鋼管樁靜力拔樁側(cè)摩阻力的計算對比分析

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(1.中國一冶集團(tuán)有限公司湖北分公司，湖北武漢430080；2.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430071；3.湖北省路橋集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430000;4.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢 430063)

0 引 言

多數(shù)橋梁及水上工程施工都會采用鋼管樁作為臨時施工平臺或施工棧橋的下部基礎(chǔ)，一般會根據(jù)實(shí)際需要的承載能力選取不同規(guī)格的鋼管樁以及確定不同的打入深度，通常情況下施工結(jié)束后是要將臨時施工設(shè)施拆除并將地基中的鋼管樁拔出以便回收利用，然而對于通過不同方式打入地基中的鋼管樁，入土深度、樁徑、地基土質(zhì)、土體固結(jié)時間等因素的不同都會導(dǎo)致拔樁的上拔力的不同，所以想要將其成功拔出也不是一件非常容易的事，需要前期對拔樁力進(jìn)行理論計算分析，并據(jù)此來選擇拔樁設(shè)備型號。

目前國內(nèi)外對側(cè)摩阻力的計算都是參考一定的規(guī)范公式，其中美國按照API-RP2A的方法計算[2]，而國內(nèi)大多參考公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[3]或建筑樁基技術(shù)規(guī)范[4]中提供的半經(jīng)驗(yàn)公式。因?yàn)槎际怯嘘P(guān)土力學(xué)的計算，且采用的方法不同，所以二者的計算結(jié)果也會有所差異[5]。文中就是通過幾種不同的工況來對比分析這兩種計算方法的差別，為同類工程提供理論指導(dǎo)。

1 計算方法原理

1.1 國外計算方法

文中涉及的樁土摩擦力計算方法主要是API-RP 2A中的計算方法，由此得到的側(cè)摩阻力計算公式為：

(1)

fv=Ksp0tanφ′

(2)

p0=γz

(3)

其中:Fv為側(cè)摩阻力；r為鋼管樁半徑；Ks為水平土壓力系數(shù)，一般取值0.5～1.0，表示水平與垂直有效正應(yīng)力之比；p0為土層有效覆蓋土壓力；γ為覆蓋土層土重度；φ′為樁與土之間的摩擦角,一般樁土摩擦角與土的內(nèi)摩擦角之比為0.6～0.7。

該計算方法的原理是認(rèn)為樁與土的側(cè)摩阻力主要是由于計算截面之上土層對樁的擠壓引起的，而樁周土對樁的水平壓力又與豎向土壓力有關(guān)，所以上述計算方法從豎向土壓力入手，進(jìn)而得出樁土側(cè)摩阻力。

1.2 國內(nèi)計算方法

國內(nèi)對于拔樁過程側(cè)摩阻力的計算并無相對應(yīng)的理論公式，一般參照摩擦樁單樁軸向受拉承載力計算方法計算，據(jù)此可得樁側(cè)摩阻力計算公式為：

(4)

其中:qik為土層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；αi振動沉樁對各土層樁側(cè)摩阻力的影響系數(shù)，對于錘擊、靜壓沉樁和鉆孔樁，αi=1.0；li為土層厚度。

該計算方法主要以經(jīng)驗(yàn)值為主進(jìn)行計算，樁側(cè)摩阻力是根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，具有較好的可信度，但取值不同對計算結(jié)果影響較大。

2 計算結(jié)果對比

為了較好的對比分析這兩種計算方法的區(qū)別，下面將分三類不同的工況分別用這兩種方法計算樁側(cè)摩阻力[6～7]。

2.1 不同入土深度計算

通過假定土質(zhì)情況相同、樁徑相同，而計算不同的入土深度對應(yīng)的樁側(cè)摩阻力，為了能夠更好地分析樁長的影響，假定土層是單層土，為可塑黏性土，樁徑設(shè)為630mm,入土深度取值范圍為10～30m,梯度設(shè)為2m。

查閱相關(guān)資料可得可塑黏性土的參數(shù)如下表：

表1 可塑黏性土參數(shù)表

現(xiàn)分別用上述兩種計算方法對不同的入土深度進(jìn)行計算，計算結(jié)果見圖1。

圖1 樁側(cè)摩阻力與入土深度的關(guān)系

由計算結(jié)果及圖表對比可以看出在入土深度較小時兩種計算方法的計算結(jié)果比較接近，隨著入土深度的增加，二者的差別也逐漸增大；同時入土深度對第一種計算方法的樁側(cè)摩阻力影響較大。

