西班牙Rom規(guī)范與中國JTS規(guī)范樁基承載力設計方法對比

龔 煌，劉 普，陳昊天

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040)

隨著“一帶一路”倡議的開展，越來越多的中國設計企業(yè)進軍海外市場，對海外工程所在地標準和規(guī)范的了解情況極大程度地影響能否中標以及中標后的設計進度和質量，這就對設計人員的要求越來越高。關于樁基礎，不同設計規(guī)范的設計理念和設計方法均存在一定程度的差異。國外樁基承載力的設計方法，歐洲規(guī)范EN 1997-1[1]和美國石油行業(yè)規(guī)范API RP 2A-WSD[2]等相對較為常用，孔友南等[3]針對中美歐日樁基承載設計規(guī)范進行了比較分析；蔡偉等[4]對歐標和常用美標的打入樁樁基承載力進行了計算對比。對于中南美洲以及部分非洲國家往往側重于使用西班牙Rom規(guī)范[5]，但目前鮮有關于中國JTS規(guī)范[6]與西班牙Rom規(guī)范樁基承載力計算方法的對比分析，海外工程往往要求設計人員快速掌握并應用當?shù)貒业脑O計理念和適用性規(guī)范，因此有必要對兩本規(guī)范的樁基承載力設計方法進行對比研究，可為適用西班牙Rom規(guī)范的海外工程提供參考。

1 西班牙Rom規(guī)范單樁抗壓承載力計算方法

西班牙Rom規(guī)范中針對單樁抗壓承載力計算主要分為基于靜態(tài)公式和動態(tài)公式兩種計算方法，具體分類方法見圖1。

圖1 西班牙Rom規(guī)范單樁軸向承載力設計方法分類

西班牙Rom規(guī)范中單樁承載力的計算公式為：

Qh+W′=qpAp+∑τfAf

(1)

式中：Qh為樁頂豎向極限荷載(kN)；W′為樁體自身重力(kN)；qp為單位面積樁端阻力(kPa)；Ap為樁端端截面面積(m2)；τf為單位面積側摩阻力(kPa)；Af為樁身與穿過土層的接觸面積(m2)。

單樁軸向承載力抗力分項系數(shù)：

(2)

表1 荷載分項系數(shù)

表2 單樁軸向承載力抗力分項系數(shù)

1.1 基于靜態(tài)公式的計算法

1.1.1標貫擊數(shù)法

該方法是基于標貫試驗中所取得的標貫擊數(shù)N，適用于砂類地質樁基承載力的計算方法，但不適用于N≥50擊的地質條件。

該方法對應于打入樁的單位面積樁端阻力，計算方法為：

qp=αN

(3)

式中：N為標貫擊數(shù)；α為與樁基尺寸和地質條件有關的無量綱系數(shù)，計算方法為：

(4)

單位面積側摩阻力計算方法為：

τf=2.5N

(5)

對于打入鋼樁，單位面積側摩阻力按式(5)的計算值減少10%；對于灌注樁，單位面積樁端阻力取式(3)計算值的0.5倍，單位面積側摩阻力取式(5)計算值的0.75倍。

1.1.2動力觸探試驗法

該方法適用于砂類地質，通常通過將動力觸探取得的參數(shù)如Borro試驗(該動力觸探試驗根據(jù)65 kg重錘以50 cm的落距將與探桿相連接的4個4 cm2方形探頭貫入土中20 cm時所需要的錘擊數(shù)來判斷土的力學特性)中的N65轉換成標貫擊數(shù)后，再使用標貫擊數(shù)法進行計算，該方法須在現(xiàn)場對轉換關系進一步確認，否則不建議使用。

1.1.3靜力觸探試驗法

該方法基于靜力觸探試驗的單位面積樁端阻力和單位面積側摩阻力，直接進行單樁抗壓承載力計算。該方法的使用應注意以下方面：1)單位面積樁端阻力不得大于20 MPa；2)fD須考慮對應折減系數(shù)，參考標貫擊數(shù)法；3)在缺乏單位面積側摩阻力參數(shù)的情況下，非黏性土層和黏性土層可取對應單位面積樁端阻力的1%和2%。

