開口鋼管樁單樁承載力研究現(xiàn)狀分析

鄧冰杰

（重慶交通大學 重慶 400074）

開口鋼管樁單樁承載力研究現(xiàn)狀分析

鄧冰杰

（重慶交通大學 重慶 400074）

總結(jié)了常用的計算開口鋼管樁單樁承載力計算方法，分別是的建筑樁基規(guī)范法、港口工程樁基規(guī)范法和ICP法、UWA法、ZSTU法、海利公式法，分析了各種方法的特點。最后總結(jié)了從土塞對鋼管樁內(nèi)摩阻力出發(fā)來計算開口鋼管樁單樁承力的研究現(xiàn)狀。

開口鋼管樁；單樁承載力；土塞

引言

開口鋼管樁由于具有承載力高、設(shè)計靈活性大、對周圍土層擾動小、質(zhì)量易保證、施工方便等優(yōu)點，其應(yīng)用越來越廣。小直徑的鋼管樁現(xiàn)在已經(jīng)被用在深基坑支護，邊坡支護等支護工程上，一般情況下會與其他的支護方式結(jié)合使用，與錨桿結(jié)合使用的比較多[6]。在古舊建筑基礎(chǔ)的修復上也常常采用開口鋼管樁，如開封的玉皇閣和西安的萬壽寺塔都是用小直徑的鋼管樁成功實現(xiàn)基礎(chǔ)的托換以起到保護古建筑的作用。直徑較大的開口鋼管樁則常被用在碼頭、港口、橋梁、海上工作平臺、高層與超高層建筑等的基礎(chǔ)工程中。

開口鋼管樁在沉樁的過程中，由于樁底為開口的，大量的土體會涌入管內(nèi)，我們稱管內(nèi)的土柱為“土塞”或者“土芯”。由于存在土塞與樁管內(nèi)壁復雜的相互作用，使得開口管樁的沉樁性狀比閉口樁沉樁性狀更為復雜，對打樁以及樁的承載力的影響更吸引人的關(guān)注。

2 國內(nèi)外比較常用的開口鋼管樁計算方法

2.1在閉口樁的基礎(chǔ)上進行折減

我國現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和 《港口工程樁基規(guī)范》給出的計算方法都是在閉口樁的基礎(chǔ)上進行折減。計算模式為“側(cè)摩阻+樁端阻”，側(cè)摩阻在計算時與閉口樁一樣，折減的部分主要是樁端阻。折減系數(shù)在 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》稱為“土塞效應(yīng)系數(shù) ”，它的取值主要與樁端進入持力層的相對深度hb/d（其中l(wèi)b為樁端進入持力層的深度，d為鋼管樁外徑）有關(guān)。在 《港口工程樁基規(guī)范》中稱為“承載力折減系數(shù)η”，其取值與樁外徑、樁的入土深度、樁的入土深度以及樁端進入持力層的深度先關(guān)。

由于確定標準的不同，對折減系數(shù)的取值有較大的區(qū)別。這與它們所面對的工程對象的不同有關(guān)?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》主要適用于建筑工程中土質(zhì)比較好、可以達到持力層，樁徑相對比較小的開口鋼管樁?！陡劭诠こ虡痘?guī)范》可能更適用于港口工程中土質(zhì)較差、直徑比較大的，難于達到持力層，直徑相對較大的開口鋼管樁。

2.2考慮土塞指標的計算方法

（1）ICP法

（2）UWA法

UWA方法由西澳大學Lehane研究團隊在ICP方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的比較適用于砂土中開口鋼管樁單樁承載力計算的方法,也是基于靜力觸探（CPT）。該方法的優(yōu)點在于在計算時引入了表示土塞的指標IFR(土塞高度增長率)和PLR（土塞高度比）。在計算端阻時用的是全截面。

