基于标准贯入度试验的桩基轴向承载力估算

龚晓怡，邓振洲，李存兴，王娜娜，姜宁林

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060)

桩基轴向承载力的确定是高桩码头设计的核心内容之一，直接关系结构的安全性与经济性。目前，预估桩基轴向承载力方法主要可分为试验方法和经验参数法两种。海外项目设计时，往往没有附近项目的经验参数可供参考，且设计前也没有相应的桩基荷载试验数据，同时地质勘察报告过于简单、没有室内试验数据、也缺乏桩基轴向承载力计算的相应指标，基于中国规范的经验参数又得不到咨询工程师的认可，因此迫切需要寻求一种既能符合工程地质特性又能得到国际咨工认可的经验参数法。而标准贯入度试验(即标贯试验SPT)，作为最常用的现场原位测试方法，其成果标贯击数可以直观反映土层特性的指标，因此基于SPT的桩基轴向承载力设计至关重要。本文依托印尼某工程，基于英标SPT的桩基轴向承载力经验方法确定桩长，对其主要计算参数取值进行探讨分析，并将验证性静载试验和现场PDA试验相结合对其参数取值的合理性进行验证，可供类似工程参考。

1 基于SPT的桩基承载力计算方法及主要参数取值分析

英国标准BS 8004：2015Codeofpracticeforfoundations[1]推荐桩基轴向承载力特征值Rc，k计算公式为：

Rc，k=Rs，k+Rb，k

(1)

式中：Rs，k为总的桩侧摩阻力特征值；Rb，k为桩端摩阻力特征值。

(2)

(3)

式中：As，j为桩基总的圆周周长；qs，j为根据土体参数计算的第j层单元土体平均桩侧摩阻力；Ab为桩基截面面积；qb为单元土体桩端摩阻力；rR，d为模型系数，若采用概率极限法计算桩基轴向承载力时，该值为分项系数，采用安全系数法计算时，该值可取2.0～3.0。

BS 8004规范给出了SPT法与单位侧摩阻力和端阻力换算公式。

单位侧摩阻力：

qs，j=ns，j·pref·Nj

(4)

单位端阻力：

qb，0.1=nb，0.1·pref·Nb

(5)

式中：ns，j为第j层土体的单位面积极限侧摩阻力经验系数；nb，0.1为土体的单位面积极限桩端阻力经验系数；Nj为第j层土体未经校正的实测标贯击数，pref为100 kPa；Nb为桩端未经校正的实测标贯击数；经验系数ns和nb，0.1根据土体类型不同取值见表1。

表1 不同土体类型的ns、nb，0.1经验系数值

从表1可以看出，对于中密砂土，即标贯击数N值在10～30击，以标贯击数N=30击为例，利用英标BS 8004计算的打入桩单位土体极限桩端阻力标准值qb，0.1=(290～480)N=8 700～14 400 kPa，而中国行业标准《码头结构设计规范》[2]中，对于打入桩当土层埋深大于30 m，最大推荐值仅为3 690 kPa，与英标计算值相差较大，主要原因为英标中规定桩尖位移须达到桩径的10%可取其参考值，即只有较大的桩尖位移才能发挥全部的端部承载力。而实际工程中，桩尖轴向位移均较小，很难达到桩径的10%。桩尖轴向位移与端阻力取值的关系在规范中未给出说明。因此，如何选取桩端阻力系数是英标SPT方法计算桩基轴向承载力的关键问题。

为此，笔者收集国内外的相关规范及文献资料[3-5]，总结相关应用和规范基于SPT计算桩基轴向承载力的公式，见表2。

表2 SPT方法预测桩基轴向承载力与单位面积极限侧摩阻力和端阻力经验公式

从表2可以看出，单位面积极限侧摩阻力和端阻力经验系数取值范围较为宽泛，对于打入桩而言，侧摩阻力经验系数ns=1～4，该值取值与英标BS 8004差别不大，英标只是根据土体的分类更为细化具体。但关于端阻力经验系数nb，其余学者给出的建议系数均在100～325范围内，对于打入桩，英标BS 8004中nb，0.1黏土经验系数(换算成kPa)为95～160，粉土经验系数为110～260，均差别不大。但英标中nb，0.1砂土经验系数(换算成kPa)为290～480，该值与其他学者建议方法相比明显偏大。

