开口钢管桩竖向承载力计算方法
陈新奎;戴国亮;龚维明
【摘 要】开口钢管桩存在复杂的土塞作用,准确地计算其承载力是工程设计的关键.介绍了开口钢管桩的承载机理、土塞效应以及部分国家和地区的承载力计算方法,包括总竖向承栽力、侧阻力以及端阻力的计算方法.列举了一工程算例进行对比分析,可为工程设计提供一定的参考.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2016(000)003
【总页数】8页(P137-144)
【关键词】开口钢管桩;承载机理;土塞效应;竖向承载力
【作 者】陈新奎;戴国亮;龚维明
【作者单位】东南大学 预应力及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏 南京 210096;东南大学 土木工程学院,江苏 南京 210096;东南大学 预应力及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏 南京 210096;东南大学 土木工程学院,江苏 南京 210096;东南大学 预应力及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏 南京 210096;东南大学 土木工程学院,江苏 南京 210096
【正文语种】中 文
【中图分类】TU473.1+1
开口钢管桩具有抗冲击、易打入、施工简单、竖向承载力强以及抗水平力作用等优点，随着港口、码头等近海区域建设的蓬勃发展，开口钢管桩的应用愈加广泛。常见的钢管桩的桩径一般在400～2 000 mm，壁厚在6～30 mm，文献[1]中所用的钢管桩直径是810～1 200 mm，壁厚为18 mm，可以支撑起该集装箱码头工程共9个5万～10万吨级泊位。现有的规范中开口钢管桩承载力计算方法比较保守，一些工程中需要加大钢管桩的用量才能满足承载力设计值的要求，这样就造成了资源的浪费，也不利于工作的顺利展开。因此，如何准确计算开口钢管桩的承载力是工程建设中面临的重点和难点。
开口钢管柱的承载机理与多种因素有关，比闭口桩复杂很多。在开口钢管桩贯入土体的过程中，桩端处一部分土体会进入桩内形成“土芯”，另一部分挤向桩周，加密了桩周土体。如图1所示，由于受到桩内侧摩阻力fs的作用，随着桩的贯入，土芯会被压缩。如果桩的贯入深度增加，土芯高度也随之增加，这说明桩内壁摩阻力fsi小于土芯底端的阻力qbi；如果桩内土芯高度不随桩的贯入深度增加而增加，说明土芯已完全闭塞，即土芯底端的阻力qbi与桩内壁摩阻力fsi相平衡。因此土芯的高度和闭塞程度与土性、桩内径、桩贯入深度等多种因素有关。
开口钢管桩的桩端闭塞与否可用实测法、计算法等进行判断。实测法即在打桩过程中观测桩的入土深度与土芯增长的关系，如果桩的入土深度继续增加而土芯停止增长，表示土芯已闭塞。但根据大量资料统计，无论钢管桩直径多少，还没有出现过完全闭塞的情况[2],在打桩过程中现场测试土芯高度[3]，也证实了这一点,因此有些学者怀疑开口钢管桩承载能力的可靠性。笔者认为，这是由于随着桩继续往下贯入，土芯底端的阻力在不断增加，需要增加土芯的长度才能使之与摩擦力相平衡，但由于土芯在被挤密后摩擦力也有所提升，因此土芯增长的幅度会逐渐缩小。
根据图1中的土芯静力平衡条件，即假设土芯底端阻力等于桩内侧摩阻力和土芯重力之和(式(1))，可以得出极限状态时土芯的最小长度(式(2))，根据此式可以判断土芯是否闭塞。从式(2)可见最小长度与桩端阻力和桩内径成正比，与桩土摩阻力和浮密度成反比[4]。
式中：Lmin为闭塞土芯的最小长度(m);ρ′为土芯在水下浮密度(tm3);qb为桩端处土的单位承载力(kPa);fi为扰动前管桩壁与土的单位摩阻力(kPa);d为钢管桩内径(m)。
2.1 总承载力计算方法
目前，钢管桩承载力的计算可分为两种。第1种方法分别计算桩内侧土塞摩阻力、桩外侧摩阻力、桩底圆环承载力，三者之和即为单桩承载力[4]：
第2种方法是分别计算桩外侧摩阻力和整个桩端截面的端阻力，计算端阻力时考虑了桩端的闭塞效应，这也是建筑桩基技术规范[5]所给出的算法(式(4))。
