單樁豎向承載力國(guó)內(nèi)外計(jì)算方法的差異比較

李 毅

(中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 10000)

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單樁豎向承載力國(guó)內(nèi)外計(jì)算方法的差異比較

李 毅

(中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 10000)

文章主要根據(jù)國(guó)內(nèi)常用的單樁承載力的計(jì)算方法和國(guó)外的單樁承載力計(jì)算方法進(jìn)行單樁豎向承載力計(jì)算，并根據(jù)兩個(gè)案例來(lái)比較計(jì)算結(jié)果，對(duì)比國(guó)內(nèi)和國(guó)外的承載力計(jì)算基本機(jī)理、參數(shù)取值、安全系數(shù)的不同取法。

單樁承載力；豎向；計(jì)算方法；比較

0 前 言

文章主要根據(jù)國(guó)內(nèi)常用的的單樁承載力的計(jì)算方法和國(guó)外的單樁承載力計(jì)算方法進(jìn)行單樁豎向承載力計(jì)算，并根據(jù)兩個(gè)案例來(lái)比較計(jì)算結(jié)果，對(duì)比國(guó)內(nèi)和國(guó)外的承載力計(jì)算基本機(jī)理、參數(shù)取值、安全系數(shù)的不同取法。

國(guó)內(nèi)規(guī)范確定非嵌巖樁豎向極限承載力時(shí)有2種方法，①根據(jù)CPT值計(jì)算，CPT值又包括單橋的值和雙橋的值；②根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定。國(guó)外的非嵌巖樁豎向極限承載力計(jì)算方法主要有CPT值法、à法和β法。其中à法主要根據(jù)土的總應(yīng)力，再取相應(yīng)的參數(shù)的確定；β法主要根據(jù)土的物理力學(xué)性質(zhì)(如r，￠等)來(lái)確定。

總之，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的計(jì)算方法比較相近，但是細(xì)微處還是有差別,下面就對(duì)這兩種方法分別比較。

1 CPT 法比較

根據(jù)(JGJ94-2008)5.2.6 當(dāng)根據(jù)單橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，如無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)可按下式計(jì)算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikLi+ àPskAp

(1)

式中：u為樁身周長(zhǎng)；qsik為用靜力觸探比貫入阻力值估算的樁周第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；地表下6m范圍內(nèi)取15kPa，對(duì)粉土及砂土土層上的黏性土取0.05Ps，當(dāng)Ps>600時(shí)，取0.025Ps+25，但最大≤125KPa；對(duì)粉土及砂土土層下的黏性土取0.016Ps+20.35，但最大≤100kPa；對(duì)粉土，粉砂細(xì)砂沙及中砂取0.02Ps，但最大≤100kPa；Li為樁穿越第i層土的厚度；à為樁端阻力修正系數(shù)，樁入土深<15m，取0.75，15～30m，取0.75～0.90，30～60m，取0.90；Psk為樁端附近的靜力觸探比貫入阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁端面積。

根據(jù)國(guó)外的教材，CPT實(shí)際上可以看作為小型的樁的荷載試驗(yàn)，因?yàn)槎咴谏罨A(chǔ)下的傳力機(jī)制非常相似，靜力觸探阻力qc和樁的樁端承載力qt’接近，同時(shí)靜力觸探的側(cè)阻力fsc和樁的側(cè)摩擦力fs很接近，所以樁的豎向承載力計(jì)算公式為：

P=qt’At+fs As

(2)

式中：P為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；qt’=ctqeg；ct為端承樁系數(shù)，建議取1。

qeg 取值：當(dāng)樁端從軟弱土層穿到致密土層時(shí)，取樁端上面8倍樁徑和下面4倍樁徑內(nèi)的平均值，當(dāng)樁端從軟弱土層到致密土層時(shí)，取樁端上面2倍樁徑或樁端下面4倍樁徑的平均值。

fs=Cs qe

(3)

