摩擦单桩轴向受压承载力

摩擦单桩轴 向受压承载力 龚维明 戴 国亮 朱建 民 文章 编号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 1 0 0 1 0 0 2 1 0 4 摩擦单桩轴 向受压承载力 龚 维明 戴 国亮 朱建 民 东 南大 学土 木工程 学 院 江 苏 南京 2 1 0 0 9 6 摘要 在 公路桥涵地基与基础设计规 范 J T J 0 2 4 8 5 钻 挖 孔灌注桩桩端承载力计算 公式的基础上 对 国内外相关资料进行调研 收集整理数据较 为理想的 能够反映当前桩基使 用现 状的 1 1 3根试桩资料 对钻 挖 孔灌注桩的桩端承载力公式进行修订 修订后的公式把承载 力极 限值计算公式改为承载力容许值计算公式 规定桩端承载力在各持 力层土类中的上限值 更加重视 现场测试结果的应用 并对桩端沉渣厚度进行限制 修订后的公 式对于长桩和大直径灌注桩承载 力均有较 好 的适 用性 关键 词 钻 挖 孔 灌 注桩 桩 端承 载 力 上 限值 试 桩 中图分类 号 U4 4 3 1 5 文 献标 志码 A Ax i a l Co mp r e s s i o n Be a r i ng Ca pa c i t y o f Fr i c t i o n a l S i n g l e Pi l e G ONG We i mi n g DAI Gu o l i a n g ZH U J i a n mi n Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g S o u t h e a s t Un i v e r s i t y Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 Ch i n a Ab s t r a c t On t he ba s i s of t h e f o r m u l a e f o r c a l c ul a t i ng t h e pi l e b a s e b e a r i ng c a pa c i t y o f bo r e d e x c a v a t e d p i l e s i n t h e C o d e f o r De s i g n o f Gr o u n d B a s e s a n d F o u n d a t i o n s o f Hi g h wa y Br i d g e s a n d C u l v e r t s J TJ 0 2 4 8 5 t h e r e l e v a n t d o me s t i c a n d f o r e i g n l i t e r a t u r e s a r e i n v e s t i g a t e d t h e d a t a of 1 1 3 t e s t e d p i l e s t ha t a r e i d e a l a nd c a n r e pr e s e n t t he c u r r e nt s e r v i c e c o n di t i o ns of t he pi l e s a r e c o l l e c t e d s o r t e d o u t a n d t h e f o r mu l a e f o r c a l c u l a t i n g t h e b a s e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e p i l e s a r e mo d i f i e d I n t h e mo d i f i e d f o r mu l a e t h e f o r mu l a f o r c a l c u l a t i n g t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y i s c h a n ge d i nt o t ha t f o r t he a l l o wa b l e b e a r i ng c a pa c i t y a nd t he u p pe r l i m i t v a l u e s o f t he be a r i ng c a p a c i t y i n s o i l s o f di f f e r e nt be a r i ng l a y e r