千明德，林昊宇，史洪山

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春130021)

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁通常簡(jiǎn)稱為管樁，是利用離心成型的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土環(huán)形截面樁，包括預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(代號(hào)PHC)和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(代號(hào)PC)。該樁質(zhì)量易于檢查和保證，具有較好的抗腐蝕性能，且施工工效較高，特別適合于大面積打樁工程。由于預(yù)應(yīng)力管樁適應(yīng)范圍較廣，且有一些突出的優(yōu)點(diǎn)，因此，在工民建領(lǐng)域經(jīng)常采用該種樁型。該樁在各類規(guī)范中的承載力計(jì)算方法并不完全一致，特別是建工行業(yè)建設(shè)規(guī)范JGJ 3294—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》與部分地方規(guī)范區(qū)別較大，如江蘇省地方規(guī)范DGJ 32/TJ 109—2010《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)規(guī)程》，造成設(shè)計(jì)人員的困惑。同時(shí)，公式計(jì)算值跟實(shí)際測(cè)得的樁基承載力也有一定差異，有的公式計(jì)算值過于保守，有的公式計(jì)算值則又比較危險(xiǎn)，因此，有必要對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁豎向承載力計(jì)算公式進(jìn)行深入分析。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力分析

1．1 JGJ 3294—2008承載力計(jì)算公式

JGJ 94—2008中對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力有如下的規(guī)定:對(duì)于甲、乙級(jí)樁基，除地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的乙級(jí)樁基，均應(yīng)通過單樁靜載試驗(yàn)確定;對(duì)于丙級(jí)樁基，可根據(jù)原位測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定樁的總極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk為:

式中:Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;u為樁身周長(zhǎng);qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;li為樁周第i層土的厚度;Aj為空心樁樁端凈面積;λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù);Apl為空心樁敞口面積。

JGJ 94—2008的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力公式實(shí)際上是采用日本對(duì)于鋼管樁的研究成果［1］。該研究認(rèn)為，對(duì)于開口鋼管樁，承載力包括兩個(gè)部分，分別是管外側(cè)阻力以及端阻力，其中，計(jì)算側(cè)阻力時(shí)要考慮擠土效應(yīng)，而計(jì)算端阻力時(shí)要考慮土塞效應(yīng)。鋼管樁總承載力Qu的公式為:

式中:qsui、qpu為樁周第i層土的極限側(cè)阻力和極限端阻力;λs為側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù)，樁徑小于600 mm，該值取1;Ap為樁端投影面積;λp為端阻閉塞效應(yīng)系數(shù)。

λp隨樁端進(jìn)入持力層深度hb增加而增大，按式(3)、(4)確定:式中:D為鋼管樁外徑;λb為開口鋼管樁側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù)。

可以看出，公式(2)與公式(1)基本相同，只是公式(1)λs項(xiàng)取固定值1，從而省略了該項(xiàng)。盡管公式(2)是鋼管樁公式，但是根據(jù)大量試驗(yàn)，鋼管樁與混凝土管樁的極限側(cè)阻力可視為相等，因?yàn)槌藞?jiān)硬黏性土外，側(cè)阻剪切破壞面發(fā)生于靠近樁表面的土體中，而不是樁土界面，同時(shí)，鋼管樁與混凝土管樁的土塞效應(yīng)類似，所以，用鋼管樁的公式推導(dǎo)混凝土樁是合理的。由于混凝土管樁的壁厚要遠(yuǎn)大于鋼管樁，因此不能忽略樁壁端部提供的端阻力［2］。

1．2 DGJ 32/TJ 109—2010承載力計(jì)算公式

各地對(duì)于預(yù)應(yīng)力管樁均有相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)，由于規(guī)定相差不大，這里僅取江蘇省規(guī)范為例對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力計(jì)算公式進(jìn)行分析。江蘇省地方規(guī)范DGJ 32/TJ 109—2010對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力有如下的規(guī)定:對(duì)于甲、乙級(jí)樁基與JGJ 94—2008相同，通過單樁靜載試驗(yàn)確定;對(duì)于丙級(jí)樁基，可根據(jù)原位測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定;也可參照地質(zhì)條件相同的試樁資料，結(jié)合靜力觸探等原位測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合確定。

經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定承載力的公式為:

式中Apk為樁底端橫截面積。

1．3 2個(gè)規(guī)范公式的對(duì)比分析

JGJ 94—2008中，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力計(jì)算公式共包含3項(xiàng)，即樁的側(cè)阻力和端阻力，還有因?yàn)橥寥?yīng)增加的承載力。而江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ 32/TJ 109—2010中的經(jīng)驗(yàn)公式包含兩項(xiàng)，即樁的側(cè)阻力和端阻力，其中求端阻力時(shí)，會(huì)受到樁尖形式的影響。對(duì)于開口型樁，從樁的實(shí)際受力出發(fā)，考慮土塞效應(yīng)是合理的，因此JGJ 94—2008的計(jì)算公式更符合實(shí)際。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以某工程實(shí)例比較這2個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力計(jì)算公式。由于它們的側(cè)阻力計(jì)算相同，本文只計(jì)算端阻力部分;另外，文中所列樁為甲級(jí)樁，應(yīng)采用靜載荷試驗(yàn)確定承載力，但為了對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式，仍采用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