GeotechnicalandFoundationDesignConsiderations(ISO 19901-4：2016)[6]中规定，对于砂土和黏土，可发挥的桩端承载力和计算的所有桩端承载力Qp的换算关系可参照图1推荐曲线。

图1 桩尖荷载Q-位移z 曲线

设计时，根据图1中的曲线数据，可拟合得到x=zD在(0，1)区间内的y=QQp与x关系式：

y=2.286 4x0.354 3(R2=0.999 8)

(6)

式中：x=zD；y=QQp；z为桩尖竖向位移；D为桩直径；Q为可发挥的桩端承载力；Qp为计算的所有桩端承载力，当桩尖位移达到直径的0.1时，其可全部发挥，但桩端总的承载力Qp不应超过桩内塞的承载力。

因此，采用英标SPT法计算桩基轴向承载力时，换算单位面积极限侧摩擦阻力和端阻力经验系数的取值确定非常关键，值得研究。特别是砂土中桩端摩阻力经验系数的取值，若直接采用英标BS 8004中的推荐取值，计算结果偏不利。本文将进一步结合具体工程实例对其参数取值进行研究分析。

2 工程实例分析及应用

印度尼西亚某项目位于南苏门答腊省，拟建1个5万DWT散货泊位、1个2.5万DWT散货泊位和4个7 600 DWT集装箱泊位。码头总长560 m、宽度50 m，双侧靠泊，码头上考虑集装箱堆箱作业，码头布置在-14.5 m附近。码头结构采用高桩梁板结构，桩基为PHC桩，桩基轴向承载力安全系数不小于2.0。码头桩基轴向承载力计算采用基于SPT的经验参数法确定，并通过试验验证。

2.1 地质条件

根据本工程勘察报告[7]揭示，勘区地层主要为第四系海相沉积物覆盖层，上部为淤泥及淤泥质粉质黏土层，中部为中密的粉细砂层或可塑性粉质黏土，下部为厚层硬塑状粉质黏土。码头区、连接平台和引桥处的典型地质剖面见图2。其中钻探底部揭示⑤少量砂质黏土层，分布连续稳定，层厚较大，可作为桩基持力层。另外④3和④4中密状、密实状黏土质砂层和④少量砂质黏土连续分布时也可选作持力层。

图2 典型地质剖面(高程，深度：m)

表3 工程区域钻孔地层揭示

2.2 结构断面形式及码头设计桩力

码头结构断面见图3，码头面上主要荷载为：1)自重。2)均载。除集装箱堆箱区域为40 kPa外，其余区域堆载均为20 kPa。3)装卸机械荷载。海侧为2台岸桥设备，轨距18 m，基距18 m，轮数40个，轮距1.2 m，最大轮压480 kN。岸侧为多用途门机1台，轨距10.5 m，基距10 m，轮数16个，轮距1.2 m，最大轮压500 kN。4)移动机械荷载。40 ft集装箱牵引车+半挂车荷载，70 t汽车吊，30 t汽车和7 t空箱堆高机。

码头结构采用Autodesk Robot Structural Analysis 2014计算，三维模型见图4。其中横纵梁采用杆单元模拟，面板采用shell单元，桩基底部用竖向弹簧模拟，荷载作用下码头桩尖竖向变位为5 mm，该值仅为桩径的5‰。经计算，码头和连接平台正常使用极限状态(SLS)桩基轴向承载力特征值最大为3 837、3 655 kN。

2.3 SPT法参数取值及桩基轴向承载力预估

根据上述相关分析，当PHC桩桩端持力层位于砂土时，按照英标推荐桩端阻力经验系数明显偏大，对工程安全设计不利。故可参考ISO 19901-4：2016标准的推荐曲线进行折减，考虑砂土中实际可发挥的端阻力。根据拟合式(6)，基于以上变位计算结果，计算得出QQp=0.32，将英标规范中推荐值nb，0.1乘以该折减系数并取中值，得到nb=1.3，且该值在学者给出的砂土打入桩桩端阻中系数范围内。当PHC桩桩端持力层位于黏土时，按照英标端阻推荐经验值计算所得单位土体极限桩端阻力标准值与国标推荐值较为接近，且英标中该经验系数的取值与不同学者给出的推荐值相差不大。故桩长预估时该经验系数暂按中值考虑。考虑其不确定性，不同土质的单位面积极限侧摩阻力经验值均取英标推荐系数的中值，最终本工程利用英标BS 8004 计算PHC桩基轴向承载力时，其关键参数取值见表4。

