开口钢管桩桩基承载力桩端部分计算方法探讨
王君辉;冯建国;张华平
【摘 要】港口工程类设计规范中未明确给出开口钢管桩的桩基承载力计算方法,设计中常参考JGJ 94-2008.建立桩周全部土体与钢管桩蔽塞效应间的关系,并通过实际工程试验加以验证,为开口钢管桩桩基承载力桩端部分计算方法提供新的思路.解决了“JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》中给出的,桩基承载力计算方法中对桩端蔽塞效应系数的计算仅考虑桩端进入持力层的深度,而忽略了持力层以上土体对桩端蔽塞的影响”的问题.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2012(000)001
【总页数】5页(P49-53)
【关键词】开口钢管桩;竖向桩基承载力;蔽塞效应
【作 者】王君辉;冯建国;张华平
【作者单位】中交第二航务工程勘察设计院,湖北武汉430071;中交第二航务工程勘察设计院,湖北武汉430071;中交第二航务工程勘察设计院,湖北武汉430071
【正文语种】中 文
【中图分类】TU473
钢管桩由于具有承载力大、抗横向力强，能够充分打入到较坚硬的支撑层、设计灵活、桩长容易调节等诸多混凝土桩无法比拟的优点，在港口工程中应用越来越广泛，但现行的港口工程类设计规范中对于钢管桩的桩基承载力并未给出明确的计算方法，因此设计时常参考JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[1]。其计算方法为：
式中：Qsk为桩的侧阻力，该值与桩所穿透的土层的极限侧阻力qsk直接相关；Qpk为桩的端阻力，该值与桩端所在土层的极限端阻力标准值qpk及桩端蔽塞效应系数λp有关。其中，qsk和qpk均为桩基所在地区土体的自身固有属性，根据以往工程经验及相关的地质工程实验可得出该值的近似值。λp为桩端蔽塞效应系数，该值表征了桩端土体蔽塞程度对桩基承载力的影响，当桩基承载力计算中端阻力占较大比重时，该值的计算将直接影响到桩基承载力的计算结果。
钢管桩蔽塞是指钢管桩在被打入持力层的过程中桩周大量土体涌入管内形成土芯，当土芯达到一定高度后土体无法继续涌入管内，此时称钢管桩桩端达到完全蔽塞状态[2]。因而钢管桩的蔽塞效应是从桩进入土体的那一刻就开始发生的，规范JGJ 94—2008[1]在计算桩端蔽塞效应时仅考虑桩基进入持力层的深度对桩端蔽塞的影响，但未考虑到持力层上部覆盖土层对该值的影响，过于保守。本文在前人的研究基础上，试图建立桩周全部土体与桩端蔽塞效应之间的联系，从而修正开口钢管桩桩基承载力桩端部分的计算方法。
1 土塞效应分析及开口钢管桩桩基承载力桩端部分计算修正
土塞的评定标准是桩底高程处土芯与管壁的内摩阻所形成的垂直向总阻力PL与桩端下部地基极限承载力Ru两者相比较，如PL≥Ru则说明土芯已经完全封闭，PL＜Ru则土芯未完全封闭。
1.1 PL的计算
常用PL的计算方法有山原法、田岛法、小泉法等[3]。其中山原法应用最为广泛，山原假定土芯为弹性体，并从具有土芯的桩身部位切取很薄的微分体（图1），则微分体在垂直方向上的平衡方程为（假定土体为砂性土）：
式中： pξ为深度为ξ处的单位垂直压应力（kN/m2）；qξ为深度ξ处的单位水平压应力（kN/m2）；U为管内周长（m）；A0为管内横截面积（m2）；ρ为土的密度（t/m3）；μ为砂土与管壁的摩擦系数。
图1 土芯及微分体
由式（2）得：
式中：ν为土的侧向压力系数。
将式(3)，(4)代入(2)，求得：
在ξ=0时pξ=0，ξ=x时pξ=px，即，在[0,1]区间内为连续函数，故：
设K=μν，当黏性土μ=tanφ时，SY/T 1009—1993K《海上固定平台规划、设计和建造推荐方法》[3]给出了该值的推荐范围，见表1。
表1 计算系数K推荐值?
同理，当管内为黏性土时可求得：
式中：C为土的粘聚力（kN/m2）；φ为土的内摩擦角（°）。
当管内为岩性土时，从表1不难看出当桩内土体由黏性土向砂性土渐变的过程中即土体的内摩擦角增大的过程中，系数K呈递增趋势，故可以推定当桩内土体为岩质土体时K值应不小于0.04，又因为式（7）为关于K的单调递增函数，故当桩内为岩质土体时，可按式（7）计算。
式（7），（8）为钢管桩桩内土体为单一类土情况，如果钢管桩穿越多层土体则该公式可推导为：
当桩端为砂性土时：
当桩端为黏性土时：
则桩内土塞竖向总阻力值为：
1.2 Ru的计算
常用Ru的计算方法有泰沙基公式、麦耶夫公式等[3]，其本质均为静力平衡法。
1） 当桩端为黏性土或砂性土时可按下述两种方法计算，为偏于安全考虑可取其中小值。
①SY/T 1009—1993《海上固定平台规划、设计和建造推荐方法》给出了Ru的计算方法：
式中：P′0为桩底端地基极限承载力修正系数，日本港湾协会规定该值为40，日本建筑协会规定该值为30[2]。Nq为标贯击数平均值（未经修正）：
式中：N1为桩端以下2d范围内标贯平均值； N2为桩端以上10d范围内标贯平均值。
②规范JGJ 94—2008给出了Ru的计算方法：
式中：qb为桩端阻力标准值； Ab为桩端面积。
2） 当桩端为岩层时， JTJ 285—2000《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》[4]给出了当桩端为岩层时端阻力的计算方法。
式中：ξP为桩的端阻力计算系数； frc为岩石饱和单轴抗压强度标准值； Ac为嵌岩段桩端面积。
1.3 本文提出的开口钢管桩桩基承载力计算方法
单桩承载力标准值可表达为：
式中：f=PL/Ru，f≥1.0时取f=1.0。
2 工程实例
2.1 概况
印尼某35 000 DWT散货卸船码头水工结构采用高桩梁板结构，下部桩基为φ1 000钢管桩。码头面高程为4.08 m，设计海底高程为-13.20 m。港池采用挖入式，施工顺序为陆上施打钢管桩、陆上现浇上部结构、港池开挖等。为合理确定码头桩基长度，并验证码头桩基极限承载能力，选取典型钻孔进行静载实验。码头区现有平均地面线为2.00 m，地层由中砂、细砂、粉质黏土、中风化泥岩组成（地质钻孔见图2和表2）。码头桩基拟将钢管桩打入中风化泥2 m（岩层无侧限抗压强度平均值为2.85 MPa）。
图2 工程区典型地质剖面
表2 各单元土体基础设计参数推荐值[5]?土体名称及编号预制桩 天然密度ρ/（t·m-3）桩侧
极限摩阻力标准值qf/kPa 桩端极限阻力标准值qR/kPa①中砂 60 1.90②-1细砂 45 1.85③-3粉质黏土 75 1.85④-2中风化泥岩 220 8 000 1.90
2.2 桩基承载力计算
2.2.1 采用JGJ 94—2008规范计算桩基极限承载力标准值