s a r e s p e c i f i e d The s t i l l gr e a t e r i mpo r t a n c e i s a t t a c he d t O t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e f i l e d t e s t s t h e t h i c k n e s s o f t h e d e p o s i t e d s l a g a t t h e p i l e b a s e i s r e s t r i c t e d a n d i t i s p r o v e d t h a t t h e mo d i f i e d f o r mu l a e h a v e g o o d a d a p t a b i l i t y t o t h e c a l c u l a t i o n o f t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e l o n g a n d l a r g e d i a me t e r b o r e d e x c a v a t e d p i l e s Ke y wo r d s b o r e d e x c a v a t e d p i l e s p i l e b a s e b e a r i n g c a p a c i t y u p p e r l i mi t v a l u e t e s t e d p i l e 1 前 言 公 路桥 涵 地 基 与 基 础设 计 规 范 J T J 0 2 4 8 5 简称 8 5规范 从制定到现在 已使用 2 O多年 现阶段桥梁桩基础不论从尺寸上还是施工工艺上 都与 8 5 规范制定时有很大不同 因此亟需一项能与 当前使用状况相适应 的规范作为设计人员的指导 8 5规范的修订工作即是在此背景下进行的 在新的桩基设计方法中 对 8 5规范中不合理 不适应的部分进行了改动 为进行桩基设计方法的 修订 首先查 阅了 8 5规范出版前后的相关文献 了 解原规范制定时的设计施工水平 研究规范的制定 背景 其次 参考 了国内外近些年来相关部 门和行业 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 8 基金项 目 国家科技支撑计划资助 2 0 0 6 B AG0 4 B 0 1 作者简介 龚维明 1 9 6 3 一 男 教授 1 9 8 5年毕业于浙 江大学 土木工程 系 工学学士 1 9 8 7年毕业于同济大学岩土工程系 工学硕士 1 9 9 6年 毕业于东南大学 土木工程系 工学博士 s e u g o n g w m s i n a c o rn 2 2 桥梁建设 2 0 1 0年第 1 期 的规范 第三 进行 了实测资料 的收集整理工作 并 在此基础上提出了相关内容的计算方法和建议 本 文对新规范中钻 挖 孔灌注桩桩端承载力计算的修 订进 行介 绍 2 8 5规范 的适 用性分 析 8 5规范钻 挖 孔灌注桩桩端承载力计算公式 主要是在总结 2 0世纪 6 0 7 O年代收集 的 1 0 5根试 桩资料的基础上得 出的 当时钻孔灌注桩尚作为一 种新 工艺 由于受 到 生 产 机具 的 限制 桩 长 桩 径相 对来说均较小 用 以分析得 出计算公式 的最长试桩 为 4 7 I n 以 3 0 r n以下 居 多 最 大 桩 径 为 1 4 I T I 以 1 0 m左右居多 因此 用该公式计算桩长 4 7 IT I 桩径 1 4 I n的桩 基是 比较恰 当 的 8 5规 范桩 端 承载 力公 式 中的 是 在浅 基础 计 算公式上进行修正得出的 首先对桩端处土的容许 承载力E o o 进行深度修正 加上 是 y 矗 一3 项 得到 基本项 忌 7 h 一3 再在此基础上考虑施工 引起的桩端沉渣 清底系数 m 桩的长径 比和土性 的影 响 综合修正 系数 从而得 出极 限承载力 对于持力层土类相 同的情况 其基本项在桩长超过 4 0 i n后进行的深度修正是一样的 近些年来 钻 挖 孔灌注桩在我国公路桥梁建 设中所 占比例超过 8 0 桩长 桩径早已突破 8 5规 范的限制 重大桥梁工程几乎都采用超长大直径钻 孑 L 灌注桩 而设计人员仍然使用基于中短桩研究成 果得出的公式来计算长桩和大直径灌注桩的桩端承 载力 就 存在 着适 用性 和合理 性 的问题 因此 在新 