表4 不同土体类型下打入桩的单位面积极限侧摩阻和端阻力经验系数

1)桩端持力层为黏土。以连接平台处钻孔BH25为例，基于英标BS 8004计算的桩侧摩阻力、桩端阻力及总的桩基轴向承载力，其值随入土深度的变化曲线见图5a)。当桩基入土深度为45 m时，此时桩端进入持力层④少量砂质黏土约9.6 m，桩基轴向承载力特征值为4 022 kN> 3 655 kN，满足设计要求。

2)桩端持力层为砂土。以码头区JBH09孔为例，桩侧摩阻力、桩端阻力及总的桩基轴向承载力计算值随入土深度的变化曲线见图5b)。考虑2倍的安全系数，当桩基入土深度为50 m时，桩端进入持力层④3黏土质砂约4.71 m，桩基轴向承载力特征值为4 121 kN> 3 837 kN，满足设计要求。

图5 桩基轴向承载力随入土深度变化曲线

3 现场试验与理论计算对比分析

为验证桩基轴向承载力计算结果及参数选取的合理性问题，本项目选取连接平台BH25孔处开展桩基静载及动载试验，码头区JBH09孔处做PDA动载试验。

3.1 桩端持力层为黏性土

1)静载试验。静载试验采用锚桩反力梁多循环加载法。根据本项目静载试验报告[8]可知，当桩顶荷载达到8 072 kN时，桩的累计沉降量为34.13 mm，加载过程中无明显陡降，说明桩基检测极限承载力不低于8 072 kN。

2)PDA动载试验。根据本项目PDA试验结果[9]，实测该桩的总承载力为9 328 kN，其中侧摩阻力极限值为8 151 kN，端阻力极限值为1 178 kN。本文基于BS 8004规范计算得到的桩侧摩阻力极限值为6 319 kN，端阻力极限值为1 726 kN，桩的总承载力为8 044 kN。通过桩基静载与动载试验可知，本文依据标贯击数计算得出的桩基轴向承载力满足桩基使用要求，满足结构安全要求。

3.2 桩端持力层为砂土

桩基沉桩后，现场对A-1a(JBH09孔处)进行实测PDA试验，据试验报告[10]可知，该桩总的侧摩阻力极限值为6 209 kN，端阻力极限值为1 962.5 kN，桩的总承载力为8 172 kN。本文基于BS 8004规范计算得到的桩侧摩阻力极限值为5 608 kN，端阻力极限值为2 635 kN，桩的总承载力为8 243 kN，与实测PDA试验相差不大，见表5，说明理论计算的参数选取较为合理。

表5 不同土层的桩基承载力对比

经过对比分析可知，基于SPT的经验参数法预估承载力与荷载试验大体接近，总体而言，桩侧承载力预估略低，偏于保守；但同时，桩端承载力预估偏高25%～35%，主要原因为本项目试验桩基同时作为工程桩，桩端位移较小，未达到临界破坏，桩端承载力不能充分发挥。

4 结语

1)当工程前期地质资料缺少试验数据时，基于SPT计算桩基轴向承载力可作为前期预估桩长的较好方法，特别是对海外工程前期地质资料稀少进行投资估算具有一定的参考意义。

2)基于英标BS 8004：2015计算桩基轴向承载力时，换算单位面积极限侧摩阻力和端阻力经验系数的取值非常关键，英标中根据土体和桩基类型不同，侧摩阻力经验系数建议取值ns=1～4，与目前其他学者的建议值相差不大，但端阻力经验系数nb，0.1规范建议值，须桩尖位移达到桩径的0.1倍才能全部发挥，但由于实际工程中桩尖竖向位移均较小，故须进行折减。特别是规范中给出的砂土端阻经验系数与其他学者建议值相比偏大，实际工程计算时应谨慎选取。

3)本文利用现场静载试验和PDA实测数据相结合的方法验证了本工程桩基轴向承载力计算时参数的合理性。基于英标计算参数选取时，对于砂土端阻经验系数须进行折减，而黏土经验系数不须折减较为合理。对于本工程而言，PHC桩单位侧摩阻力经验系数ns取0.024(黏土)、0.038(砂土)，单位端摩阻力经验系数nb取1.3较为合理，但由于不同工程土体地质条件差别较大，故该经验系数取值仍须根据地区及土体分类等进行进一步积累总结。