深厚粉砂持力层中预制桩基承载力参数的取值探讨

王辉熠，朱帆

（中国能源建设集团江苏省电力设计院，南京211102）

1 单桩竖向极限承载力的确定

单桩竖向极限承载力一般应由静载荷试验确定，而在地基岩土的勘察阶段往往需要通过桩周及桩端土层的特性及物理力学指标对桩侧摩阻力及端阻力取值进行预估。

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[1]（简称《规范》）第5.3 节，预估单桩竖向承载力的常用方法有原位测试法及经验参数法等，并可将2 种方法相结合进行综合判定。原位测试法一般通过对双桥探头静力触探获得的第i层土的探头平均侧阻力和桩端平面上下的探头阻力进行修正，然后估算桩侧阻及端阻力；采用经验参数法时，对于黏性土，通过液性指数，给出近似桩侧及端阻力，对于粉土及砂性土通过其密实度给出近似桩侧阻及端阻力。

在对各层土的承载力参数进行估计时，对于一般长度的混凝土预制桩，桩基持力层的侧阻力及端阻力的估计尤为重要，因为持力层的承载力参数对桩基承载力影响较大，且这些参数的预估值有时会与桩基试验结果存在较大偏差[2]。

2 某燃煤电厂工程的桩基持力层特性及预估参数

某燃煤供热电厂位于江苏省南京市，新建2×50MW 抽背式汽轮发电机和480t/h 超高温高压锅炉，根据岩土工程勘测报告，厂区地基岩土自上而下主要为素填土、淤泥质粉质黏土夹粉砂、粉质黏土夹粉砂、粉砂、粉细砂等，典型的地质剖面如图1 所示。

图1 南京某电厂地质剖面图

根据本工程的特点，地基处理拟采用PHC600 管桩，层⑦～层⑩土层特性为：

层⑦为粉砂层，饱和，中密～密实，顶面平均埋深约25m，层厚平均值约6.6m，压缩性中偏低，承载力较高；

层⑧为粉砂层，饱和，中密，层厚平均值为2.3m，压缩性中偏低，承载力中等；

层⑨为粉细砂，饱和，中密～密实，层厚平均值为4.3m，压缩性中偏低，承载力中偏高；

层⑩为粉细砂夹粉质黏土，饱和，中密～密实，层厚平均值为4.3m，压缩性中等，承载力中偏高。

层⑦与层⑨层厚较大，性状较好，可考虑作为主要建构筑物的桩基持力层。为便于同试桩结果进行对比，按照桩进入层⑦深度为3.9m，结合《规范》的规定，对层⑦的承载力参数进行估计，根据原位测试结果，由层⑦标贯击数N为35，根据表格查得端阻力约为3000～4500kPa，侧阻力约为66～88kPa；由双桥静力触探锥头阻力qc=13.78MPa，侧壁摩阻力fs=0.15MPa，对探头阻力进行修正，饱和砂土桩端阻力修正系数α 取0.5，端阻力约为6800kPa；侧阻力修正系数 βi=5.05（fs）i-0.45，约为0.53，侧阻力约为79kPa。

按照桩进入层⑨深度为1.4m，由层⑨标贯击数N为35，根据表格查得端阻力约为3000～4500kPa，侧阻力约为66～88kPa；由桩端平面以上双桥静力触探锥头阻力加权平均值与桩端平面以下值进行平均得qc=12.47MPa，侧壁摩阻力fs=0.091MPa，对探头阻力进行修正，饱和砂土桩端阻力修正系数α 取0.5，端阻力约为6200kPa；侧阻力修正系数 βi=5.05（fs）i-0.45，约为0.66，侧阻力约为60kPa。

3 桩基试验结果

本工程两组试桩（每组3 根）采用两种桩型，即PHC-600（110）AB-C80-28（试桩1）、PHC-600（130）AB-C80-34（试桩2），分别以层⑦及层⑨为持力层，进入持力层的深度为3.9m、1.4m。尽管试桩2 的桩长比试桩1 的长了6m，但静载试验结果表明，试桩1 的竖向抗压极限承载力为4400kN，不仅超过了预估的桩基承载力3400kN 约30%，而且大于试桩2 的极限承载力4100kN，试桩2 的极限承载力与预估值基本一致。