1.1.4旁壓試驗法

該方法采用經(jīng)驗公式，對于打入混凝土樁的單位面積樁端阻力計算方法為：

(6)

單位面積側摩阻力計算方法為：

(7)

式中：pl為考慮側摩阻力的樁身段扣除水壓力的有效壓力平均值(kPa)。對于打入鋼管樁，τf取值應減少10%；對于砂類地質的灌注樁，較打入混凝土樁的qp取值應減少50%，τf取值應減少25%。

1.1.5基于巖石無側限抗壓承載力法

該方法僅適用于嵌巖樁，單位面積樁端阻力計算方法為：

(8)

式中：D為樁徑(m)；LR為嵌入巖層深度(m)，當LR大于2.5D時，取2.5D；pvh巖層豎向極限壓力(kPa)，計算公式為：

pvh=3(prqu)fDfAfδ< 15 MPa

(9)

嵌巖樁在巖層內的單位面積側摩阻力只考慮風化程度在Ⅲ級或風化程度更低的巖層，其計算公式為：

(10)

1.1.6分析解法

該方法基于塑性理論給出適用于灌注樁和打入樁兩種樁型、黏性土和非黏性土以及下臥軟黏土層3種地質條件的樁基承載力計算方法。

1) 非黏性砂土類地質，單位面積樁端阻力計算方法為：

(11)

(12)

式中：φ為土層內摩擦角。

單位面積側摩阻力按下式計算，且對于打入樁τf小于125 kPa，對于灌注樁小于90 kPa：

(13)

2) 對于黏性土地質的樁基破壞分為短周期不排水破壞和長周期排水破壞兩種。

短周期不排水破壞，單位面積樁端阻力計算公式為(同時適用于打入樁和灌注樁)：

qp=(9-3D)su> 6su

(14)

式中：D為樁端樁徑(m)；su為樁端處黏性土層的不排水抗剪強度(kPa)。

單位面積側摩阻力按下式計算：

(15)

對于鋼管樁，τf應取式(15)計算值的0.8倍。

長周期排水破壞，打入樁的單位面積樁端阻力計算公式為：

(16)

(17)

式中：c′為有效黏聚力(kPa)；其余參數(shù)同式(11)。

對于灌注樁，單位面積樁端阻力取式(16)計算值的0.5倍；對于鋼管樁，則取式(16)計算值0.8倍。

單位面積側摩阻力按下式計算：

(18)

各參數(shù)取值同式(13)。

3)在樁端下臥軟黏土層時，為防止樁基下沉至軟弱土層引起沖切破壞，單位面積樁端阻力計算公式如下(打入樁)：

(19)

1.1.7靜載試驗法

靜載試驗法獲得的樁基承載力相對較準確，但使用時應注意以下方面：1)試驗樁不得作為工程樁使用，靜載試驗中最終采用作為樁基承載力的施加荷載所產(chǎn)生的樁頭位移應大于或等于樁基直徑的0.1倍；2)樁基承載力取值應滿足以下公式：

Qh=Q10%+W< 3Q1%+W

(20)

式中：Qh為樁基承載力的計算取值；Qx為樁頭處產(chǎn)生位移為x倍樁徑對應的施加荷載；W為樁基自身重力。

1.2 基于動態(tài)公式的計算法

基于動態(tài)公式的計算方法主要包括波動方程分析、Hiley公式分析和其他動態(tài)公式分析方法等。適用于一般地質條件下的打入樁樁基承載力計算，具體計算理論參見Rom0.5-05的3.6.5條，本文不做詳述。

2 西班牙Rom規(guī)范單樁抗拔承載力設計方法

西班牙Rom規(guī)范中單樁抗拔承載力計算公式為：

(21)

