中美規(guī)范灌注樁單樁抗壓承載力計(jì)算對(duì)比

巴 蕾,關(guān)玉君，劉 杰

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027)

灌注樁是指在工程現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)機(jī)械鉆孔、鋼管擠土或人力挖掘等手段在地基土中形成樁孔，并在其內(nèi)放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁。灌注樁配筋率一般較低且適應(yīng)持力層起伏較大的地質(zhì)條件，不需要截樁、不設(shè)接頭，因此在工程中被廣泛使用。

隨著全球共同發(fā)展和“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位承攬了大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，這就要求設(shè)計(jì)人員快速掌握并應(yīng)用不同國(guó)家的設(shè)計(jì)理念和相關(guān)規(guī)范。同時(shí)行業(yè)之間也存在一定程度的交叉，比如典型橋梁結(jié)構(gòu)跨海大橋下部的類似碼頭的觀景平臺(tái)，或者典型的水工結(jié)構(gòu)人工島附近修建的小型橋梁。對(duì)于灌注樁基礎(chǔ)，不同的設(shè)計(jì)規(guī)范之間存在著一定的差異性，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的需要，并符合相應(yīng)國(guó)家及行業(yè)的規(guī)范要求，是一個(gè)值得研究的課題。有工程師針對(duì)中、美、歐日關(guān)于打入樁設(shè)計(jì)方法的異同，在設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)、單樁軸向抗壓承載力、單樁抗拔承載力和水平承載力等方面進(jìn)行了綜合對(duì)比分析[1-3]；也有工程師對(duì)比了中英規(guī)范大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力設(shè)計(jì)，并通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)豎向承載力的設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核[4]。本文針對(duì)灌注樁單樁抗壓承載力計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)中國(guó)碼頭規(guī)范、中國(guó)公路規(guī)范及美國(guó)高速公路規(guī)范計(jì)算細(xì)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)介紹，通過(guò)具體項(xiàng)目實(shí)例作進(jìn)一步的對(duì)比分析，給出不同規(guī)范設(shè)計(jì)方法的異同，為灌注樁單樁抗壓承載力設(shè)計(jì)提供參考。

1 中國(guó)碼頭結(jié)構(gòu)規(guī)范

JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](簡(jiǎn)稱JTS規(guī)范)將樁分為打入樁、灌注樁及嵌巖樁3類。對(duì)于挖孔入巖的混凝土樁，若持力層為軟巖(遇水軟化巖層或飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值小于10 MPa的巖層)，樁的承載力宜按灌注樁計(jì)算，若為堅(jiān)硬巖層則按嵌巖樁考慮。

在沒(méi)有靜荷載試樁資料的情況下，灌注樁單樁軸向抗壓承載力計(jì)算方法由JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法修正而來(lái)，設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：

(1)

式中：Qd為單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值(kN)；γR為單樁軸向承載力分項(xiàng)系數(shù)；U為樁身截面周長(zhǎng)(m)；ψsi、ψp為樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，當(dāng)樁徑不大于0.8 m時(shí)，均取1.0，當(dāng)樁大于0.8 m時(shí)，按規(guī)范取值，與樁徑有關(guān)；qfi為單樁第i層土的單位面積極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，如無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值時(shí)，可按JTS規(guī)范表4.2.8-5取值；li為樁身穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度(m)；qR為單樁單位面積極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，如無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值時(shí)，可按JTS規(guī)范中表4.2.8-6取值；A為樁端截面面積(m2)。