通过高应变复打的动测数据可知，以层⑦及层⑨为持力层时，端阻力分别占总承载力的35%和22%，桩基仍属于端承摩擦桩。推算出桩基持力层层⑦的侧阻力约为92kPa，端阻力约为5300kPa；持力层层⑨的侧阻力约为55kPa，端阻力约为3300kPa。考虑到桩基为混凝土空心桩，将端阻力按《规范》5.3.8 折算，得出层⑦端阻力约为5800kPa，层⑨端阻力约为4100kPa。

4 预估参数与试验结果对比分析

桩基持力层的预估承载力参数与试验结果的对比如表1所示。

从表1 可以看出：

1）桩基进入层⑦深度较大，略大于6 倍桩径，进入层⑨深度较小，约2 倍桩径；

表1 持力层预估承载力参数与试验结果对比

2）高应变动测得出层⑦及层⑨的端阻力均大于经验值的上限，但均低于原位测试法估算出的端阻力，其中，层⑦端阻力比原位测试法低15%，层⑨端阻力比原位测试法低34%，表明进入持力层深度越大，端阻力越大；

3）高应变动测得出层⑦的侧阻力大于经验法的上限值及原位测试法估算值，比原位测试法大了约16%，层⑨的侧阻力小于经验法的下限值及原位测试法估算值，比原位测试法低了约8%，表明层⑦的侧阻力随着端阻力的发挥有了较大提高；

4）而以层⑨为持力层时端阻没有充分发挥，其侧阻力也基本上没有增强[3]。

需要注意的是，高应变动测显示当桩基以层⑨为持力层穿过层⑦以后，层⑦的侧阻力恢复为约78kPa，基本上就是原位测试的估算值。这也从另外一个角度证明了侧阻力是随着端阻的发挥而增大的。

5 桩侧阻力增强效应的机理及影响因素分析

已有学者对桩侧阻力随桩端土强度增加表现出的增强效应做了一些理论和试验研究，主要从桩端土的挤密成拱理论、桩端侧土体随围压增大抗剪强度提高引起侧摩阻力增加等方面做了较为合理的解释，可以确定桩侧阻力与桩端阻力之间存在相互作用，且桩侧阻力在桩端附近的局部增强效应是普遍存在的。在实际工程应用中，设计者更为关心在何种情况下可以考虑这种增强效应的存在。

从上述案例可以看出，在深厚密实的粉砂持力层中该现象非常明显，粉砂层的标贯击数一般不小于30 击，静力触探锥头阻力在10MPa 以上。另外，桩基需进入持力层较大的深度，一般不小于6d（d为桩径）；且桩端以下尚有一定厚度性状较好的土层。本例中持力层桩端距离层⑦底面尚有2.5m，约4d，在满足桩端平面以下有一定厚度持力层或性状较好的下卧层的前提下，进入持力层深度越大，越有利于端阻及桩侧阻力的发挥[4]。

6 桩侧阻力增强效应在某热电工程中的应用

某热电厂位于江苏省常熟市，拟建1×B32MW 背压机+1×CB15MW 抽背机、3 台180t/h 高温超高压锅炉，根据岩土工程勘测报告，厂区40m 深度范围内的地基土主要由填土、粉质黏土、粉土、粉砂组成，其地质剖面图2 所示。

层②5 为粉砂层，饱和，中密～密实，顶面平均埋深约11.6m，层厚平均值约9.8m，为低压缩性、高强度土，工程性质很好；

层②6 为粉质黏土，可塑～硬塑，层厚平均值约7m，中等压缩性，中等强度，工程性质一般；

层②7 为粉土夹粉砂，中密～密实，层厚平均值约4.5m，低压缩性，高强度，工程性质较好；

层②8 为粉质黏土夹粉土，软塑～可塑，层厚平均值约2.3m，中等压缩性，中等强度，工程性质一般。

根据原位测试结果，由层②5 标贯击数N为28 击，根据表格查得端阻力约为3000～4500kPa，侧阻力约为48～66kPa；由双桥静力触探锥头阻力qc=11.492MPa，fs=0.101MPa，预估端阻力约5800 kPa，侧阻力约64kPa。