规范还给出了qsik和qbk大量的建议值，见规范表5.3.5-1和5.3.5-2。相比于前一版桩基规范(JGJ 94—1994),现行规范并未考虑挤土效应系数(该系数小于1)，这使得计算结果比上版规范略大一些。
文献[6]认为用桩基规范中给出的闭塞效应系数来计算开口钢管桩桩端承载力有些保守，应当考虑持力层以上土体对桩端闭塞效应的影响，对承载力进行修正。港口工程桩基规范[7]指出，开口钢管桩的单桩轴向承载力设计值Qb可按下式计算：
该规范规定，对于η的取值，应根据桩径、入土深度和持力层特性综合分析；入土深度较大，进入持力层深度较大，桩径较小时取大值，反之取小值。入土深度>30d或>30 m，分别认为入土深度较大和进入持力层深度较大，当表层为淤泥时，可适当增减。
韩国基础结构设计标准(KGS)[8]规定，开口钢管桩的埋深超过5倍桩径时，就认为完全闭塞，用整个截面的面积计算桩的极限承载力，这与我国港口桩基规范[7]的规定相同。该规范采用了两种方法计算开口钢管桩极限承载力(式(7)、(11))：
1)在无黏性土中。
2)在黏性土中。
式(11)是经验公式，根据Meyerhof公式修正而来的。
2.2 侧阻力和端阻力的计算方法
文献[10]认为，在计算单桩轴向受压极限承载力时应考虑桩的自重，并给出了桩端阻力和桩侧阻力的计算公式：
在很多承载力计算方法中，需要考虑土塞效应对承载力的影响。土塞效应的影响具体是以PLR和IFR的形式出现在计算公式之中。PLR(plug length ratio)即土塞填充率，是土芯长度与钢管桩入土深度之比；IFR(incremental filling ratio)即土塞增长率，是土塞长度的增量与入土深度增量之比，见图2。
国内外学者基于CPT试验，提出了很多计算开口钢管桩承载力的方法。文献[13]给出的Bustamante-Gianelli法，将桩侧阻力fs、桩端阻力qb与锥尖阻力qc建立联系，提出了计算桩基础承载力的经验公式：
文献[14]推导出的砂土和黏土中适用于各种打入桩的ICP法；西澳大学(the University of Western Australia)对ICP法进行了改进，提出了基于ICP法的UWA法[15]；文献[16]对UWA法进行了改善，提出了HKU方法等。ICP、UWA、HKU这3种方法比较相似，它们的基本理念是一致的：通过试桩数据，分别建立CPT锥尖阻力与桩端阻力、桩侧阻力的经验关系，并将土塞对承载力的影响在关系式中体现出来。
在计算桩端阻力和桩侧阻力时，ICP法考虑的是钢管桩内、外直径的影响，UWA法和HKU法都能考虑钢管桩土塞的闭塞程度对端阻和侧阻的影响，分别采用IFR和PLR作为判断土塞程度的指标。 ICP法和UWA法均已被API第22版固定海洋平台设计规程采纳。这3种方法在计算侧摩阻力时，都采用CPT锥尖阻力qc，而不是侧壁阻力fs，这是由于测定的qc值比fs更可靠一些。静力触探时不同的探头截面积对qc值影响不大，而对fs影响较大。
在计算桩端阻力时，ICP法首先需要判断桩端是否处于闭塞状态，如果满足d≥2.0(Dr-0.3)或d≥0.03qca(Dr为桩端砂土的相对密度，取小数形式)，则认为桩端非闭塞，否则视为桩端闭塞，桩端未闭塞和闭塞情况下的桩端平均阻力qb计算方法不同。UWA法中，IFR取最终3D贯入深度范围内的平均值。HKU法将土塞承载力和桩端圆环承载力分开计算，具体公式见表5。
3种方法考虑了不同的影响区域，因此qca值也有所不同。ICP法qca取桩端上下各1.5D范围内qc的平均值，UWA法先对桩端以下0.7D～4D范围内的qc做平均值M1，然后与该范围内qc最小值平均后得M2，再对桩端以上8D范围内一些较小的qc值做平均得M3，取qca为M2和M3的平均值。在砂土中，HKU法分别计算桩端以上2D和桩端以下4.5D范围内qc的平均值M3和M4，若M3≤M4，则qca取二者平均值，否则取M4[17]。
在计算桩侧阻力时，3种方法都根据库伦摩擦定律确定某深度处的单位桩侧摩阻力：
在计算时，ICP法和UWA法采用同样的公式：
文献[18]认为钢管桩施工完成后，承载性能取决于土塞，若已完全闭塞，不需要再考虑桩壁内侧摩擦力，并且在计算总承载力时应该考虑桩的自重。在计算桩端承载力Qb时，需要分别计算桩端圆环的承载力Qann和土塞承载力Qplug，二者之和即为桩端总承载力：
由式(24)可推得平均的桩端阻力qb,avg。