由式(1)可以看出，JTS規(guī)范對(duì)灌注樁的抗壓承載力取了一個(gè)整體的抗力分項(xiàng)系數(shù)，在計(jì)算側(cè)阻與端阻時(shí)分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)黏性土及非黏性土的尺寸效應(yīng)系數(shù)。計(jì)算須先對(duì)地層種類進(jìn)行劃分，當(dāng)無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值時(shí)通過(guò)查表得到樁基礎(chǔ)端阻和側(cè)阻承載力推薦值。通過(guò)分析規(guī)范表4.2.8-5中不同地層的側(cè)阻推薦值可以發(fā)現(xiàn)：1)黏性土側(cè)阻與土壤液性指數(shù)有關(guān)，對(duì)于相同類別的土層，液限指數(shù)越低，土壤側(cè)阻越大；2)無(wú)黏性土側(cè)阻由土壤密實(shí)度決定，密實(shí)度可由標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)或重型圓錐動(dòng)力觸探擊數(shù)衡量，對(duì)于相同類別的土層，擊數(shù)越高，土壤側(cè)阻越大；3) 對(duì)于巖石，強(qiáng)風(fēng)化巖側(cè)阻高于全風(fēng)化巖，硬質(zhì)巖較軟質(zhì)巖側(cè)阻大。通過(guò)分析規(guī)范表4.2.8-6中不同地層的端阻推薦值可以發(fā)現(xiàn)：各類土體端阻推薦值除了與側(cè)阻推薦值相同的相關(guān)因素和趨勢(shì)外，還與泥面以下樁長(zhǎng)有關(guān)，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，端阻越大。

嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：

(2)

式中：U1、U2分別為覆蓋層與嵌巖段的樁身截面周長(zhǎng)；ξfi為樁周側(cè)阻力計(jì)算系數(shù)，與樁徑相關(guān)；hr為嵌巖段深度；ξs、ξp為嵌巖段側(cè)阻力、端阻力計(jì)算系數(shù)，與嵌巖深徑比hrd有關(guān)；γcs、γcR為覆蓋層、嵌巖段受壓承載力分項(xiàng)系數(shù)，嵌巖段的分項(xiàng)系數(shù)較大；frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)工程勘察報(bào)告提供的數(shù)據(jù)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定。

2 中國(guó)公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范

JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](簡(jiǎn)稱JTG規(guī)范)中也同樣將灌注樁分為摩擦樁的鉆孔灌注樁和支撐在基巖或嵌入基巖內(nèi)的鉆(挖)孔灌注樁兩類進(jìn)行計(jì)算。不同的是，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值小于2 MPa的巖層即為軟巖，樁的承載力宜按摩擦樁計(jì)算；大于2 MPa為堅(jiān)硬巖層，按嵌巖樁考慮。

在沒(méi)有靜荷載試樁資料的情況下，摩擦樁的鉆孔灌注樁單樁軸向承載力容許值按式(3)、(4)進(jìn)行計(jì)算，樁側(cè)阻計(jì)算采用0.5的折減系數(shù)，樁端阻計(jì)算則是對(duì)樁端土處的承載力基本容許值[fa0]根據(jù)清底情況、樁端的埋置深度以及它們與樁徑之間的關(guān)系做一系列的折減。

(3)

qR=m0λ[[fa0]+k2ρ2g(h-3)]

(4)

式中：λ為修正系數(shù)；m0為清底系數(shù)，對(duì)于透水性土取0.70～0.85，對(duì)于不透水性土取0.65～0.71；k2為容許承載力隨深度的修正系數(shù)，根據(jù)樁端處持力層土類按規(guī)范選用；h為樁端的埋置深度；γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均密度(tm3)。

當(dāng)無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，各土層側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值同樣通過(guò)查表得到，趨勢(shì)規(guī)律與碼頭規(guī)范相似。決定端阻的地基承載力基本容許值有如下規(guī)律：1)巖石的容許值與堅(jiān)硬情況及節(jié)理的發(fā)育程度有關(guān)，越堅(jiān)硬的、節(jié)理越不發(fā)育的，容許值越大；2)碎石及砂土地基的容許值與密實(shí)度相關(guān)，同類土層越密實(shí)容許值越大；3)黏性土的容許值與液性指數(shù)和天然孔隙比有關(guān)，同類土層液性指標(biāo)越高、孔隙比越大，容許值越低。

支承在基巖上或嵌入基巖內(nèi)的鉆孔樁的單樁軸向受壓承載力按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：c1、c2為巖石端阻、側(cè)阻的發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定；hi為巖層i的深度；ξs為覆蓋層土的側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)樁端的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk確定。