图2 常熟某电厂地质剖面图

7 桩基试验结果

本工程的2 组试桩（每组3 根）采用2 种桩型，即PHC 500 AB 110（试桩A）、PHC 600 AB 110（试桩B），均以层②5为持力层，持力层厚度约11.2m，桩端进入持力层的深度为6.5m。静载试验结果表明：试桩A 的极限承载力约为3860kN，超出预估承载力约66%；试桩B 的极限承载力约4260kN，超出预估承载力约44%，单桩竖向承载力均有较大幅度的提高。

综合2 组试桩高应变动测数据给出持力层层②5 的侧阻力约为120kPa，端阻力约为6200kPa；考虑到桩基为混凝土空心桩，将端阻力按《规范》5.3.8 折算，得出层②5 端阻力约为6600kPa。可以看出在桩基进入深厚粉砂持力层深度较大时，端阻得到了充分发挥，超出原位测试值约13%，侧阻力更是达到了预估值的2 倍，侧阻力增强效应非常显著。

通过高应变复打的动测数据表明：试桩A 的端阻力约为1289kN，试桩B 的端阻力约为1791kN，基本上与桩端面积成正比；试桩A 的侧阻力约为3004kN，试桩B 的侧阻力约为2955kN，其承载力反而略小于试桩A，由于试桩B 的桩侧表面积约为试桩A 的1.2 倍，这也说明了试桩A 侧摩阻力比试桩B 增大的更多，由于2 组试桩进入持力层深度一样，因此，侧阻力的增强效应随桩基进入持力层深度与桩径之比的增大而增大。

8 桩侧阻强化效应的应用效果

由于深厚砂土层作为桩基持力层时的良好性能使桩端土层的侧阻力得到一定的强化，也有文献指出桩端以上10～15d（d为桩径）深度区域的土层侧阻力均会有不同程度的增加。桩基竖向承载力极限值得到显著提高。

根据试验结果及相关理论分析，本文中的2 个工程均采取了较为优化的措施：

江苏省南京市的燃煤供热电厂主要建构筑物采用了层⑦为持力层得桩基方案，每根桩基桩长比原设想方案缩短6m，一般建构筑物的桩基数量也由于承载力的提高而相应减少；

江苏省常熟市的热电项目主要建构筑物桩基直径由原来的600mm 优化为500mm，且一般建构筑物的桩基长度也有所减小。2 个电厂工程地基处理费用均得到大幅节省。

9 结论与建议

综上所述，得到以下结论和建议：

1）桩基规范给出的估算单桩极限承载力的方法如经验参数法、原位测试法等，可以根据土层的物理力学特性对桩基承载力参数进行初步的估计，但是对实际施工中某些土层参数的变化情况并未充分考虑，如深厚粉砂层中桩侧阻力与桩端阻力的相互作用，特别是桩侧阻在桩端处的增强效应。

2）深厚粉砂层应有一定的密实度，标贯击数一般不小于30 击。桩基进入持力层一定深度且保证一定厚度的下卧层是端阻充分发挥和侧阻力增强的必要条件。对于PHC 管桩，一般来说，进入持力层深度不应小于6d，下卧层不应小于4d。在满足上述条件时，桩端进入持力层的长径比越大，端阻发挥越充分，侧阻增强效应也越强。

3）深厚粉砂层中桩端阻的取值一般远大于规范的经验估计值，与原位测试值较为接近；随着桩基进入持力层深度的加大，端阻值越接近或超过原位测试值时，侧阻值会有明显增加，一般会超出经验值的上限和原位测试值，甚至达到原位测试值的2 倍。

4）深厚粉砂层中桩基承载力参数变化引起的单桩竖向极限承载力提高较为显著，对于一般长度的预制桩基比预估值的提高幅度在30%～60%，应予以充分重视并利用。建议认真分析土层特性及物理力学参数，合理选择桩基持力层并进行承载力预判，进一步根据试桩结果优化地基处理方案。