（3）ZSTU法

2.3海利公式法

海利公式(heily)基于動能守恒定律和撞擊原理。該方法的缺點只能使用在動力沉樁上，計算時需要詳細的動力沉樁的工程數(shù)據(jù)。計算公式為：

3 考慮土塞對鋼管內(nèi)壁的摩阻力的計算方法

當土塞處于未閉塞狀態(tài)時，鋼管在承受上部荷載時，土塞有向上運動的趨勢，鋼管有向下運動的趨勢。此時，“單轉(zhuǎn)承載力=樁外側(cè)摩阻力+樁內(nèi)側(cè)摩阻力+鋼管樁環(huán)形截面的端阻”。當土塞處于閉塞狀態(tài)時，土塞高度不會再增高，鋼管在承受上部荷載時，土塞與鋼管一起有向下運動。因此，單樁豎向承載力=樁外側(cè)摩阻力+樁環(huán)形截面的端阻+土塞提供的端阻。

這里設(shè)計到“土塞對鋼管樁的內(nèi)摩阻力如何確定”的問題。目前主要有兩種思路。第一種，通過建立土塞微元體的平衡方程推導出土塞的總內(nèi)摩阻力，其中比較出名的山原法。第二種，通過研究內(nèi)摩阻力與外摩阻力的關(guān)系來確定內(nèi)摩阻力。李樂銘等的研究表明：對于大直徑的開口鋼管樁，只有在接近樁端的區(qū)域土塞內(nèi)摩阻力與外摩阻力大致相當，在土塞的大部分區(qū)段內(nèi)，內(nèi)摩阻力一般僅相當與相同深度外摩阻力的30%-50%。陸昭球通過對大量實際工程中的打樁記錄進行分析，提出來他的“10倍樁徑有效長度理論”，即認為在打樁過程中只有距樁底10倍樁徑范圍內(nèi)的土塞發(fā)揮作用。隨著有限元分析方法的出現(xiàn)，很多研究者通過有限元對土塞內(nèi)摩阻力進行研究。得出結(jié)論：內(nèi)摩阻力從土塞頂?shù)酵寥状笾鲁手笖?shù)函數(shù)分布。

目前，這種計算方案還沒有給出比較明確的計算公式，主要原因是國內(nèi)外學者基本都是從宏觀的角度對土塞進行定性或半定量的研究，對開口鋼管樁土塞效應(yīng)的細觀力學本質(zhì)的研究還很欠缺。因此，從土塞形成的細觀機理出發(fā)來研究土塞對開口鋼管樁單樁承載力的貢獻可能是今后的一個研究方向。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

[2] 中華人民共和國交通運輸部.JTS167-4-2012.港口工程樁基規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012

[3] 李韜，高大釗.開口管樁壓入法沉樁土塞效應(yīng)機理分析[J].地質(zhì)與勘探，2003，39(z2)：273-275

[4] 鄭俊杰,聶重軍,魯燕兒.基于土塞效應(yīng)的柱形孔擴張問題解析解[J].巖石力學與工程學,2006,25(z2)：4004-4008

[5] 曹文書,趙東,陳平,張衛(wèi)喜.開口鋼管樁沉樁助力研究[J].四川建筑科學研究，2012，38（6）：122-124

[6] 趙長明.砂土中鋼管樁豎向承載力設(shè)計方法的比較研究[D].合肥工業(yè)大學，2014

[7] 陸昭球,高倚山,宋銘棟.關(guān)于開口鋼管樁工作性狀的幾點認識[J]巖土工程學報，1999(1)

[8] 俞峰,楊峻.砂土中鋼管樁承載力的靜力觸探設(shè)計方法[J].巖土工程學報，2011，33（z2）：349-354

[9] 李樂銘,尚玉華.大直徑鋼管樁垂直承載力的試驗研究[A]．交通部三航局科研所科技成果論文集[C],1990

[10] 鹿寧.小口徑鋼管靜壓樁的沉樁阻力研究[D].西安建筑科技大學，2015

[11] 劉國輝.土塞對管樁單樁豎向承載力計算的影響[D].天津大學，2007

[12] 郭平.大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁豎向承載性狀數(shù)值分析[D].浙江大學，2005

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1007-6344（2017）05-0320-01