中欧软质岩灌注桩竖向承载力设计对比

戴海新，张嵩云，江 义

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

依据港工规范，全风化、强风化软质岩系指其母岩为饱和单轴抗压强度标准值frk≤30 MPa的岩石[1]，该类岩石具有软、弱、松、散等低强度的特点，多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等。在软质岩地质条件下，灌注桩通常较合适、并被广泛采用。然而，当前对软质岩中灌注桩的竖向承载力、桩侧摩阻力、桩端阻力等方面的研究较少，也不够深入；软质岩中桩侧摩阻力规范推荐值也较为保守，这可能导致很多工程桩基入土深度较大，造成不必要的浪费。

为了研究软质岩中灌注桩桩侧摩阻力的合理取值，在保证结构安全可靠的前提下寻求较优的桩基入土长度，本文依托某阿布扎比项目，采用欧洲标准(Eurocode 7，以下简称欧标)和中国港工规范对灌注桩竖向承载力分别进行计算，并对计算结果进行分析，对比两种规范的差异性，寻求桩长的合理优化取值。最后，通过现场多种桩基检测结果对软质岩地质中灌注桩竖向承载力的设计进行验证，为工程中类似地质条件下的灌注桩基础设计提供参考依据。

1 欧标灌注桩竖向承载力设计

1.1 欧标的主要设计思想

欧标的主要设计思想是极限状态设计，规范中要求明确区分承载力极限状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)，使用不同的计算方法来验算[2]。对于承载能力极限状态，欧标采用DA1、DA2和DA3共3种设计方法；对于正常使用极限状态，欧标验算时分项系数采用1.0[3]。

1.2 结构和土层的破坏

检查结构(STR)和土层(GEO)中出现破坏或者过度变形的极限状态时，必须满足不等式：

Ed≤Rd

(1)

式中：Ed为作用效应设计值；Rd为抗力设计值。

1.3 欧标桩基设计方法

欧标采用分项系数法，根据不同国家的习惯存在DA1、DA2和DA3共3种不同的设计方法。由于本项目所在地位于阿布扎比，通常采用英国有关标准进行水工结构的设计和施工，因此本项目设计选择英标附录所采用的DA1进行计算。

DA1根据计算情况的不同，分为“非桩与锚固结构”以及“桩与锚固结构”两种情况。本文桩基计算仅考虑“桩与锚固结构”的作用组合，其表达式为：组合1：A1+M1+R1；组合2：A2+(M1或M2)+R4；其中：A为荷载产生的作用，M土体强度参数，R为抗力。对应的分项系数见表1。

表1 分项系数

1.4 灌注桩竖向承载力

单桩轴向抗压承载力按土层参数计算方面，欧标未直接给出具体的计算方法，具体公式参照PileDesignandConstructionPractice[4]进行计算，计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：Rcd为单桩竖向抗力设计值(kN)；Rbd、Rsd分别为桩端阻力设计值(kN)和桩侧摩阻力设计值(kN)；Rbk、Rsk分别为桩端阻力特征值(kN)和桩侧摩阻力特征值(kN)；γb、γs分别为桩端阻力和桩侧摩阻力分项系数；qbk、qsk分别为单位面积桩端阻力特征值(kPa)和单位面积桩侧摩阻力特征值(kPa)；Ab、As分别为桩端面积(m2)和桩侧面积(m2)；qb、qs分别为单位面积极限桩端阻力值(kPa)和单位面积极限桩侧摩阻力值(kPa)；γRd为模型系数。

在进行灌注桩竖向承载力计算时，欧标规定对于计算桩径有一定程度的折减，当桩径大于1 000 mm时，计算桩径为实际桩基-50 mm。

在具体的桩侧摩阻力和桩端阻力计算上，对于在无黏性土、砂土以及岩石中的灌注桩有不同的计算公式。鉴于本工程区域地质主要为软质岩(表层为回填砂，考虑负摩阻力)，本文仅列举岩石中的桩侧摩阻力和桩端阻力计算。

对于岩石地基中的灌注桩，桩侧摩阻力qs根据Williams & Pells 方法进行计算，计算公式为：

qs=αβquc

(5)