规范的修订工作中考虑到了桩基施工水平的不断提 高 桩长 桩径的不断增大 清底工艺的不断进步 在 统计大量实测数据的基础上 参考国内外相关规范 对桩端承载力的计算进行 了修订 3 国 内外 主要 规范 的相关 内容 3 1 建筑桩基技术规范 J G J 9 4 9 4 3 1 1 中小直径灌注桩 当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验 关系确定单桩竖向承载力标准值时 宜按下式计算 Q k Q k Qp k一 q z q p k Ap 式 中 Q 为单桩总极限侧阻力标准值 Q 为单桩总 极限端阻力标准值 q t 为桩侧第 i 层土的极 限侧 阻 力标准值 q 为极限端 阻力标准值 q 与 q p k 如无 当地经验值时 可按规范表 5 2 8 2取值 3 1 2 大直径 灌注 桩 8 0 0 ram 根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关 系 确定大直径桩 8 O O ram 单桩竖 向承载力标 准值时 可按下式计算 Q k Q k Qp k一 q i k I i q k A 式中 q 为桩侧第 i 层土的极 限侧阻力标准值 如 无当地经验值时 可按规范表 5 2 8 1取值 对于 扩底桩变截面以下不计侧阻力 q k 为桩径 8 0 0 i n m 的极限端阻力标准值 可采用深层载荷板试验确定 当不能进行深层载荷板试验时 可采用 当地经验值 或按规范表 5 2 8 2取值 对于干作业 清底干净 可按规范表 5 2 9 1 取值 对于混凝土护壁的大直 径挖孔桩 计算单桩竖 向承载力时 其设计桩径取护 壁外直径 分别为大直径桩侧阻 端阻尺寸效 应系数 按规范表 5 2 9 2 取值 3 2 铁路桥涵地基和基础设计规范 T B 1 0 0 0 2 5 2 0 0 5 桩端极限承载力计算如下式 端一 2 mo 式中 为桩底地基土的容许承载力 k P a 当 4 时 一 忌 2 7 2 h一3 当 4 1 0 d 时 一 忌 y 4 d 一3 走 y 2 6 d m 为钻孔 灌注桩桩底支承力折减系数 按规范表 6 2 2 6 采 用 挖孔灌注桩桩底支承力折减系数可根据具体情 况确 定 一 般可 取 m 一1 0 3 3 美国公路桥梁设计规范 荷载与抗力系数设 计法 1 9 9 4年 3 3 1 粘性 土 中桩端 极 限承载 力 q N S 4 0 1 N 一 6 E l 2 z D 9 式 中 D 为 钻 孑 L 桩 直 径 mm Z 为 钻 孔 桩 埋 深 ram S 为不排水抗剪强度 MP a S 值应 由桩 端 2 0 倍直径 的深度范围内获得的未扰动土样的就 地或室内试验的结果确定 如果桩端 2 0倍直径范 围内的土 s O 0 2 4 MP a 则 N 值应折减 1 3 对 S 0 0 9 6 MP a粘土中的 D 1 9 0 0 mm 的 钻孔桩和不需估计沉降的桩 应折减至 q p I qp F F 一 7 6 o 1 2 O a D 7 6 0 b 1 0 式中 a 0 0 0 7 1 0 0 0 2 1 Z DP 0 0 1 5 b 1 4 5 2 s 当 0 5 b 1 5时 D 为桩端直径 ram 式 1 中 4 0 MP a的限值是基于大量实测数据 摩擦单桩轴 向受压承载力 龚维 明 戴国亮 朱建 民 2 3 得到的 如有试验结果则可采用更高的限值 3 3 2 非粘性土中桩端极限承载力 桩端极 限承载力可用表 1中的方法计算 表 1 估计砂土 中的钻孔桩桩端抗力 q MP a 的方法汇总 来源 说明 中等密实 q 一I 5 k T o u m a 靠 蔷 萎 R e e s e 1 9 7 4 一 1 对 D 5 o qp o 6 o D u 对 K Dp 5 o o mm 仅 当 Db 1 0 D 时方可应用 兰 0 1 3 N 对砂土 M e y e r h o f L p D D O 0 9 6 N 对非塑性土 R e e s e和 w啦 t p 0 0 6 4 q U 口一 石 刈 b p O 0 5 7 qp一 4 1J 注 D为钻孔桩直径 ram D 为钻孔桩桩 端直径 ram Db为 钻 孔 桩 在 砂 土持 力 层 中的 长 度 mm N 一 0 7 7 l g 1 9 2 3 N 为按覆土压力修正的 S P T锤击数 锤击数 3 0 0 mm N 为未修正 的 S P T锤 击数 锤 击数 3 0 0 ram 为竖 向有效应力 MP a 当 桩 底 直 径 大 于 1 2 7 0 mm 时 即应 