式中：fs為單位側(cè)摩擦力；Cs為側(cè)摩擦系數(shù)，通常對(duì)于敏感土取0.08，黏土取0.05，粉土或粉黏土取0.025，粉砂土取0.01，砂土取0.004；qe為CPT 有效探頭阻力值；As為樁側(cè)面積。

2 案例一

從章節(jié)2中可以看出，用CPT的方法計(jì)算單樁豎向極限承載力國(guó)內(nèi)國(guó)外的原理都一致，都是通過(guò)靜力觸探的阻力值，來(lái)推導(dǎo)樁的側(cè)面摩擦力和端承力，但區(qū)別在于同樣的靜力觸探值推導(dǎo)出來(lái)的側(cè)面摩擦力和端承力略有不同，下面就通過(guò)1個(gè)案例來(lái)看兩者之間的區(qū)別和聯(lián)系。

案例：有一根400mm的預(yù)制方樁打入土層深度12m，上面8m為粉土，側(cè)面靜力觸探摩主力fSc為70kPa，靜探阻力為2000KPa；下面4m為粉砂土，側(cè)面靜力觸探摩擦力fSc為20kPa，靜探阻力為2500KPa；計(jì)算此預(yù)制方樁的豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

2.1 根據(jù)國(guó)外的算法

表面粉土層，忽略掉上面的1.5m，fs=CSqe=0.025×2000=50kPa，As=4×0.4×6.5=10.4

下面的粉沙層fs=0.01×2500=25kPa ，As=4×0.4×4=6.4

端阻力qt’=Ctqeg=1×2500=2500kPaAt=0.4×0.4=0.16

豎向承載力極限值P=qt’At+fs As=1080kN

2.2 根據(jù)國(guó)內(nèi)的計(jì)算方式

在地表下6m范圍內(nèi)，fs=15kPa,在6～8m深度，對(duì)于粉土fs=0.02Ps=40KPa，對(duì)8～12m深度，土層為粉砂層fs=0.02Ps=50KPa

P=qt’At+fs As=900kN

從兩種算法看，國(guó)外的豎向極限值為1080kN，而根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范算的豎向極限值為900kN，但是在取允許荷載的時(shí)候，國(guó)內(nèi)取得是極限值的0.5，國(guó)外取得是極限值的0.4。就本案例來(lái)說(shuō)，國(guó)外計(jì)算得的荷載允許值=1080/2.5=432kN，國(guó)內(nèi)算的荷載允許值 =900/2=450kN。

所以從最后所得的允許荷載來(lái)看，兩者非常接近，偏差約為4%。

3 土的物理力學(xué)參數(shù)法比較

3.1 國(guó)內(nèi)計(jì)算方法及取值

當(dāng)沒(méi)有靜力觸探指標(biāo)，而是依據(jù)其他土的物理力學(xué)指標(biāo)時(shí)，確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)宜按下式計(jì)算(JGJ94—2008)5.2.8：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikLi+ QpkAp

(4)

式中：qsik用樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，一般按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取值。

3.2 國(guó)外計(jì)算方法及取值

國(guó)外利用土的物理特性進(jìn)行單樁豎向力的計(jì)算時(shí)，用的基本公式與用CPT計(jì)算的方法一致，只是物理參數(shù)的選取方法有差異，公式如下：

P=qt’At+fs As

(5)

3.2.1 不同地層端承樁的取值

式中：qt’為端承力，fs為側(cè)面單位摩擦力。首先計(jì)算端承力的算法：

1) 在砂土中，根據(jù)有效應(yīng)力計(jì)算樁端承載力公式為：

qt’=BRNr*+e’zd Nq*

(6)

式中：B為樁的直徑，Nr*；Nq*為樁的承載力系數(shù)；R為樁端土的浮容重，e’；zd為樁端處的垂直有效應(yīng)力。

2)長(zhǎng)螺旋壓灌樁

qt’=190×N60<7500KPa

(7)

