单桩竖向承载力参数确定方法探讨

　　摘要 除重要或大型工程设计阶段采用静载试验外，目前国内一般多采用静力分析法来估算单桩竖向承载力，所需桩基承载力参数则通过按岩土状态查表或利用与岩石抗压强度间经验关系来获得，这与国外通常采用的方法间存在一定差异。本文介绍了目前欧美常用的参数确定方法并分析了国内方法存在的一些缺点，供国内参与外标条件下勘察设计工作的企业参考。 　　Abstract In china， static load tests are used only for important or large projects in design stage， so vertical bearing capacities of single pile are generally assessed through static analysis method， which utilizes the states of rocks & soils to look-up table or the empirical relations with compressive strength of rocks to obtain the parameters required， thus is significantly different from oversea methods. This paper introduces commonly used methods in European and American currently， analyzes shortcomings of look-up table method， provides reference for domestic enterprises participating in the survey & design work under external standard condition. 　　关键词 桩基承载力参数，侧阻力，端阻力 　　Keywords parameters of pile foundation capacity， shaft resistance， tip resistance 　　1概述 　　我国现行主要规范采用的单桩竖向承载力确定方法可分为试验法、静力分析法及经验分析法，与AASHTO及Eurocode的规定基本相同。试验法主要为静载试验，符合条件时可采用高应变动力试验；静力分析法利用岩土强度或按土性指标查表获取单位极限侧阻力及单位极限端阻力等桩基承载力参数；经验分析法则使用标准贯入试验（SPT）、静力触探试验（CPT）、旁压试验（PMT）等原位测试成果与参数间经验关系式。 　　静力分析法与经验分析法通过对极限侧阻力和极限端阻力应用适当的安全系数（SF）来得到单桩允许承载力，多采用单一安全系数，单桩竖向允许承载力基本计算式为： 　　（1） 　　式中： 　　Pa―单桩允许承载力 　　Ap―桩端横截面面积（m2）； 　　qp，qsi―承载力参数，分别为单位极限端阻力及单位极限侧阻力（kPa）； 　　up―桩周长度（m）； 　　li―第i层岩土的厚度（m）。 　　SF―安全系数，国内多取2，国外取2～4。 　　2 竖向承载单桩受力机理 　　在初始受荷阶段，竖向承载桩桩顶位移较小，荷载由桩上部侧阻力承担并以剪应力形式传递给桩周土体，桩身应力和应变随深度递减。随着荷载的增大，桩侧阻力由上而下逐步发挥。侧阻达到极限值后继续增加的荷载则全部由桩端阻力承担，在桩端阻力达到极限值后位移迅速增大，此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。上部土层在达到极限侧阻力后随着荷载和位移的增加，侧阻力反而会降低为某个小于极限侧阻力的值，因此桩的极限承载力不是极限侧阻力与极限端阻力之和，而是其中一个与另一个的一部分之和。一般在工作荷载下，桩侧阻力已发挥了绝大部分，而桩端阻力只发挥了很小一部分。 　　分析加荷过程桩侧阻力和桩端阻力的变化，可发现桩侧阻力与桩端阻力呈异步发挥，即桩侧阻力先发挥，先达到极限；桩端阻力后发挥，后达到极限。桩端阻力和桩侧阻力有各自的发挥规律，它们不仅与土层类别有关，还与土层的结构（土层厚度、土的分层顺序）、桩的设置及桩的类型、桩身材料及尺寸（桩长、断面尺寸）、施加荷载的方法、时间等因素有关[1]，因此岩土的单位极限端阻力qp和单位极限侧阻力qs并不是固定的常数。 　　