3 美國(guó)公路規(guī)范

API RP 2A-WSD規(guī)范[8]是海上石油平臺(tái)及港口領(lǐng)域廣泛認(rèn)可的國(guó)際通用規(guī)范，但該規(guī)范只給出了打入樁樁基承載力的計(jì)算方法，并沒(méi)有針對(duì)灌注樁樁基承載力的計(jì)算描述。AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications[9](簡(jiǎn)稱AASHTO規(guī)范)是國(guó)際橋梁設(shè)計(jì)界接近領(lǐng)先地位的規(guī)范，對(duì)打入樁及灌注樁樁基承載力均有詳細(xì)介紹。

與國(guó)內(nèi)規(guī)范相同，AASHTO規(guī)范中灌注樁的軸向抗壓承載力也由端阻和側(cè)阻兩部分組成，采用式(6)計(jì)算：

RR=φqpqpAp+φqsqsAs

(6)

式中：φqp、φqs分別為樁尖、樁側(cè)承載力折減系數(shù)，取值參考AASHTO規(guī)范表10.5.5.2.4-1；qp為單位樁端承載力(MPa)；qs為單位樁側(cè)承載力(MPa)；Ap為灌注樁端截面積(mm2)；As為灌注樁側(cè)面積(mm2)。與國(guó)內(nèi)規(guī)范不同的是,AASHTO規(guī)范將土質(zhì)分為黏性土、非黏性土及巖石,并分別給出對(duì)應(yīng)的側(cè)阻及端阻計(jì)算公式。

3.1 黏性土樁基承載力

黏性土的樁側(cè)阻力按式(7)、(8)計(jì)算：

qs=αSu

(7)

(8)

式中：Su為土層的不排水抗剪強(qiáng)度(MPa)；α為黏性系數(shù)；pa為大氣壓強(qiáng)，為0.101 MPa。

黏性土的樁端阻力按式(9)、(10)計(jì)算：

qp=NcSu≤3 671 kPa

(9)

Nc=6[1+0.2(ZD)]≤9

(10)

式中：D為樁徑；Z為樁的埋深。

3.2 無(wú)黏性土樁基承載力

非黏性土的樁側(cè)阻力采用β方法，按式(11)、(12)計(jì)算：

qs=βσ′v

(11)

(12)

式中：σ′v為土層中部的豎向有效應(yīng)力；β為荷載傳遞系數(shù)；φ′f為土層的有效內(nèi)摩擦角；σ′p為豎向有效前期固結(jié)應(yīng)力。

非黏性土的樁端阻力與平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N60有關(guān)，由式(13)計(jì)算：

qp=1.2N60

(13)

qp的值應(yīng)限制在2 753 kPa以下，除非有荷載試驗(yàn)給出較大的數(shù)值。

3.3 入巖樁基承載力

對(duì)于入巖的灌注樁，樁側(cè)阻力qs由式(14)計(jì)算：

(14)

對(duì)于沒(méi)有人工支撐無(wú)法鉆孔的裂隙巖石，樁側(cè)阻力應(yīng)由式(15)計(jì)算：

(15)

式中：C為衰退系數(shù)，普通工況下取1.0；qu為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；αE為考慮巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD及巖石節(jié)理的折減系數(shù)。

如果樁下2倍樁徑深度范圍內(nèi)的巖石為完整巖石，入巖樁的樁端阻力按式(16)計(jì)算：

qp=2.5qu

(16)

如果該深度范圍內(nèi)的巖石為節(jié)理巖石且節(jié)理有任意的方向，那么樁端承載力按式(17)、(18)計(jì)算：

(17)

(18)

式中：σ′vb為樁端處的豎向有效應(yīng)力(MPa)；qu為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；s、a、mb為節(jié)理巖石的質(zhì)量參數(shù)，由AASHTO規(guī)范表10.4.6.4-4及圖10.4.6.4-1查得，取決于巖石的類別及密實(shí)程度、節(jié)理的發(fā)育情況、巖石表面的情況、不同的施工工藝對(duì)土體的擾動(dòng)情況等。