按 下 式 折减 g p r 一 1 2 7 0 q D 表 1给出的计算方法基于 向下的位移等于 2 5 mm嘲 或 桩 底 直 径 的 5 的 位 移 Me y e r h o f 表 达 式基于桩端抗力随桩端埋深线性地增加直 至 1 O倍 桩径处 再往下则保持定值嘲 3 4 其他规范 1 英国规范和欧洲规范 计算方法为 q N Cb 式中 N 为承载力 系数 一般取 9 当 l d 4时取 6 C 为桩端粘土剪切强度 2 前苏联规范 越南规范计算方法为 q p 7 d p Ak a y 1 L Bk 公式 考虑 了深 度效应 其 修 正值 随深度 线性 增加 3 日本规范 按照标贯击数进行取值 未考 虑深度 效应 4 对 原 8 5规范 公式 的修 订 4 1 试桩资料 修订规范所用的试桩资料主要来源 用于制 定原 8 5规范的试桩 来 自于各种 出版物和 网络 资源 到各高校 设计 院和检测单位调研所 得 在收集到的已达极 限承载力的试桩资料 中 除用于 制定 8 5规范的数据中有一部分为桩端 反力划分值 外 其余均为实测值 试桩总数量为 2 9 3根 最终采 用 了数据较为理想 的试桩 1 1 3根 桩径较大和桩顶 变位大的试桩 包含了用 于制定原规范的 1 0 5根试 桩 中的 1 5根 试 桩 统 计 情 况见 表 2 其 中 桩 径 小 于 1 0 m 的 7 0根 大 于 2 0 1 T I 的 6根 桩 径 在 1 0 2 0 i n的 3 7根 不管 从桩 长还 是从 桩径 来 看 制 定新规范所用试桩更能反映我 国桥梁桩基 的使 用 现状 表 2 试桩 统计情况 按桩长 桩长 m 数量 根 桩长 m 数量 根 1 0 0 2 4 2 修订内容 钻 挖 孔灌注桩的承载力容许值计算 1 尺 一告 1 q fk z A q 2 i q 一 m A o J k 2 2 一 3 3 式 中 R 为单桩轴 向受压承载力容许值 k N 桩 身 自重标准值与置换土重标 准值 当桩重计入浮力 时 置换土重也计 人浮力 的差值作 为荷 载考虑 U 为桩身周长 m A 为桩端截面面积 I T I 对 于扩 底 桩 取 扩底 截 面 面 积 为 土 的层 数 z 为 承 台底 面或局部冲刷线 以下各土层 的厚度 m 扩孔部分 不计 q 为与 z 对应的各土层与桩侧的摩阻力标准 值 k P a 宜采用单桩摩阻力试验确定 当无试验条 件时按规范表 5 3 3 1 选用 q 为桩端处土的承载 力容许值 k P a 当持力层为砂土 碎石土时 若计 算值超过下列值 宜按下列值采用 粉砂 1 0 0 0 k P a 细砂 1 1 5 0 k P a 中砂 粗 砂 砾 砂 1 4 5 0 k P a 碎 石土 2 7 5 0 k P a E f 为桩端处土 的承载 力基本容许值 k P a 按规范 3 3 3条确定 h为桩端 的埋置深度 m 对于有 冲刷 的桩基 埋 深由一般冲刷线起算 对 无 冲刷 的桩基 埋 深 由天 然地 面 线 或 实 际开 挖 后 的地面线起算 h的计算值不大于 4 0 m 当大于 4 0 m时 按 4 0 m计算 k 为容许承载力随深度的修正 系数 根据桩端处持力层土类按规范表 3 3 4选用 为桩 端 以上各 土层 的加 权 平均 重 度 k N m 若 持力层在水位以下且不透水时 不论桩端 以上土层 的透水性如何 一律取饱和重度 当持力层透水时则 水 中部分土层 取浮重 度 为修正 系数 按 规范表 5 3 3 2选 用 为 清底 系数 按规 范表 5 3 3 3 选 用 4 3修订说 明 调整了部分摩 阻力标准值 q 把 8 5规范桩端 2 4 桥梁建设 2 0 1 0年第 1期 极限承载力计算公式改为容许值计算公式 规定了 桩端承载力在各持力层 中的上 限值 对清底系数 m 进行 了限制 对于摩阻力标准值 q 的取值进行 了归类细分 但总体变动不大 对于桩端土承载力容许值 g r 在修订过程 中发 现 8 5规范公式在某些情况下的计算结果会大出实 测值较多 因此修 订时首先 校核 了深度 修正 系数 忌 由于 忌 在各 土类 中随 深度 变化 的 规律 并不 是 很 明显 又考虑到设计人员的使用 习惯和保持公式的 简洁 故未对 是 的取值进行变动 但用上限值对承 载力进行限制 在砂土和碎石土持力层的时候都有 上限值 这些值是按实测数据统计的结果 持力层为 粘土时没有设置上限值 因为统计资料表 明实测值 有可能大于公式计算的最大值 在 同类规范中 美 国 AAS HTO规范计算桩端承载力时也规定 了上限 值 粘性土为 4 