3 国外常用桩基承载力参数确定方法 　　3.1 单位极限侧阻力qs 　　3.1.1 α法 　　α法只适用于黏土，采用总应力指标，没有反映侧阻力的深度效应，其表达式为： 　　（2） 　　式中： 　　α―黏聚系数，与土类、桩的类型、施工方法及时间效应等有关。 　　cu―黏土不排水强度（kPa）。 　　美国石油协会（2000）建议采用表1公式来计算打入桩α值[2]： 　　表中q―土层中点有效竖向应力（kPa）。 　　AASHTO（2007）建议采用表2公式来计算钻孔桩α值[3]： 　　为克服传统α值无法反映深度效应的缺点，Sladen（1992）建议用下式计算钻孔桩α值[4]： 　　（7） 　　式中： 　　―土层平均（中点）有效竖向应力（kPa）； 　　C1―钻孔桩取0.4～0.5，打入桩取>0.5。 　　3.1.2 λ法 　　Vijayvergiya & Focht（1972）通过墨西哥湾石油平台桩基静载试验成果的回归分析，提出了确定黏土qs值的λ法[4]： 　　（8） 　　式中λ采用图1值。 　　图1 λ值与桩入土关系曲线 　　系数λ随桩入土长度增大而减小，反映了侧阻的深度效应和有效竖向应力的影响随深度增加而递减的现象。 　　Kraft等人（1981）认为λ法在桩长L　　3.1.3 β法 　　Burland （1973）最先提出了β法并建议其只适用于非黏性土[4]，其表达式为： 　　（9） 　　（10） 　　式中： 　　K―横向土压力系数，打入桩一般使用K0； 　　δ―桩土间的外摩擦角。 　　β法采用的是有效应力指标，表达的桩侧侧阻力与桩周土自重应力成正比，具有明显的深度效应。但大多数学者认为qs不会随深度无限地增大，其在临界深度后增加速率将以不断降低。 　　O’Neill & Reese （1999）建议非黏性土中钻孔桩β计算式见表3，任何土qs取值均不应大于200kPa（0.25≤β　　表中Z =土层中点深度（m）；N60 =平均标贯击数（只进行锤击效率修正，击/30cm）。 　　Bowles（2002）认为对于绝大多数的非黏性土而言，β值在0.27～0.3之间，所以β法是一个很方便实用的方法[4]。 　　3.1.4 原位测试关系式 　　3.2单位极限端阻力qp 　　3.2.1 承载力公式法 　　许多欧美学者以刚塑性体理论为基础，假定不同的破坏滑动面，提出了各自的极限桩端阻力理论表达式，式中Nγ项通常被忽略，简化计算式为： 　　（24） 　　式中： 　　c―桩端土凝聚力（kPa）； 　　Nc、Nq―承载力系数，与桩端土φ有关； 　　q―桩端处土层有效竖向应力（kPa）； 　　不同研究者建议的Nq值相差很大。根据Bowles的看法，Meyerhoff及美国石油协会建议值太保守、Vesic建议值太大，Hanson建议值较为合理[4]。 　　对于饱和黏性土（φ= 0）中的打入桩，式（24）简化为： 　　（25） 　　O’Neil & Reese（1999）建议黏性土中钻孔桩的qp为[3]： 　　（26） 　　（27） 　　式中Lb为桩进入持力层深度。如果桩尖下2D范围土壤cu　　3.2.2 原位测试关系式 　　Meyerhoff（1976）建议用下式计算打入桩的qp，最终采用的qs对砂土不应大于400N160，对非塑性粉土不应大于300N160[5]： 　　3.2.3 嵌岩桩 　　Kulhawy and Goodman（1980）建议按下列承载力公式计算嵌岩打入桩qp[5]： 　　（30） 　　式中承载力系数Nc、Nq、Nγ具体取值可参阅文献[5]； 　　Bowels（1997）认为嵌岩桩单位极限端阻力取值为[4]： 　　（31） 　　AASHTO建议如果桩底2B范围岩石是完整或节理密闭的且嵌岩深度大于1.5D，嵌岩桩的极限端阻力采用以下值[2]： 　　（32） 　　AASHTO同时指出qp取4000kPa毫无疑问是非常保守的，但当其与AASHTO规定的qs值同时被使用则可能是合理的。 　　4 国内方法特点分析 　　对于非嵌岩桩的承载力参数，国外一般利用原位测试成果或土体抗剪强度与参数间关系式来确定，国外标准及设计手册中提供了许多原位测试成果与桩基承载力参数间的关系式[2-6]，目前美国多采用Meyerhof法（SPT），而英联邦国家则多采用Nottingham & Schmertmann法（CPT）。