由式(14)～(18)分析可得：1)對(duì)于黏性土，土體的端阻與側(cè)阻與不排水抗剪強(qiáng)度直接相關(guān)。不排水抗剪強(qiáng)度越高，土體側(cè)阻和端阻越高；樁的埋深越深，樁徑越小，端阻越大。2)對(duì)于無(wú)黏性土，端阻與樁端土層的標(biāo)貫擊數(shù)有關(guān)，標(biāo)貫擊數(shù)越大端阻越大；側(cè)阻與沿樁身分布土壤的豎向有效應(yīng)力、有效內(nèi)摩擦角有關(guān)，隨著地層深度增加，土體有效應(yīng)力逐漸增加，側(cè)阻逐漸增加；當(dāng)土層位于地下水以下時(shí)，土壤的有效應(yīng)力就會(huì)有所下降。3)對(duì)于巖石基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，完整巖石中樁的側(cè)阻與端阻值均隨著巖石單軸抗壓強(qiáng)度的增大而增大；對(duì)于節(jié)理或是裂隙巖石，單軸抗壓強(qiáng)度越高，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD越高，密實(shí)度越大，巖石完整度越高，施工對(duì)土體的擾動(dòng)越小，土體的側(cè)阻與端阻值越大。

4 規(guī)范對(duì)比

JTS規(guī)范采用極限承載力除以承載力分項(xiàng)系數(shù)的形式，在側(cè)阻與端阻和的基礎(chǔ)上取了一個(gè)整體的抗力分項(xiàng)系數(shù)；JTG規(guī)范對(duì)側(cè)阻采用了0.5的折減系數(shù)，對(duì)端阻的計(jì)算則根據(jù)影響因素做了一系列的折減，而無(wú)固定的折減系數(shù)；AASHTO規(guī)范對(duì)端阻、側(cè)阻均考慮了折減系數(shù)。各規(guī)范分項(xiàng)系數(shù)及折減系數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1，可知JTG與AASHTO兩個(gè)公路規(guī)范的側(cè)阻折減系數(shù)相近。

表1 抗壓承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)與折減系數(shù)對(duì)比

注：JTS規(guī)范抗力分項(xiàng)系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法對(duì)應(yīng)的系數(shù)；AASHTO規(guī)范同一種土的折減系數(shù)會(huì)因?yàn)椴煌难芯炕蚪?jīng)驗(yàn)公式而不同。

JTS規(guī)范與JTG規(guī)范計(jì)算時(shí)依據(jù)液限和標(biāo)貫擊數(shù)等，使用查表得到推薦的單位側(cè)阻及端阻值進(jìn)行計(jì)算，操作簡(jiǎn)單，但受表格中土的分類限制，當(dāng)遇到特殊地質(zhì)土?xí)r查表受限。JTG規(guī)范沒(méi)有給出強(qiáng)風(fēng)化與全風(fēng)化巖(單軸抗壓強(qiáng)度小于2 MPa)對(duì)應(yīng)的推薦值。AASHTO規(guī)范將土質(zhì)分為黏性土、非黏性土及巖石并分別給出不同的計(jì)算公式，計(jì)算過(guò)程概念明確，充分考慮了土體應(yīng)力狀態(tài)、地下水等因素的作用，通過(guò)不排水抗剪強(qiáng)度、標(biāo)貫擊數(shù)和上覆土有效壓力等參數(shù)，計(jì)算土層的側(cè)阻與端阻，更能真實(shí)反映土體的應(yīng)力情況，適用范圍更廣；但相比較JTS與JTG規(guī)范，其計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要多種土工試驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)基本參數(shù)。不同規(guī)范考慮的影響因素見(jiàn)表2。

表2 側(cè)阻及端阻影響因素對(duì)比

對(duì)于入巖樁，JTS規(guī)范將巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度10 MPa作為軟巖與硬質(zhì)巖的分界，樁基承載力分別采用灌注樁和嵌巖樁的不同公式進(jìn)行計(jì)算；JTG規(guī)范同樣有這個(gè)類似的分界，但單軸抗壓強(qiáng)度的分界值為2 MPa。

對(duì)于硬質(zhì)巖的側(cè)阻計(jì)算，JTS與JTG規(guī)范中側(cè)阻值為巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度直接乘以修正系數(shù),AASHTO規(guī)范引入了大氣壓強(qiáng)，側(cè)阻值是在飽和單軸抗壓強(qiáng)度與大氣壓強(qiáng)的比值基礎(chǔ)上開(kāi)根號(hào)再乘修正系數(shù)，因此修正系數(shù)比JTS及JTG規(guī)范要大很多。

