PHC管桩竖向承载力确定

刘英克

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

预应力管桩的工作机理比闭口桩要复杂的多，目前对管桩承载力的研究主要集中在沉桩的挤土效应，静载作用下的土塞性状研究，包括端阻力、土塞与桩内壁之间的内摩阻力的发挥和分布等方面。

现有的确定单桩承载力的方法很多，这些方法可归为两大类。第一类方法，是通过对实际桩进行静的或动的试验测定，称为直接法，如静荷载试验和各种的动测方法。第二类方法，是通过其他手段，分别得出桩底端阻力和桩身侧阻力后相加求得，无须对桩进行试验，故称间接法，也称为静力计算法，如：承载力理论公式、经验公式和原位测试(静力触探法、标准贯入度法、旁压仪法等)[1-6]。

1 试验段概况及土塞现场测试结果

选择某高速公路汤庄分离式立交桥（K62+401）作为预应力管桩试验段。场地所在区域主要为长荡湖（及钱资荡）至鬲湖之间的宽广平原地区，属于长江三角洲太湖堆积平原区，次级地貌单元为冲湖积平原分区。第四系覆盖层厚度较大，为冲积、湖积相成因；其中全新统厚度较薄，多为表土层，局部河塘沟谷处分布有浅薄层软土；上更新统厚度较大，分布稳定，层状软土发育，多冲海相沉积，局部厚度较大。试验地层各层名称及土性指标见表1。该场地选用直径600 mm，壁厚110 mm的PHC管桩。桩长15 m，桥墩桩距为1.5 m，桥台桩距为1.6 m×2.1 m，混凝土强度等级C80，每一根PHC管桩分上、下两节施工，上、下节长度为7 m、8 m，两节接头采用焊接，以上PHC管桩均采用静压法施工。

表1 现场土层土性指标表

PHC桩为开口桩，其沉桩过程是一个非常复杂的过程。不仅存在“挤土效应”也存在“土塞效应”。本文着重研究土塞对管桩承载力的影响。随着沉桩深入，管桩内的土芯不断被挤密增高，达到一定高度后，即形成了“土塞”[7]。桩端土的闭塞程度对桩端阻力发挥及单桩的承载力有着一定程度的影响。图1所示为管桩中实测土塞长度分布图。从图中可以看出，管桩中的土塞长度为管桩桩长的30%～45%之间，平均约5 m，可见预应力混凝土管桩为挤土桩。由图2可以看出，实测的土塞长度要比计算所得土塞长度长。

图1 实测土塞的平均长度（以2号桥墩为例）

图2 计算与实测土塞长度比较

图2将实测土塞长度与高应变计算的土塞长度比较，一般高应变分析的土塞长度平均约为2～3 m，约实测土塞长度的50%。所以，我们在对管桩进行承载力计算时，要考虑到管桩在压桩时土塞所产生的闭塞效应。

2 管桩竖向承载力公式修正

2.1 测试资料

图3～图5为现场利用CPT及CPTU测得的各土层静力触探指标值及两者测得指标的对比图。从图5中可以看出，两者之间所测结果趋向基本相同，但是由于CPTU分层较细，所测结果更接近实际状况。

静力触探的双桥探头在贯入过程中可分别测得锥尖阻力和侧壁摩阻力，与桩有些相似之处，故可根据静力触探所测得的资料与静载荷试桩资料进行对比来计算预应力管桩的极限承载力，但静探与预应力管桩的工作性状是不同的，故不能用测得的qc、fs直接作为桩端阻力和桩侧阻力，本次用静探qc和fs指标来估算预应力管桩承载力就是以静载实验的成果为依据，利用高应变等所得到的资料，求得试桩各地层的桩侧摩阻力和桩端阻力，再利用静探指标qc与fs桩端阻力与桩侧阻力进行相关分析，求得它们间的关系及相关系数，得到用静探指标计算预应力管桩承载力的方法。