2．1 工程地質(zhì)概況

某擴(kuò)建電廠，廠區(qū)內(nèi)的地層巖性自上而下分布如下:①為雜填土，層厚一般在0．50～2．90 m，平均層厚1．44 m;②為粉質(zhì)黏土，該層土分為硬塑、可塑、軟塑3種狀態(tài)，其中硬塑粉質(zhì)黏土層層厚為1．20～4．50 m，平均層厚 2．63 m，層頂埋深為0．50 ～2．90 m，可塑粉質(zhì)黏土層層厚為 0．60 ～3．10 m，平均層厚1．63 m，層頂埋深為2．00 ～5．50 m，軟塑粉質(zhì)黏土層層厚為1．10～4．40 m，平均層厚2．35 m，層頂埋深為3．90～6．70 m;③為細(xì)砂層，層厚為0．50～4．10 m，平均層厚 2．39 m，層頂埋深為7．00～9．50 m，在該層的下部，部分地段有中密狀態(tài)的細(xì)砂層，層厚為1．20 ～3．30 m，平均層厚1．98 m，層頂埋深為7．70～10．00 m;④為粗砂，在巖土勘察中未穿透該層，層頂埋深為10．00～12．00 m。土體的物理力學(xué)指標(biāo)和樁基參數(shù)見表1。

2．2 主廠房、鍋爐房、煙囪端阻力分析

該電廠使用樁基基礎(chǔ)的建筑較多，本文僅對(duì)典型的主廠房、鍋爐房和煙囪3處主要建筑進(jìn)行分析。這3處主要建筑的樁基在施工完成后，按照J(rèn)GJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)、低應(yīng)變以及高應(yīng)變測(cè)試，其中，只有高應(yīng)變測(cè)試能夠測(cè)得樁端阻力，因此本文只分析該方法。主要建筑樁基總數(shù)及高應(yīng)變法樁數(shù)見表2。

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)及樁基參數(shù)

表2 主要建筑樁基總數(shù)及高應(yīng)變法測(cè)試樁數(shù)量

表2中高應(yīng)變法測(cè)試樁數(shù)量按樁基總數(shù)的5%確定。將高應(yīng)變測(cè)得的樁端阻力值取平均值，同時(shí)按照J(rèn)GJ 94—2008的公式(1)和 DGJ 32/TJ 109—2010的公式(5)計(jì)算樁端阻力值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比見表3。

表3 樁端阻力對(duì)比

由于施工時(shí)并未采用樁尖，因此JGJ 94—2008和DGJ 32/TJ 109—2010相比，只是增加了土塞效應(yīng)引起的樁端承載力提高項(xiàng)，其余均相同，在計(jì)算土塞效應(yīng)項(xiàng)時(shí)，假設(shè)樁端進(jìn)入持力層深度為2倍樁徑，也就是1 m。

通過對(duì)比可以看處，DGJ 32/TJ 109—2010公式計(jì)算的數(shù)值，由于沒有考慮土塞效應(yīng)，均小于實(shí)測(cè)值，而且差值較大，有些危險(xiǎn)。而JGJ 94—2008考慮了土塞效應(yīng)，但由于該值估算過多，計(jì)算值均大于實(shí)測(cè)值，有一定的浪費(fèi)?？偟膩碚f，JGJ 94—2008計(jì)算值更接近于實(shí)測(cè)值。

對(duì)于JGJ 94—2008公式計(jì)算的數(shù)值比實(shí)測(cè)值大的情況，主要是因?yàn)榧僭O(shè)樁端進(jìn)入持力層深度為1 m，經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，基樁普遍不能達(dá)到該深度，平均為0．5 m左右，此時(shí)的壓樁力已經(jīng)達(dá)到了4 600 kN，達(dá)到了樁本身的承載力，不能再繼續(xù)增加壓樁力，而且根據(jù)之前的試樁報(bào)告，當(dāng)樁端進(jìn)入持力層0．5 m，樁的豎向承載力能夠滿足要求。具體計(jì)算數(shù)據(jù)如下:當(dāng)樁端進(jìn)入持力層1 m時(shí)，計(jì)算得到的樁端阻力為1 633．7 kN;當(dāng)樁端進(jìn)入持力層0．5 m時(shí)，計(jì)算得到的樁端阻力為1 445．5 kN。此時(shí)，主廠房、鍋爐房和煙囪的樁端阻力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值分別為0．94、0．93 和 0．96。

從上面的數(shù)據(jù)看出，樁端進(jìn)入持力層深度對(duì)樁端阻力影響較大，另外，假設(shè)該深度為0．5 m，更接近實(shí)際，也更安全一些。該值僅是根據(jù)巖土勘察報(bào)告得到的估算值，并不十分準(zhǔn)確，而且本工程沒有采用增加樁尖及引孔等施工工藝，同時(shí)，該處地下水位較低，而這些因素都會(huì)對(duì)樁端進(jìn)入持力層深度有影響。因此，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，需要充分考慮各個(gè)因素來確定樁端進(jìn)入持力層深度，從而使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。

3 結(jié)束語

本文通過一個(gè)實(shí)際工程，對(duì) JGJ 94—2008和DGJ 32/TJ 109—2010相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較。經(jīng)過與樁基高應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，可以看出:JGJ 94—2008由于考慮了土塞效應(yīng)，從理論及實(shí)際角度上要比DGJ 32/TJ 109—2010更準(zhǔn)確些。同時(shí)，對(duì)比不同持力層入土深度的樁端承載力，可以看出該值對(duì)樁基承載力有較大影響，因此，在確定該值時(shí)，需要考慮土質(zhì)、施工工藝、地下水等多種因素綜合考慮，從而保證該值與實(shí)際相符。