式中：N60為位于樁端和樁端下一倍直徑土層的標(biāo)慣擊數(shù)。

3)灌漿處理后的基底

有些地基在做樁前，會(huì)對(duì)基礎(chǔ)底部預(yù)先進(jìn)行壓力灌漿處理，以提高樁端的承載力，對(duì)這種基礎(chǔ)預(yù)處理過(guò)的地基端承力計(jì)算如下：

qt’=28*(N1)60 D/Bb<280 (N1)60

(8)

式中：(N1)60 為修正后的標(biāo)慣值，位置位于樁端和樁端下一倍樁徑；D為地表到樁端的深度；Bb為樁徑。

4)鉆孔灌注樁

因?yàn)閼?yīng)力釋放或鉆孔工程中的擴(kuò)孔現(xiàn)象，使得樁端的承載力反要小于原有狀態(tài)下的地基承載力，國(guó)外采用地基沉降小于樁基端頭直徑5%對(duì)應(yīng)的承載力作為樁的端承阻力，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

qt’=57.5×N60<2900kPa

(9)

式中：N60為位于樁端和樁端下2倍直徑處的標(biāo)慣值，但是對(duì)于N60>50的情況下，所對(duì)應(yīng)的材料有膠結(jié)材料存在，要用膠結(jié)承載力公式，再用上述公式就不太適合。同樣對(duì)樁徑>1.2m的樁，如果按照5%的沉降標(biāo)準(zhǔn)會(huì)得到60mm的沉降才能完全發(fā)揮樁端的承載力，但根據(jù)通常的結(jié)構(gòu)使用要求，沉降應(yīng)該控制在25mm以內(nèi)，鑒于此，對(duì)于大直徑的樁，要根據(jù)直徑對(duì)端承力進(jìn)行調(diào)整。

5)黏土

由于黏土低的透水性，有理由認(rèn)為樁端下面的黏土的承載力為不排水剪切力存在，當(dāng)樁的埋深>3倍樁徑且不排水剪切值<250kPa的情況下，黏土的樁端阻力可以計(jì)算為：

qt’=Nc×Su

(10)

式中：Nc*為承載力系數(shù)，當(dāng)Su=25kPa 時(shí)，為6.5；當(dāng)su=50kPa時(shí)，為8；當(dāng)su>100kPa時(shí)，為9；Su為樁端和位于樁端下面2倍直徑內(nèi)的不排水剪切強(qiáng)度值，抗剪強(qiáng)度值可以從無(wú)側(cè)限抗剪試驗(yàn)或三軸抗剪試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到，但是要特別注意黏土中有裂隙的情況，尤其當(dāng)裂隙的寬度>試樣寬度的時(shí)候，對(duì)所得的Su值要做相應(yīng)的調(diào)整。同樣對(duì)Su>250KPa的情況下，通常認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)的材料為膠結(jié)材料，是介于巖石和土之間的物體，有不同于土的特性，需要用膠結(jié)材料的公式來(lái)計(jì)算。同樣，對(duì)于用抗剪強(qiáng)度得到的樁端承載力也需要進(jìn)行沉降驗(yàn)算和做相應(yīng)的調(diào)整。

6)膠結(jié)材料和巖石

膠結(jié)材料是一個(gè)新的范疇用來(lái)描述那些介于比較堅(jiān)硬的土和軟巖之間的材料，向有黏性的黏土頁(yè)巖或泥巖，抗剪強(qiáng)度位于250～2500kPa，或者沒(méi)有黏性的材料向冰磧物之類的，但他們的標(biāo)慣值>50擊。

對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)，他們的抗剪強(qiáng)度>2500KPa，對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度>5000kPa，對(duì)于巖石或膠結(jié)材料來(lái)說(shuō)他們的樁端支承力比較難以計(jì)算，主要是由于巖石的不完整性，受各種影響因數(shù)較大。但普遍來(lái)說(shuō)，端承應(yīng)力還是比較大的，在比較硬的巖石上，端承應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)基礎(chǔ)的應(yīng)力強(qiáng)度，此時(shí)，主要的控制目標(biāo)變成了結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