0 MP a 对应的容许值为 2 0 MP a 对非粘性土 一般按其标贯击数计算桩端承载力 在 其提供的参考方法 中 R e e s e 和 Wr i g h t 法的上限值 为 3 8 MP a Re e s e和 0 Ne i l l 法 的上 限值 为 4 3 MP a 换 算成 容许 值 则分 别 为 1 9 MP a和 2 1 5 M Pa 对于清底系数 m 由于钻 挖 孔灌注桩的承载 力特别是桩端承载力与孔底沉渣厚度关系密切 沉 渣厚的桩在外荷载作用下桩端变形大 桩 的承载力 相应减小 反之沉渣薄则承载力会相应提高 所以在 施工技术普遍提高的情况下 限制清底 系数可以有 效改善 桩端 承载性 能 故删 掉 了桩 端沉渣 过厚 的项 并规定 沉渣 厚度 与桩径 之 比 t d不 大 于 0 3 按式 2 3 确定桩的承载力 在基桩验算时 桩 的 自重 可 以忽略 因为 式 2 3 中有关 参数 取值 是根据静载试验统计得到的 测试时自重 已经平衡 但考虑到桩身 自重标准值与置换土重标准值之差会 引起沉降 为保证安全 可将桩身 自重标准值与置换 土重标准值之差作为超载考虑 5 算 例 某地 区某桥梁工程采用钻孔灌注桩基础 直径 2 0 m 长度 6 0 m 承台高度 2 5 m 无冲刷情况 地 面开挖深度 2 7 m 承 台底面标 高为 一3 7 0 0 m 天 然地面标高为一1 0 0 0 m 桩底标高一6 2 9 0 0 m 地 下水位标高为一2 8 5 0 0 m 工程地质情况如下 软塑粘性土 层厚 1 0 3 m 重度 为 1 7 3 k N m 中密粉 砂 层 厚 4 6 8 5 m 重 度 为 1 9 3 k N m 密实碎石 层厚 1 2 m 重度为 1 8 6 k N m 桩端沉 渣厚度 0 3 m 5 1 按新修订规范计算 取承台底面下各土层的厚度 粘土层 7 6 m 粉 砂层 4 6 8 5 m 碎 石层 4 7 5 m 目 宜采用单桩摩 阻力试验确定 由于无试验条 件 利用 土质情 况 查规 范表 5 3 3 1 取粘 性 土 q 4 0 k P a 粉砂 q z k 4 5 k P a 碎 石 q 3 k 一2 2 0 k P a m 根据 t d 0 1 5 按 规范表 5 3 3 3查得 为 0 9 3 根 据 桩 端 土 为 碎石 透 水 性 土 l d一3 0 查 表 5 3 3 2得 0 8 5 h按实际开挖后的地面线起算为 5 9 2 I n 大于 4 0 m 故取 h 一4 0 m计算 忌 根 据桩 端持 力层 为密实 碎石按 规 范表 3 3 4 取 6 0 y 为桩端以上各 土层的加权平均重度 由于持 力层透水 故水中部分土层取浮重度计算 y 2 一 2 O 0 k N m 2 7 m 1 7 3 k N m 7 6 I n 1 9 3 k N m 1 7 2 m 9 3 k N m 2 9 6 5 m 8 6 k N m 4 7 5 m 6 2 9 m一 1 0 m 一1 3 4 7 k N m 厂 a o 为桩端 土的承载力 基本 容许值 按规范 3 3 3 条确定为 9 0 0 k P a 结合 上述 参 数 可 以求 解 钻孔 桩 单 桩 承 载力 如下 q 一0 9 3 0 8 5 F g o o k P a 6 1 3 4 7 k N m 4 O m一3 m 一3 0 7 4 k P a 2 7 5 0 k P a 取 q 一 2 75 0 kPa l R l 一0 5 7 2 0 m 4 0 k P a 7 6 r n 4 5 k N m 4 6 8 5 r n 2 2 0 k N m 4 7 5 m 7 c 4 2 0 m 2 7 5 0 k P a 1 9 4 9 0 k N 5 2 按 8 5 规范计算 R 一2 0 9 3 0 8 5 9 0 0 k P a 6 1 3 4 7 k N m 4 0 m一3 m 一6 1 4 8 k P a P 一0 5 兀 2 0 4 0 k P a 7 6 r r l 4 5 k P a 4 6 8 5 m 2 2 0 k P a 4 7 5 m 7 c 4 2 0 m 6 1 4 8 k P a 一2 0 5 0 7 k N 6 结 论 1 随着生产力水平的不断提高 8 5规范中桩 端承载力公式已不能很好地适应 当前桥梁基础中钻 挖 孔灌注桩 需进行必要 的修订 在新规范修订 下转 第 2 8页 2 8 桥梁建设 2 0 1 0年第 1 期 参 考 文 献 E 1 苏亮 董石麟 多点 输入下结构 地震反应 的研究现 状 与对空 间结构 的