参考《公路桥涵地基与基础设计规范》[8]、《建筑桩基设计技术规范》[9]及现场静力触探内容，可以设预应力混凝土管桩单桩极限承载力的计算公式为：

式中：U为管桩桩身周长，m；li为桩周i层土的厚度；qsik、qc为管桩桩周第i层土的极限侧阻和极限端阻；Ap为管桩桩端投影面积；αp为端阻修正系数。

此时，已经考虑了管桩土塞效应的影响，将其放入桩端阻力中去。

2.2 桩侧极限侧摩阻力标准值qsik的确定

利用静力触探指标fs来确定qsik的值时，应考虑各土层的值各不相同，分开来进行计算。本次试验段的土层共分为5层，最后一层未揭穿，故只有4层。对亚黏性土，砂土进行分析，按照静载试桩得到的每层土的侧摩阻力qsik和静力触探指标fs之间的对应关系，用幂指数方程对所得到的结果进行分析，如式（ 2）所示：

图3 CPT jt1 fs-qc曲线图

图4 CPT jt2 fs-qc曲线

图 5 CPT、CPTU fs、qc(qt)比较

按照式（2）所示的方程形式对亚黏土、砂性土分别进行计算，可以得到这两类土的桩侧极限摩阻力标准值qsik和fs之间的关系为：

式中：a＝7.19，b=0.552.

式中：a＝3.74，b=0.651.

粉质黏土到黏质粉土到黏土：

式中：a＝7.19，b=0.552.

说明：在地表以下一定范围内的浅层土，由于有效上覆土压力较小，侧摩阻力难以充分发挥，另外桩打入时，使桩表面与周围土体之间形成较大的间隙，即使土体恢复后，摩阻力也偏小，土层愈硬，偏小越多。故对于浅层土要依据埋藏深度及土性情况做适当的折减。

2.3 估算桩端极限阻力Qpk时，αp、qc的取值方法

2.3.1 qc的取值方法

参考国内外的有关类似的规定，结合《公路桥涵地基与基础设计规范》（ JTJ D63—2007）[9]，桩端附近静探锥尖阻力的qc取值方法为：取桩端平面以上4D(D为桩径)范围内按土层厚度的探头锥尖阻力加权平均值qc1，然后再和桩端以下4D范围内探头锥尖阻力qc2进行平均。当qc1≥qc2时，即桩端以下土层比上面土层软，αp此时对桩端承载力起主要作用的是下层 qc2，此时 qc＝qc2。

2.3.2 αp的取值方法

根据现场高应变试验分析得到的资料，见表2。相关资料显示：αp的取值与桩端处持力层的性质有关外，还与桩长有关。建议的αp值是桩长和持力层性质的综合放映，根据上述分析得到的结果并结合其他的工程实践经验，建议αp值可按表2选用。

表2 高应变试验分析得到的αp值

表3为利用修正公式和已有的室内和现场土性参数计算得到的PHC管桩的极限承载力比较。从表中我们得出：利用CPTU资料得到的结果和现场静载试验最为接近。

表3 按照此经验修正公式计算结果

3 结论

通过现场试验、理论研究等，分析了管桩的承载性能，对管桩单桩的竖向承载力公式进行了修正，得到了如下结论：

a）通过山原法对管桩的土塞进行研究，得到土塞高度达到现场检测平均高度为5 m左右时，PHC管桩桩端出现闭塞，此时管桩的竖向承载力应考虑管桩土塞对桩端阻力的影响。

b）利用CPTU修正管桩的竖向承载力计算公式为：Quk=Qsk+Qpk=U∑liqsik+αpqcAp， 其中管桩桩侧承载力的计算是以静载结果为依据，用高应变试验得到的侧摩阻力和CPTU所测得的侧摩阻力进行相关性分析得到计算式为：qsik=a(fs)b得到：黏土：a＝7.19，b=0.552；砂性土：a＝3.74，b=0.651；粉质黏土到黏质粉土到黏土：a＝7.19，b=0.552。桩端阻力取桩端平面以上4D和以下4D范围，同时桩端阻力系数考虑了管桩的土塞效应，取1.3。