對(duì)于有黏結(jié)性的巖石，當(dāng)巖芯采取率為100%時(shí)，端承應(yīng)力qt’=2.5quz；當(dāng)巖芯采取率為70%～100%時(shí)，端承應(yīng)力qt’=4830 qu0.51；

如果巖石的裂隙較多，且發(fā)展方向是隨機(jī)的，qt’=(t0.5+(mt0.5+t)0.50 )qu；

對(duì)于非黏結(jié)性巖石，qt’=0.59(N1)60 0.8e’zd，(N1)60 為標(biāo)準(zhǔn)慣入值得修正值，而且上覆應(yīng)力<100，e’zd為垂直有效應(yīng)力。

3.2.2 不同地層側(cè)摩擦力取值

單位側(cè)摩擦力的算法，基本的計(jì)算模型是把樁與土之間的摩擦看為滑動(dòng)摩擦，基本公式為：

fs= e’x tanф

(11)

式中：fs為單位側(cè)摩擦力；e’x為水平有效應(yīng)力，垂直于樁軸線；tanф=u 為樁和土之間的摩擦系數(shù)；Φ 土和樁之間的摩擦角。

上式簡(jiǎn)化為fs= e’z；β=K0(K/ K0)tan(ф)；e’z 為從地表到計(jì)算土層中點(diǎn)的垂直有效應(yīng)力。

國(guó)外根據(jù)試驗(yàn)和一些分析，對(duì)不同的土層得到了不同的側(cè)摩擦力的計(jì)算公式：

對(duì)于砂土中的大面積的擠土樁=0.18+0.65Dr ，其中Dr為砂的相對(duì)密度。

對(duì)于鉆孔灌注樁在砂土中N60>15的情況，推薦采用公式β=1.5～0.245

根據(jù)上述公式得到的摩擦力最大≤190KPa，對(duì)于砂層N60<15的情況，摩擦力采用上述公式時(shí)，需要乘一個(gè)N60/15的系數(shù)，同時(shí)最大側(cè)摩擦力不大于140KPa。

對(duì)于礫石含量超過(guò)50%的砂土，推薦采用公式β=3.4e～0.085Z

對(duì)于礫石含量在25%～50%的砂土，推薦采用β=2.0～0.15Z0.75

如果礫石含量<25%，由于礫石的摩擦力是大于砂土的，所以采用β=0.18+0.65Dr ，所得到的值是可以滿足要求和安全的。

對(duì)于黏土和粉土的β值，一般來(lái)說(shuō)粉土取0.27～0.5，黏土取0.25～0.35，由于黏土在施工過(guò)程中，由于干燥，擾動(dòng)或其他原因會(huì)引起收縮，所以地表以下1.5m范圍內(nèi)黏土的摩擦力通常不計(jì)。同時(shí)，對(duì)于黏土和粉土來(lái)說(shuō)，由于他們的摩擦力受固結(jié)程度的影響，所以，對(duì)比較新的土一般都取較低值，只有超固結(jié)比較多的，才會(huì)取較高值。

4 案例二

有一直徑600mm的鉆孔灌注樁，樁深14m，施工于如下的地理環(huán)境中，地下水位以上r為17kN/m3,地下水位以下r為20kN/m3，試用計(jì)算方法粗估其豎向承載力，見(jiàn)圖1所示。

圖1 直徑600mm的鉆孔灌注樁豎向承載力計(jì)算圖

4.1 國(guó)外β法

根據(jù)上節(jié)所述，先用β法計(jì)算樁基的側(cè)摩擦力。采用β=1.5～0.245 但對(duì)于N60 <15時(shí)，并沒(méi)有乘N60/15的系數(shù)，得到的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

采用qt’=57.5N60計(jì)算端承力，N60選用16m處的值為24，

得到qt’=57.5×24=1380KPa

At=3.14×0.6×0.6/4=0.283m2

采用3的安全系數(shù)得到設(shè)計(jì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

Pa= (qt’At+fs As)/F=(1380×0.283+1748)/3=712.8kN。

表1 β法計(jì)算結(jié)果

4.2 國(guó)內(nèi)的物理參數(shù)法

灌注樁豎向極限承載力計(jì)算公式如下：

Quk=Qsk+Qpk=sikLi + Qpk Ap

(12)