式中：quc为岩石单轴抗压强度均值(kPa)；α为岩石单轴抗压强度折减系数，可根据quc查表得到；β为有关岩石裂缝间距的校正系数，可根据岩石RQD查表得出。

对于桩端在岩石地基中的灌注桩，桩端阻力qb可按下式计算:

qb=Abqub

(6)

式中：qub为桩端阻力(kPa)，根据Kulhawy & Goodman 经验图表，桩端阻力qub可由岩石质量指标RQD直接确定。

2 国内行业标准灌注桩竖向承载力设计

2.1 国内行业标准设计思想

JTS 167—2018《码头结构设计规范》(以下简称中标)为国内港口工程领域桩基设计的现行规范，码头结构设计采用抗力分项系数法，按承载能力极限状态设计，应满足下式要求：

γ0Sd≤Rd

(7)

式中：γ0为不同结构安全等级的重要性系数，一般水工建筑物为二级，γ0取1.0；Sd为作用组合的效应设计值；Rd为抗力设计值。

2.2 灌注桩竖向承载力计算

当采用承载力经验参数法确定灌注桩单桩竖向承载力时，具体计算公式如下：

(8)

式中：Qd为单桩轴向承载力设计值(kN)；γR为单桩轴向承载力抗力分项系数，灌注桩γR取1.55～1.65；U为桩身截面周长(m)；ψsi、ψp为桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数，当桩径大于0.8 m时，以砂土、碎石类土为例取为(0.8d)，d为桩径(m)；qfi为单桩第i层土的单位面积极限侧摩阻力标准值(kPa)；li为桩身穿过第i层土的长度(m);qR为单桩单位面积极限桩端阻力标准值(kPa)；A为桩端截面面积(m2)。

3 工程实例计算对比

3.1 桩力计算

阿布扎比哈里发集装箱港岸线总长1 200 m，其中800 m岸线已建成，剩余400 m码头及后方堆场已完成施工，需要对陆域400 m轨道梁进行延伸设计。轨道梁基础为桩径1.2 m的钻孔灌注桩，灌注桩间距为4 m，共计104根桩。 桩基上部所受荷载有自重、装卸桥荷载，考虑作用效应组合方式[5]：自重+装卸桥荷载。分别用欧标和中标对轨道梁桩力进行计算，计算结果见表2。

表2 欧标与中标桩力设计值对比(不考虑桩侧负摩阻力)

本工程地质主要以软质岩为主，软质岩表层为后期回填的粉砂，由于该层砂为后期回填，土体松散而产生沉降，须考虑其对桩基产生的负摩阻力作用，以钻孔BH8为例分析计算。参考PileDesignandConstructionPractice，负摩阻力τsneg根据有效应力计算：

τsneg=βσ′vo

(9)

式中：β为有关入土深度的折减系数，当入土深度小于15 m时，β取为0.3；σ′vo为垂直上覆土体有效土压力(kPa)。

本工程地下水位以上砂层厚度为3.897 m(砂层顶高程高于桩顶1.9 m)，密度为1.9 tm3；地下水位以下砂层厚度为10.010 m，浮密度为0.9 tm3；计算所得回填砂产生的负摩阻力总和为1 372 kN。考虑桩侧负摩阻力后桩力计算结果见表3。

表3 欧标与中标桩力设计值对比(考虑桩侧负摩阻力)

3.2 灌注桩竖向承载力计算

根据钻孔地质资料，本工程所在区域岩土层分布较为规律，地层较为单一，表层为后期回填粉砂，松散-中密-密实，其下为软质岩钙质岩和粉砂岩。以钻孔BH8为例，根据欧标计算各土层桩侧摩阻力及桩端阻力，计算结果见表4。

欧标计算得到的桩侧摩阻力和桩端阻力与中标计算值进行对比，见表5。

表4 土层分布及土体力学参数

注：RQD为岩石质量指标，j为质量因子，岩石质量指标(RQD)和质量因子j的关系参照PileDesignandConstructionPractice确定。

表5 欧标与中标计算各土层桩侧摩阻力及桩端阻力对比

由表5可以看出，软质岩内灌注桩采用欧标计算得到的侧摩阻力约为中标推荐值的1.85倍，而采用欧标计算得到的桩端阻力仅为中标推荐值的25%，两个规范的计算值差别较大。