2.2 不同樁徑計算

針對不同樁徑，選取入土深度為17m，土層還是為單一的可塑黏性土，樁徑取值范圍為200～1500mm,梯度為100mm,計算結(jié)果見圖2。

由上述計算結(jié)果可知，隨著樁徑的增大，兩種計算方法的結(jié)果差別也是逐漸增大，但是差值增大趨勢并不像入土深度那樣明顯；另外可以看出國外計算方法的摩阻力值隨著樁徑增大而增大的趨勢更大。

圖2 不同樁徑的樁側(cè)摩阻力

2.3 不同土質(zhì)計算

為了較好的分析土質(zhì)對計算結(jié)果的影響，在此對于不同的土質(zhì)還是取單層土，樁徑和入土深度分別取600mm和15m，土質(zhì)分類如下表：

表2 土質(zhì)分類表

對于上表中不同的土質(zhì)計算結(jié)果見圖3。

圖3 不同土質(zhì)樁側(cè)摩阻力

由上述計算結(jié)果可以看出和前兩種工況一樣，國外計算方法的摩阻力都比國內(nèi)計算方法的摩阻力大；同一類土，隨著含水率的降低和顆粒的增大摩阻力也隨之增大。

3 計算結(jié)果分析

3.1 不同入土深度計算結(jié)果分析

對于上述不同入土深度樁側(cè)摩阻力的計算結(jié)果，兩種計算方法的差值之所以是三種情況中最大是因?yàn)閲庥嬎惴椒ㄊ怯韶Q向土壓力推導(dǎo)水平土壓力，進(jìn)而沿深度方向積分得到樁側(cè)摩阻力，而樁側(cè)摩阻力是如圖深度的二次函數(shù)；而國內(nèi)計算方法的樁側(cè)摩阻力只是深度的一次函數(shù)，而且還和側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值有關(guān)，而這一數(shù)值只能根據(jù)由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)的取值范圍取值，這對計算結(jié)果的影響較大。

3.2 不同樁徑計算結(jié)果分析

對于不同樁徑樁側(cè)摩阻力，由計算結(jié)果分析可得：國外計算方法對于水平土壓力的處理是根據(jù)實(shí)際情況推導(dǎo)的，即土壓力隨入土深度線性增大[6]，而國內(nèi)計算方法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取了一個中間值作為單位長度方向土壓力的代表值，這兩種處理的方式是引起兩者計算結(jié)果差別的主要原因，而樁徑的不同也會增大二者的差別。所以對于單層土積分法會比較接近實(shí)際情況，因?yàn)槿绻麊我煌翆由疃容^深，取中間值的誤差會比較大，對計算結(jié)果影響也會較大，就會造成理論計算和實(shí)際差距較大；而對于多層土兩者差別就會減少。

3.3 不同土質(zhì)計算結(jié)果分析

對于不同土質(zhì)的情況，由計算結(jié)果分析可得:黏性土是比較特殊的，它對樁側(cè)摩阻力的影響并不像其他的土一樣，由圖3可以看到，對于細(xì)砂、中砂、粗砂，兩種計算方法的結(jié)果雖不相同，但是變化趨勢是一樣的，而對于黏性土二者的變化卻并不一樣，主要是因?yàn)楹蕦?cè)摩阻力影響較大，而對土的重度和內(nèi)摩擦角影響較小，所以對于黏性土兩種計算方法的差別會比較大，但是實(shí)際上含水率的不同對樁側(cè)摩阻力的影響應(yīng)該是較大的。

4 結(jié) 論

通過分不同的入土深度、不同的樁徑、不同的土質(zhì)這三種工況對API-RP2A計算方法和國內(nèi)規(guī)范法計算對比分析可得出以下結(jié)論：

(1)國外計算方法通過理論推導(dǎo)的方式計算得出樁側(cè)摩阻力，雖然是從最基本的計算推導(dǎo)誤差較小，但是其中和的取值也會造成一定的差別；而國內(nèi)計算方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算，取值有較大的浮動，主要以經(jīng)驗(yàn)為主。二者的計算結(jié)果雖然有差別，但是通過分不同工況計算可以看出對于入土深度較小以及樁徑也較小的情況二者計算的結(jié)果還是比較接近的，由此可見對于小樁徑、小樁長的情況，兩種理論計算的結(jié)果應(yīng)該和實(shí)際比較接近。

(2)兩種計算方法各有可取之處，也各有存在不足的地方，相比較而言，積分法采用的理論推導(dǎo)會比較接近實(shí)際情況，總體會略好一些。

(3)文中是為了比較入土深度、樁徑、土質(zhì)等因素對兩種計算方法的影響，所以假設(shè)的情況可能會與實(shí)際情況略有不同，所以在今后的研究中應(yīng)該假設(shè)多層土的情況分析。