5 工程實(shí)例

某觀景平臺(tái)為典型的水工結(jié)構(gòu)，采用灌注樁樁基，帽梁上方為預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心板梁結(jié)構(gòu)，斷面如圖1所示。用3種規(guī)范分別進(jìn)行計(jì)算，直觀對(duì)比依據(jù)各規(guī)范計(jì)算的設(shè)計(jì)承載力的情況。

工程地勘報(bào)告所給的土體指標(biāo)見(jiàn)表3，土層從上至下依次為砂質(zhì)粉土、太平洋淤泥、殘積土、風(fēng)化巖，所有土層均在平均海平面以下，密度采用浮密度。灌注樁直徑1 600 mm，入土深度30 m。

圖1 觀景平臺(tái)斷面(高程：m；尺寸：mm)

表3 土體指標(biāo)

因工程處于初期階段無(wú)靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)各規(guī)范的計(jì)算方法和參數(shù)，求得相應(yīng)的樁基承載力見(jiàn)表4。

表4 樁基承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

注：JTS規(guī)范抗力分項(xiàng)系數(shù)取中間值；JTS與JTG規(guī)范查表得的土體參數(shù)值均取中間值；假設(shè)灌注樁施工工藝為泥漿護(hù)壁鉆孔。

根據(jù)各規(guī)范樁基抗壓承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比，JTS與JTG規(guī)范計(jì)算的淺層土體側(cè)阻值要比AASHTO規(guī)范偏大，而AASHTO規(guī)范計(jì)算的深層土體側(cè)阻計(jì)算值更大，這是因?yàn)锳ASHTO規(guī)范考慮了豎向有效應(yīng)力的影響，另外兩個(gè)規(guī)范淺層與深層土均是用查表推薦值計(jì)算。對(duì)于樁端土為較軟巖石的鉆孔灌注樁，中美規(guī)范計(jì)算均表明樁側(cè)摩阻力所占比例較大，而樁端阻力所占比例較小，因此這種情況下灌注樁一般可看成是摩擦樁或摩擦端承樁；對(duì)于算例選定的樁端土qu為3 MPa巖石的灌注樁，3種規(guī)范的端阻占比依次為JTG規(guī)范>JTS規(guī)范>AASHTO規(guī)范，也就是說(shuō)摩擦樁的效應(yīng)依次增強(qiáng)。

6 結(jié)論

1)JTS規(guī)范采用承載力除以承載力分項(xiàng)系數(shù)的形式,JTG與AASHTO規(guī)范采用承載力乘折減系數(shù)的形式，JTS規(guī)范的整體安全系數(shù)儲(chǔ)備較ASSHTO規(guī)范小。

2)JTS規(guī)范與JTG規(guī)范計(jì)算時(shí)使用查表得到推薦的單位側(cè)阻及端阻值進(jìn)行計(jì)算，操作簡(jiǎn)單，但受表格中土的分類限制，當(dāng)遇到特殊地質(zhì)土?xí)r查表受限。AASHTO規(guī)范計(jì)算過(guò)程概念明確，充分考慮了土體應(yīng)力狀態(tài)、地下水等因素的作用，計(jì)算土層的側(cè)阻與端阻，更能真實(shí)反映土體的應(yīng)力情況，適用范圍更廣。但相比較JTS與JTG規(guī)范，其計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要多種土工試驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)基本參數(shù)。

3)對(duì)于入巖樁，JTS規(guī)范與JTG規(guī)范將巖石分為軟巖與硬質(zhì)巖，樁基承載力分別采用灌注樁和嵌巖樁的不同公式進(jìn)行計(jì)算;AASHTO規(guī)范中沒(méi)有這個(gè)分界，但樁入巖部分的側(cè)阻與端阻計(jì)算考慮了巖石的質(zhì)量指標(biāo)RQD、節(jié)理發(fā)育程度、施工工藝引起的土體擾動(dòng)情況及豎向有效應(yīng)力等因素，較JTS與JTG規(guī)范更為細(xì)致精確。

4)樁端土為較軟巖石的鉆孔灌注樁一般可看成是摩擦樁或摩擦端承樁。