地層屬于粉細(xì)砂和細(xì)砂，標(biāo)慣值<30，查表得到樁的側(cè)摩擦力如下：

表2 樁的側(cè)摩擦力值

對(duì)樁端阻力，當(dāng)樁深<15m，標(biāo)慣值>15時(shí)，查表得樁端阻力為 900kPa。

豎直極限承載力

Quk=Qsk+Qpk=sikLi + Qpk Ap=1479.8kN

采用國(guó)內(nèi)通常安全系數(shù)為2的設(shè)計(jì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值

Pa= Quk/2=739.9kN

從兩種算法來(lái)看，國(guó)外的豎向極限值為2138KN，而根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范算的豎向極限值為1478kN，但是在取允許荷載的時(shí)候，國(guó)內(nèi)取得是極限值的0.5，國(guó)外取得是極限值的0.33。就本例來(lái)說(shuō)，國(guó)外計(jì)算得的荷載允許值=2138/3=712kN，國(guó)內(nèi)算的荷載允許值 =1478/2=740kN。所以從最后所得的允許荷載來(lái)看，兩者非常接近，偏差約為4%。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)單樁豎向承載力極限值的計(jì)算基本理論都一致，都是取側(cè)摩擦力和樁端阻力之和，但在具體的土力參數(shù)上取值略有不同，國(guó)外的取值強(qiáng)調(diào)來(lái)龍去脈，而國(guó)內(nèi)的只給一個(gè)綜合統(tǒng)計(jì)值。

2)在取標(biāo)準(zhǔn)值的安全系數(shù)上略有不同，國(guó)外的有3，2.7，2.5的，國(guó)內(nèi)的普遍取2。但是最后的設(shè)計(jì)承載力值都差不多。

3)國(guó)外的計(jì)算方法更強(qiáng)調(diào)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)的結(jié)合性，根據(jù)不同的地層和不同的實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)展出不同的計(jì)算方法。

4)國(guó)外的計(jì)算方法對(duì)地層的分類更細(xì)，尤其是對(duì)介于土和巖石之間的地層，提出了承載力的計(jì)算法，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候現(xiàn)場(chǎng)樁基施工對(duì)入巖的判定和承載力的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不足。

[1]高大釗,姜安龍,張少欽.樁基礎(chǔ)安全度控制的若干問(wèn)題[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005(07)：808-811.

[2]高笑娟,李躍輝,朱向榮,等.擠擴(kuò)支盤樁承載性狀與沉降特征的試驗(yàn)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(05)：61-64.

[3]毛斌,駱瑞萍.穩(wěn)態(tài)機(jī)械阻抗法測(cè)定單樁豎向承載力[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2006(04)：591-592.

[4]崔樹(shù)琴,高盟.拋物線法在單樁豎向承載力確定中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2008(01)：88-90.

[5]崔樹(shù)琴,張遠(yuǎn)芳,李傳鑌,等.突變理論在單樁豎向承載力確定中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2006(02)：61-67.

Comparison of Domestic and Foreign Calculation Methods of Vertical Bearing Capacity of Single Pile

LI Yi

(International Engineering Limited Company of Chinese Electricity Construction Group,Beijing 10000，China)

According to the vertical bearing capacity calculation method of single pile often used in China and foreign calculation method of single pile bearing capacity，this paper conducted the single-pile vertical bearing capacity calculation，based on the calculation results of two cases，the basic theory of domestic and foreign bearing capacity calculation，parameter values and safe coefficient were compared in the paper.

vertical bearing capacity of single pile;calculation method;difference

2016-07-26

李毅(1977-)，男，四川重慶人，高級(jí)工程師，從事水利水電工程地基處理施工工作。

1007-7596(2016)09-0017-04

TU473.11

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