式中：W?為樁體在受拉方向的自重(kN)；Rf為樁基側摩阻力(kN)。單樁抗拔承載力計算中樁基側摩阻力和抗力分項系數(shù)、荷載分項系數(shù)取值均與抗壓承載力計算一致。

3 中國JTS規(guī)范樁基承載力設計方法

《碼頭結構設計規(guī)范》對于單樁軸向承載力計算給出兩種計算方法：1)基于靜載荷試樁的計算方法；2)承載力經(jīng)驗參數(shù)法。其中針對承載力經(jīng)驗參數(shù)法，分別給出對應樁基類型的軸向抗壓和抗拉承載力計算方法，并給出不同方法、不同樁基類型時單樁軸向承載力抗力分項系數(shù)的取值。

4 工程實例分析

在缺乏靜荷載試樁的情況下，碼頭工程可根據(jù)已有資料，選擇對應的計算方法及推薦地質參數(shù)對樁基承載力進行估算。以某碼頭工程為例，分別依據(jù)西班牙Rom規(guī)范和中國JTS規(guī)范對樁基承載力進行計算，土層及兩種規(guī)范的設計參數(shù)見表3、4，樁基入土深度為35 m，計算結果見表5。

表3 樁基土層參數(shù)

表4 兩種規(guī)范單位面積側摩阻力及樁端阻力對比

表5 樁基承載力計算值

西班牙Rom規(guī)范樁基承載力計算采用標貫擊數(shù)法，對于打入樁，單位面積樁端阻力標準值按式(3)計算，單位面積側摩阻力標準值按式(5)計算值減少10%；對于灌注樁，單位面積樁端阻力標準值取打入樁計算值的0.5倍，單位面積側摩阻力標準值取打入樁計算值的0.75倍，抗力分項系數(shù)按表2取值，均取2.5。中國JTS規(guī)范采用承載力經(jīng)驗參數(shù)法，打入鋼管樁樁端承載力按敞口鋼管樁考慮折減系數(shù)0.4，單樁軸向承載力抗力分項系數(shù)取1.55，抗拔折減系數(shù)按砂土取0.5。從上述結果來看，中國JTS規(guī)范計算的允許抗壓承載力設計值比西班牙Rom規(guī)范偏小，而允許抗拔承載力設計值比西班牙Rom規(guī)范偏大。結果差異產(chǎn)生的原因，在于中國JTS規(guī)范樁端阻力計算比較保守，而樁基側摩阻力計算結果相差不大，另一方面在于兩種規(guī)范的抗力分項系數(shù)取值不同。

5 結論

1)西班牙Rom規(guī)范更側重基于現(xiàn)場試驗參數(shù)來對應選擇不同的計算方法，計算過程相對復雜。中國JTS規(guī)范則更多基于經(jīng)驗參數(shù)法進行計算，且給出了無當?shù)亟?jīng)驗值情況下，相關計算參數(shù)的參考值，計算較為方便。

2)西班牙Rom規(guī)范給出不同工況下樁基承載力抗力分項系數(shù)，而中國JTS規(guī)范給出不同樁基類型對應靜載試驗法和經(jīng)驗參數(shù)法的承載力抗力分項系數(shù)取值。

3)西班牙Rom規(guī)范樁基抗拔承載力計算中，側摩阻力的折減系數(shù)為0.5，中國JTS規(guī)范則對黏性土、砂土給出了0.7～0.8、0.5～0.6的折減系數(shù)推薦值。

4)西班牙Rom規(guī)范對于打入鋼樁，不同方法計算樁端阻力按實體樁計算值減少10%～20%考慮，中國JTS規(guī)范則針對不同敞口類型、不同樁徑給出對應的折減系數(shù)。

5)通過工程案例計算結果分析，中國JTS規(guī)范計算的允許抗壓承載力設計值較西班牙Rom規(guī)范偏小，允許抗拔承載力設計值較西班牙Rom規(guī)范偏大。