中外规范桩基承载力计算对比

陈 凯，曹虎麒，胡振明

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

中美欧等规范的桩基承载力计算公式的形式相同，都是由桩的侧阻力和端阻力组成[1-2]，但在桩基承载力的计算方法、分项系数、参数取值等方面均存在一些差异，导致计算结果各不相同。国内外设计人员对桩侧和桩端地层参数所侧重的勘察方法、室内岩土试验方法、数据处理方式理解的差异以及经验差异，最终将导致桩基承载力的地层参数选取存在差异。本文对中、美、欧及新西兰规范中单桩竖向承载力计算方法进行介绍，并通过具体的工程案例对计算结果进行对比分析。

1 中国规范

关于桩基承载力计算的中国规范有很多，本文主要分析《码头结构设计规范》[3]。桩基承载力可通过静荷载试验或经验参数法计算获得。经验参数法根据土的类别，通过室内土工试验、现场原位测试的结果及桩基埋深查表获得相应的桩侧单位面积的摩阻力和桩端单位面积的端阻力，再代入公式计算。对于打入桩及灌注桩的取值区间见表1。但目前国内勘察设计人员在地层参数选取时，会结合当地和邻近工程经验及场地的桩基静荷载试验，综合分析后给出土层计算参数。关于公式计算得到的单桩承载力标准值转换成设计值，国内通常是除以一个分项系数，静荷载试验法中打入桩一般取1.30～1.40，灌注桩取1.05～1.60；经验参数法中打入桩一般取1.45～1.55，灌注桩取1.55～1.65。对于钢管桩和预制混凝土的打入桩，桩端闭塞效应折减系数根据桩型、桩的外径和桩端入土深度来综合确定，桩径越大，折减系数越小。敞口和半敞口钢管桩，当桩径大于1.5 m、入土深度小于25 m时，折减系数可取0；混凝土管桩，折减系数取0.75～1.00。

表1 打入桩及灌注桩的单位侧阻力和端阻力区间值

注；IP、IL为土的塑性指数、液性指数;e为土的天然孔隙比；N为土的标准贯入击数；N63.5为重型圆锥动力触探击数。

2 美国规范

API-RP 2A-WSD[4]为美国石油平台行业的规范，在水工结构计算中应用较广泛。桩基总承载力Qc计算分为桩侧摩阻力和桩端阻力两部分:

Qc=Qf,c+Qp=fAs+qAp

(1)

式中:Qf,c为桩侧摩阻力;Qp为桩端阻力;f为单位桩侧摩阻力;As为桩侧面积;q为单位桩端阻力;Ap为桩端面积。

2.1 侧摩阻力

2.1.1黏性土

黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

f=asu

(2)

式中：su为该点处土体的不排水抗剪强度；a为无量纲的系数(≤1.0)，可由下式计算：

(3)

(4)

式中：p′0(z)为该点处的有效土压力。

2.1.2非黏性土

非黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

f(z)=βp′0(z)

(5)

式中:β为无量纲系数;p′0(z)为深度z处的有效土应力。

2.2 端阻力

2.2.1黏性土

黏性土的桩端阻力计算采用如下公式：

q=9su

(6)

式中：su为该点处土体的不排水抗剪强度。

2.2.2非黏性土

非黏性土的桩端阻力计算采用如下公式：

q=Nqp′0

(7)

式中：p′0为桩尖处的有效应力；Nq为无量纲端阻力系数，具体取值见表2。

表2 API-RP 2A 非黏性土土体设计参数

注：砂土和粉土的相对密实度为：很松散为0～15%，松散为15%～35%，中密为35%～65%，密实为65%～85%，很密实为85%～100%；对于全位移桩(打入的全封闭或封闭端)，β可按表中高25%取值。

2.3 桩端闭塞效应

API-RP 2A-WSD在计算竖向抗压承载力时，对于形成闭塞效应的桩体，桩端面积取整个桩端横截面；对于未形成闭塞效应的桩，桩端面积取圆环的面积。桩端是否闭塞可根据静力计算确定，当桩内侧的总摩阻力F与桩内土体自重G之和大于桩端底部土体所承受的端阻力Q时，则桩端闭塞；反之未闭塞，见图1。

图1 桩端土塞受力

2.4 安全系数的选取

API-RP 2A-WSD中，在不同的荷载工况下桩设计的安全系数取值为：设计极端环境条件与相应钻井荷载的组合工况，取1.5；设计工作环境条件(钻井操作时)，取2.0；设计极端环境与相应生产荷载的组合工况，取1.5；设计工作环境条件(生产操作时)，取2.0；设计极端环境条件与最小荷载(计算上拔力)的组合工况，取1.5。

3 欧洲规范

欧洲规范EN 1997-1[5]建议采用静荷载试验方法，根据土的抗剪强度、现场试验结果、动力冲击试验结果、打桩公式法及波动方程确定单桩竖向承载力[6]。本文主要分析根据土的抗剪强度指标确定桩的受压承载力。桩的极限承载力计算值由端阻力Rb,cal和侧摩阻力Rs,cal组成：

Ru,cal=Rb,cal+Rs,cal

(8)

3.1 侧摩阻力

3.1.1黏性土

黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

(9)

3.1.2非黏性土

非黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

(10)

