欧标及API规范桩基承载力设计
吴哲丰;郝风光
【摘 要】欧洲标准作为当前较新的设计标准应用逐渐广泛,其在桩基设计上采用分项系数法取代了传统标准中采用的安全系数法.分项系数可选择多个路径,并且可根据试桩情况,调整分析系数的数值,对于缺乏试桩的情况需对数值计算进行校正,设计方法先进.API-RP2A方法在桩基极限承载能力的计算上应用最为广泛.总结了几内亚力拓铁矿码头项目和几内亚阿联酋铝业码头项目中的设计经验,介绍了将欧标与API规范相结合进行桩基承载力设计的方法,并与国内2012版港口工程桩基规范进行了比较.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2016(000)0z1
【总页数】5页(P133-137)
【关键词】桩基极限承载能力;欧洲标准;API-RP2A方法
【作 者】吴哲丰;郝风光
【作者单位】中交水运规划设计院有限公司,北京100007;中交水运规划设计院有限公司,北京100007
【正文语种】中 文
【中图分类】U656.1+34;TU473.1
欧标是由欧洲标准化委员会制定的一系列关于建筑设计、土木工程和建筑产品的欧洲规范，已经逐步形成包括10卷60分册的完整配套的工程技术标准体系，成为在工程建设领域中具有较大影响力的一套区域性国际标准。2010年3月已经全面实施欧洲建筑和土木工程技术标准和相应的国家附件。欧标体系基本涵盖了所有土建工程领域(包括工民建、公路、铁路、水利水电、港口码头等)，与国内标准不同，欧标偏重于大土木工程的通用性和系统性知识，偏重于理论、原理和设计概念的更新。
美国石油协会基于美国AISC钢结构设计规范，综合考虑了大量工程设计原理和海洋石油开发经验发布了API，是国际上应用较为广泛的海上钢结构规范之一，是海洋工程结构设计的
必备规范。
具体到桩基承载力设计上，欧标规定了设计体系、设计路径、设计组合、调整系数的选取，而对于桩基承载力特征值的确定，尤其是利用数值求解桩基承载力特征值的方法则没有具体的规定，往往是采用国际上公认的方法来获取，并没有详细的规定。而API体系内的API-RP2A规范则详细规定了数值求解桩基承载力特征值的多种方法，其计算参数取值可以从多项土力学试验结果中获取，根据不同的土力学试验结果，可以选择不同的数值计算方法，实用性强。由于API具有强大的科研能力和海洋工程开发经验，其数值计算方法在海洋工程的领域具有权威性。
海外项目往往选址都在不发达地区，在项目的初期往往不具备对桩基进行静载荷试桩或者动载试桩的条件，根据土力学试验得到的土力学参数对桩基承载力特征值进行数值计算是不可避免的。同时，项目又要求设计必须满足欧标体系，因此将欧标的设计体系与API-RP2A的数值计算方法相结合则是一种较好的方法。
本文以几内亚力拓铁矿码头项目和几内亚铝业码头项目中的开口钢管桩直桩设计为例，介绍欧标和API-RP2A相结合进行桩基承载力计算的方法。
欧标中的EC7[1]规定了桩基承载力的计算原则，根据规定，进行桩基承载力的计算可以有3个不同的设计路径进行，不同的欧洲国家可以按照各自国家附录的推荐选用不同的路径进行分析，不同路径可以选用不同的分项系数，通过这些分项系数，将作用(A)、抗力(R)、材料(M)的特征值转化为设计值。不同设计路径下的分项系数见表1。
欧标采用3种设计路径是对欧洲不同国家设计习惯的妥协，这样不同的国家可以采用不同的表达式与本国的国家附录相对应，不同设计路径的区别见表2。
英国国家附录(UK National Annex to Eurocode 7)[2]推荐桩基承载力采用设计路径1进行计算，也就是说要分别对作用和抗力进行验算。而我国JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》[3]中的桩基承载力的验算采用分项系数法，同时在作用和抗力上施加分项系数，从计算理论上来说与设计路径2相同。
以几内亚力拓铁矿码头项目和几内亚铝业码头项目中的开口钢管桩直桩设计为例，在进行分项系数选择时，按照英国国家附录，推荐采用设计路径1进行计算，其具体表达式如下：路径1： 桩基承载力验算内容；组合1:A1“+”M1“+”R1；组合2:A2“+”(M1 or M2)“+”R4。其中，欧标和英国国家附录中对于作用分项系数 A1、A2的规定见表3。