采用欧标及中标计算灌注桩竖向承载力，其结果对比见表6。

表6 采用欧标与中标计算灌注桩竖向承载力对比

注：欧标组合a指桩端阻力和桩侧摩阻力采用不同的分项系数，欧标组合b指桩端阻力和桩侧摩阻力采用共同的组合分项系数1.15。

3.3 计算结果对比

根据表6的结果，欧标计算显示灌注桩在软质岩中桩侧摩阻力占桩基总承载力的比例为95%，占绝大部分，桩端阻力基本可以忽略，具有明显的摩擦桩特点。中标显示灌注桩在软质岩中桩侧摩阻力占桩基总承载力的比例为75%，桩端阻力占比为25%，具有摩擦端承桩的特点，两项占比均很重要。

桩入土长度10.16 m、桩总长度22.2 m时，根据欧标计算灌注桩竖向承载力已满足设计要求；但根据中标计算，竖向承载力仍不满足设计要求。当按港工规范竖向承载力满足设计要求时，桩入土长度需16.86 m，桩总长度28.9 m，按中标计算桩基长度比欧标计算长度长了6.7 m。

4 桩基承载力检测结果

施工时，灌注桩桩长按22.2 m设计，实际桩尖持力层为-20.3～-19.0 m。桩基检测采用了5种不同方法分别进行检测。

4.1 高应变PDA检测

检测按照美国材料与试验协会标准ASTM D 4945-2017进行，采用24 t的自由落体动力锤进行锤击，最大落锤高度1.75 m。本次检测共抽检5根桩，PDA检测结果表明5根基桩均完整性很好。桩基荷载平均标准值为6 800 kN，要求的试验载荷为1.5倍的桩基荷载标准值，取为10 200 kN。CASE桩波分析程序(CAPWAP)检测结果见表7[6]。

表7 CASE桩波分析程序(CAPWAP)检测结果

表7分析表明，桩基承载力均超过了10.200 MN的要求试验载荷，满足要求，这也反映了采用欧标计算所得的桩长22.2 m是合适的。

4.2 桩基自平衡法检测(Osterberg Cell 法)

表8 自平衡试验检测结果

对软质岩侧摩阻力检测结果进行分析，钙质岩平均侧摩阻力为428 kPa，与欧标计算所得的369 kPa较为接近，这表明现行中标推荐的软质岩内灌注桩侧摩阻力值明显偏保守。

4.3 静载试验

桩基静载试验按照美国材料与试验协会标准ASTM D1143—07进行，加载反力装置由工字梁和混凝土预制块组成，采用一台液压千斤顶和一个操作泵施加荷载。

桩基荷载平均标准值为6.800 MN，最大试验载荷为1.5倍的桩基荷载标准值，取为10.200 MN。本次检测共抽检3根桩进行试桩，最大加载下的桩基检测结果见表9[8]。

表9 最大加载下的桩基检测结果

根据规范要求，在最大试验载荷条件下最大轴向桩头位移应不超过12.0 mm，或桩径的1%，3组试桩轴向桩头位移均非常小，满足规范要求。桩基静载试验结果表明：采用设计桩长22.2 m是满足要求和合理的。

5 结语

1)中标和欧标在主要设计思想上是相同的，均采用极限状态设计，主要区别在于荷载组合分项系数取值不同，造成桩力设计值有所差别。

2) 中标和欧标灌注桩竖向承载力的计算均按照桩侧摩阻力和桩端阻力的合力进行，不同之处在于欧标计算软质岩桩侧摩阻力占桩基总承载力的比例更大，桩端阻力基本可以忽略，具有明显摩擦桩的特点，而中标计算中桩端阻力占桩基总承载力的比例为25%，是不可或缺的一部分承载力。

3)采用经验公式进行灌注桩竖向承载力计算时，按中标计算值偏保守，这主要体现在两个方面：①两个规范在计算时均对灌注桩桩径有所折减，按国内行业标准的折减系数较小，为(0.8d)(桩径大于0.8 m)，按欧标为1.15、1.20。②中标软质岩内灌注桩侧摩阻力的取值偏保守，采用自平衡法试桩检测出的桩侧摩阻力远大于规范推荐值上限。

4)国内行业标准软质岩内灌注桩侧摩阻力的取值偏保守，建议规范在下一次修订时可以考虑进一步对其进行修正。