而国内仅在CPT上总结了一些经验，实践中主要依赖于承载力表格，各主要行业标准及地方标准均提供了用于静力分析法的承载力参数表格[7-9]。对嵌岩桩均倾向于采用岩石单轴抗压强度与相关承载力参数间经验关系来确定相关参数，但在所采用的关系式上国内外存在一定差异。 　　现行《建筑桩基技术规范》承载力表中对同一性质土层按不同桩长范围分别提供qp值[7]，《铁路桥涵和地基基础设计规范》、《公路桥涵和地基基础设计规范》根据不同的桩进入持力层深度与桩径之比（Lb/D）分别提供了非黏性土中打入桩qp值，对于钻（挖）孔桩则通过修正系数来反映桩长L或长径比（L/D）的影响[8-9]。上述做法一定程度上考虑了端阻的深度效应或临界深度影响，《建筑桩基技术规范》针对大直径灌注桩考虑了尺寸效应对侧阻和端阻的影响，总体而言，《建筑桩基技术规范》较铁路和公路行业规范在理念上更为先进。 　　Bowels（1997）指出打入桩沉桩时引起的相对滑移及锤冲击下的横向桩身位移将导致浅部土层只承受很小的荷载[4]，而现行国内各规范承载力表均仅针对不同土类提供单一qs值，未考虑深度效应及临界深度的影响，也未对打入桩浅部地层侧阻力进行折减，明显存在不合理之处。 　　张忠苗研究发现超长桩桩侧上部土层qs具有不同程度的软化现象，而中下部土层qs具有微弱的强化效应，认为现行的规范以及针对中长桩、短桩发展起来算模式不能完全适用于超长桩，其建议在超长桩承载力计算时，不同深度土层的桩侧阻力应乘以相应的比例系数。桩端阻力随桩端沉降的增加表现为加工硬化特性，在最大加载条件下，实测桩端阻力仍小于按地质资料计算值。在超长桩承载力计算时，桩端阻力亦应乘以相应的比例系数[12]。 　　大部分嵌岩桩上覆土层的侧阻力在桩身受荷过程中可以被调动，除了短粗桩和上覆土层极软的桩外，大多数嵌岩桩不属于端承桩。目前《建筑桩基基础规范》和《公路桥涵地基与基础设计规范》对嵌岩桩承载力均纳入了上覆土层侧阻力[7-8]，但《铁路桥涵地基和基础设计规范》嵌岩桩轴向允许承载力计算式仍排除上覆土层侧阻力[9]，当其被用于长径比较大的嵌岩桩时明显偏于保守。 　　刘利民通过对嵌岩桩桩端阻力的规范计算方法、考虑三向受压状态时的计算方法以及根据岩石承载力的计算方法比较分析，认为传统国内规范方法在确定嵌岩桩端阻力时，主要依据桩端岩石抗压强度，虽然方便，但很难反映岩石的真实受态，往往会得到偏小的计算结果，可能给工程设计带来不必要的浪费[10]。 　　5 结论 　　（1）欧美现行桩基承载力参数确定方法与国内习惯做法间存在较大差异，较国内常用的查表法而言欧美方法的理论机理更为明确，对各类影响因素量化程度也较高，有必要加强国内外方法的对比研究，借鉴欧美做法长处。 　　（2）桩侧阻力存在明显的深度效应，特别是对于打入桩，浅部地层因各种影响因素导致其实际qs值低于承载力参数表建议值，实际工作中应考虑适当折减。 　　（3）国内通常采用的静力分析法虽然具有一些缺点，但其计算简便，便于理解和应用，为各类桩基工程的单桩承载力估算带来极大的方便，具有广泛的应用价值。我国幅员广阔，不同地区岩土层条件差异较大，亟需通过收集不同桩型、持力层、桩长和桩径的静载试验资料，积累地区经验，完善桩基承载力表。 　　参考文献 　　[1]陈祥福，徐至钧.变刚度群桩设计原理与工程应用[M].北京：科学出版社，2011 　　[2]API.Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms�CWorking Stress Design，RP-2A-WSD[S].Washington：American Petroleum Institute，2000 　　[3]AASHTO LRFD Bridge Design Specification，4th edition[S].AASHTO，2007 　　[4]J E BOWLES.Foundation Analysis and Design，5thedition[M].New York：McGraw-Hill Companies Inc，1997 　　[5]Manjriker G.Foundation Engineering handbook[M].New York：Taylor & Francis Group，2006 　　[6]Eurocode 7 - 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