表3 Ks和δ的取值

注：φ′为有效内摩擦角。

3.2 端阻力

3.2.1黏性土

黏性土的桩端阻力计算采用如下公式：

Rb,cal=NccbAb

(11)

式中：Nc为承载力系数，一般取9.0；cb为桩端土的未扰动不排水剪强度；Ab为桩端面积。

3.2.2非黏性土

非黏性土的桩端阻力计算采用如下公式：

Rb,cal=σ′vNqAb

(12)

式中：σ′v为桩端处的有效固结压力；Nq为桩端承载力系数，取值可采用Berezantzev等[7]提出的建议值；Ab为桩端面积。

桩的受压承载力特征值根据下式确定：

(13)

式中：Rb,cal为计算的桩端阻力；Rs,cal为计算的桩侧阻力；ξ3、ξ4为修正系数，取值见表4。

表4 确定桩基试验结果特征值的修正系数取值

注：n为试桩数量。

3.3 分项系数

受压桩的承载力设计值可根据下式确定：

(14)

式中：Rc,k为桩受压承载力特征值；Rb,k、Rs,k分别为桩端阻力、桩侧阻力的标准值；γt、γb、γs为总承载力、桩端阻力、桩侧阻力的分项系数，各分项系数取值见表5。

表5 受压桩分项系数

4 新西兰规范

根据新西兰建筑规范[8]，对于打入桩，总承载力由桩侧摩阻力和桩端阻力两部分组成：

Vu=Vsu+Vbu

(15)

式中：Vsu为桩侧摩阻力;Vbu为桩端阻力。

4.1 侧摩阻力

4.1.1黏性土

黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

Vsu= [(C′a)mean+(σ′vKotanδ′)mean]CL

(16)

4.1.2非黏性土

非黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

Vsu= (σ′vKstanδ′)meanCL

(17)

式中：σ′v为该点处的有效应力；Ks为有效水平应力系数，可根据表3取值；δ′为土与桩之间排水剪切的摩擦角，可根据表3取值。

4.2 端阻力

4.2.1黏性土

黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

Vbu=(9su+q)Ab

(18)

式中：su为不排水抗剪强度；q为桩底土的垂直应力；Ab为桩端面积。

4.2.2非黏性土

非黏性土中的桩侧摩阻力计算采用如下公式：

(19)

式中：c′为有效黏聚力；q′为垂直有效应力；Db为桩端直径；ρ为等效密度，当地下水位深于桩端下2倍桩径时，取桩端土的天然密度，否则取浮密度；N′q、Nγ为承载力系数，取值见图2。

图2 N′q、Nγ取值

4.3 安全系数

新西兰建筑规范中对于安全系数并未给出具体说明，需要根据当地的试桩经验，进行相应的折减，一般乘以0.7。

5 各国桩基规范的异同

中外规范中桩基承载力的计算公式的形式相同，中、欧规范强调了需要通过静荷载试验获得承载力，美、新西兰规范并未明确提出。就地层参数计算方法而言，对于黏性土，中国规范主要根据液塑限指数、孔隙比及桩基入土深度确定，而美、欧和新西兰规范则基本相同，基于土的不排水剪切强度指标；对于砂性土，中国规范主要是通过标贯击数及桩基埋深确定，而美、欧及新西兰规范的原理比较相似，都是基于土的上覆压与摩擦角进行计算，但是取值方法不同。

中国规范所采用的分项系数法直接用桩基承载力极限值除以一个安全系数；美国规范的分项系数法与中国规范相似，根据不同的勘察、试验方法等对极限值进行折减；欧洲规范要根据试桩数量和通过地层试验参数法两方面进行折减，设计理念比较先进，但是计算过程比较繁琐；新西兰规范中没有明确给出桩基折减的方法，主要通过当地的工程经验进行取值，通常取0.6～0.7。

6 工程案例

以巴布亚新几内亚莱城港某码头项目为例，采用直径为900 mm的钢管桩，利用以上各规范的公式计算单桩竖向承载力，并进行比较，结果见表6、7。

表6 竖向抗压承载力计算结果

表7 各规范计算的抗压承载力标准值

由表6可知，按照API规范计算的侧阻力整体偏大，新西兰规范次之，中国规范最小。但在标贯击数较小时，通过中国规范计算的侧阻力标准值大于API规范，而欧洲规范则最小。因此大致可以看出:API规范和新西兰规范对侧阻力标准值的计算结果因砂土密实度的不同变化幅度较大，新西兰规范相对保守，而在中国规范中计算出来的侧阻力标准值随密实度不同的变化幅度较小。

由表7可知，API规范计算的桩基承载力最大，中国规范次之，欧洲规范最小，在4种规范的桩基承载力计算结果中，中国规范中端阻力占整个竖向抗压承载力的比值最大，新西兰规范最小。

7 结论

1)中、美、欧规范明确给出了计算分项系数的方法，中国的方法最简单直接，美国次之，欧洲规范最复杂、设计理念最先进，而新西兰的规范则没有给出明确的分项系数计算方法，主要依靠地区经验。

2)在计算桩侧阻力时，中国规范对同一土层给出统一的经验参数，而美、欧及新西兰规范则根据土力学指标进行计算，同时考虑埋深的影响，美、欧及新西兰规范更符合实际。

3)中国规范相比其他规范，计算内容和方法比较简单，国内数十年的工程经验证明它是符合中国实际情况的。