土体、岩石等的特征值需要除以材料分项系数得到设计值，欧标和英国国家附录中对于材料分项系数 M1、M2的规定见表4。
由于参考的项目没有来自于土体的不利参数，因此M2不参与计算。土体参数均选择M1=1.0，即可以采用标准值。
根据计算或者试验得到的桩基承载力特征值(标准值)需要除以承载力分项系数才能得到设计值，欧标和英国国家附录中对于抗力分项系数R1、R4的规定见表5。
值得注意的是，欧标的R4对应的推荐值，比英国国家附录的R4推荐值明显偏低较多，这是由于欧标中的R4所对应的桩力特征值来源于桩的静载试验或者是桩试验所得到的特征值，而不是来源于土的参数所进行的数值计算值，欧标中的R4对于计算值是不使用的，这是采用欧标进行桩基承载力计算非常容易犯的错误。
当通过试验的方式得到桩基承载力特征值时，桩力的试验值还需要除以协调系数(correlation factors)ξ，对于不同的试验类型，对应不同的协调系数(表6、7)。
对于不具备对桩基进行静载荷试桩或者动力检测试桩条件的项目，利用土力学参数对桩基
承载力特征值进行数值计算是不可避免的。而在欧标中没有专门的规定，这种情况下，则应该参照国家附录对数值计算得到的基桩进行修正。如在表5中，英国国家附录就针对该种情况对抗力分项系数进行了放大矫正，使得修正后的桩基承载力能够对应原先的综合安全系数(2.0～3.0)的水准。
以几内亚力拓铁矿码头项目和几内亚铝业码头项目中的开口钢管桩直桩设计为例，由于工程区域缺乏试桩资料，可认为无极限状态验证，因此最终R4的取值取为表5中的大值。
由于欧标和对应的国家附录中，并未规定桩基极限承载力的数值计算的方法，因此设计人员在选择计算公式时往往无所适从，国内的一整套桩基极限承载力的计算方法是基于国内的土工试验的基础上得到的，由于国内外的土工试验标准不尽相同，因此国内的方法在海外项目中往往得不到承认，给设计工作带来很大的困难。而API-RP2A[4]的计算方法，适用于海外绝大多数的土工试验，且得到广泛应用和承认，在海外项目中使用最为广泛。
开口钢管桩的总承载力计算分为桩侧摩阻力和桩端阻力两部分：
4.1 砂性土的桩侧摩阻力计算
对于砂性土中的管桩，其桩侧任意一点的侧摩阻f(kPa)可按下式计算：
式中：c为该点处土体的不排水抗剪强度；a为无量纲系数，可由下式决定：
式中：ψ=c,为对应点处的摩擦角；为该点处的有效土压力(kPa)。
4.2 砂性土的桩端阻力计算
式中：c为该点处土体的不排水抗剪强度。
4.3 黏性土的桩侧摩阻力计算
对于黏性土中的管桩，其桩侧任意一点的侧摩阻f(kPa)可按下式计算：
式中：K为横向土压力系数，不闭塞桩取0.8，闭塞可取1.0；p0为该点处有效土压力(kPa)；δ为桩土摩擦角，可查表8根据土体分类、疏密度取值。
对于较长的桩，考虑到侧摩阻的非线性增长，对于某一种类的土，规定了其侧摩阻的限值，可查表8校核。
4.4 黏性土的桩端阻力值计算
式中：p0为桩端处有效土压力；Nq为无量纲承载力系数，可查表8根据土体分类、疏密度取值。
4.5 闭塞效应系数的考虑
API-RP2A可以考虑桩的闭塞效应，考虑了闭塞效应的桩，在计算竖向抗压承载力时，桩端面积可以按照整个桩的截面来考虑；对于没有闭塞的桩，在计算竖向抗压承载力时，桩端面积则按环形来考虑。而桩端是否形成闭塞，闭塞效应是多少，在API-2A中可以静力计算来确定。若桩内的土重力加上桩内侧的摩阻力，大于桩塞土体所受的桩端阻力，则认为桩端形成了闭塞，反之则未完全形成闭塞。
我国的《港口工程桩基规范》是在1998版规范的基础上经过修订完成的，设计采用以概率论为基础的极限状态设计，以可靠度指标度量桩基的可靠度，采用分项系数表达的极限状态设计表达式，其设计理念与欧标中的设计路径2基本相同。
《港口工程桩基规范》采用试桩和数值计算的桩抗力特征值也分别给出了抗力分项系数，
有试桩的抗力分项系数小，这点也和欧标理念相同，但是试桩情况下的抗力分项系数没有针对试验类型、试验组数、试验边界条件进行细致划分，与欧标还存在一定的差距。
