当桩端持力层为密实砂土时，对于外径700 mm的敞口钢管桩，采用公路规范和上海岩土规范的计算公式是较合理的，但应注意公路规范中土塞效应系数取值，建议取0.8。

（5）约50 m长的钢管桩桩身弹性压缩变形最大可达37.17 mm，可达最大荷载时总沉降量的76%。桩身压缩量占总沉降量的比例与桩身残余变形大小有关，也与桩端是否有刺入变形及刺入变形多少有关，即刺入变形越大，桩身弹性压缩变形占比越小。