婁學(xué)謙，胡興昊，王 幸，陳明杰

(中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230)

隨著全球共同發(fā)展和“一帶一路”倡議的提出，中國(guó)企業(yè)在非洲、東南亞國(guó)家和地區(qū)承接了大量海洋工程項(xiàng)目，鋼管樁以其施工方便、承載力高的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。在海洋工程中，因受風(fēng)浪、系泊力及地震力的作用，在樁基設(shè)計(jì)時(shí)常常更注重抗拔承載力。因此抗拔樁的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，在抗拔樁的設(shè)計(jì)中，抗拔承載力的計(jì)算是一項(xiàng)重要內(nèi)容。

國(guó)外海洋工程的基樁抗拔承載力設(shè)計(jì)主要參照美國(guó)石油協(xié)會(huì)規(guī)范API RP 2A-WSD[1]和歐洲規(guī)范EN 1997-1[2]，該類(lèi)規(guī)范的綱領(lǐng)性特征明顯，對(duì)計(jì)算基樁抗拔承載力等巖土工程問(wèn)題進(jìn)行了建議、提示和指導(dǎo)。其中，API規(guī)范除了提供計(jì)算基樁抗拔承載力的一般公式外，還提供了巖土參數(shù)的建議值，但由于其中試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)的局限性，有學(xué)者已對(duì)這些規(guī)范中的一些內(nèi)容提出了質(zhì)疑，例如樁-土摩擦系數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值[3]。而歐洲規(guī)范EN 1997-1只提供了一般計(jì)算公式，未規(guī)定巖土參數(shù)取值方法，一般可參考文獻(xiàn)[4]。

本文對(duì)API RP 2A-WSD、EN 1997-1、JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]、JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]等規(guī)范中基樁抗拔承載力計(jì)算理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)工程案例，對(duì)計(jì)算參數(shù)取值方面的異同進(jìn)行對(duì)比，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 樁基承載力設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

1.1 JTS 167—2018

關(guān)于基樁豎向承載力計(jì)算，JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用極限狀態(tài)的基于可靠度理論的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)理論，根據(jù)不同的樁型，分別給出了采用靜載試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值時(shí)所采用的抗力分項(xiàng)系數(shù)。

1.2 JGJ 94—2008

關(guān)于基樁豎向承載力計(jì)算，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》采用極限狀態(tài)的單一安全系數(shù)設(shè)計(jì)理論，綜合安全系數(shù)K=2，以單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值、極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值、樁的幾何參數(shù)為參數(shù)確定抗力，以荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合為作用力。

1.3 API規(guī)范

API RP 2A-WSD規(guī)范中，設(shè)計(jì)樁基承載力采用安全系數(shù)法，按荷載的類(lèi)型給予安全系數(shù)不同的規(guī)定值。設(shè)計(jì)環(huán)境條件加最小荷載(拉樁)時(shí)，安全系數(shù)取值為1.5。

1.4 歐洲規(guī)范Eurocode 7

歐洲規(guī)范Eurocode 7的主要設(shè)計(jì)思想是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。規(guī)范中要求明確區(qū)分承載力極限狀態(tài)(ULS)和正常使用極限狀態(tài)(SLS)，使用不同的計(jì)算來(lái)驗(yàn)算 ULS和SLS。對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，為了適應(yīng)不同的情況，Eurocode 7采用DA1、DA2和DA3(DA是Design Approach的縮寫(xiě))3種不同的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)方法。每種設(shè)計(jì)方法涉及 3 組不同的分項(xiàng)系數(shù)，分別是作用的(組A)、巖土材料參數(shù)的(組M)和抗力的(組R)分項(xiàng)系數(shù)。如果巖土材料參數(shù)的分項(xiàng)系數(shù)大于1，那么抗力的系數(shù)就等于1，反之亦然。這樣只對(duì)巖土材料參數(shù)或抗力應(yīng)用分項(xiàng)系數(shù)，而不是同時(shí)應(yīng)用[7]。

DA1有兩種組合方式。組合方式1是對(duì)荷載作用乘以分項(xiàng)系數(shù)，巖土材料參數(shù)采用特征值進(jìn)行設(shè)計(jì)，A1+M1+R1；組合方式2是對(duì)巖土材料參數(shù)偏于不利的情況，永久作用采用特征值，可變作用乘以略小的分項(xiàng)系數(shù)，巖土材料參數(shù)除以分項(xiàng)系數(shù)，A2+(M1或M2)+R4。

DA2分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)用于荷載作用和抗力，計(jì)算公式為A1+M1+R2。

DA3分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)用于荷載作用和巖土材料參數(shù)，計(jì)算公式為(A1或A2)+M2+R3。

在非洲，較多國(guó)家使用Eurocode 7及英國(guó)國(guó)家附錄[8-9]進(jìn)行參數(shù)取值，目前英國(guó)使用DA1。各方法的分項(xiàng)系數(shù)見(jiàn)表1～3。

表1 荷載作用分項(xiàng)系數(shù)

表2 土體強(qiáng)度參數(shù)分項(xiàng)系數(shù)

表3 打入樁的抗力分項(xiàng)系數(shù)

1.5 分析比較

JTS 167—2018、Eurocode 7在設(shè)計(jì)原理上均采用了概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，JTS 167—2018的方法與歐標(biāo)的設(shè)計(jì)方法1的組合方式1相同，只是在系數(shù)的取值上略有差異。JGJ 94—2008與API規(guī)范采用了安全系數(shù)法，API針對(duì)不同的荷載特點(diǎn)采用了不同的安全系數(shù)，與概率極限狀態(tài)法有所接近。

2 單樁抗拔承載力的計(jì)算方法

2.1 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

JTS 167—2018規(guī)定，凡允許不作靜載荷試樁的工程，打入樁的單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：

(1)

式中：γR為單樁抗拔承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.45～1.55；U為樁身截面周長(zhǎng)；ξi為折減系數(shù)，對(duì)黏性土取0.7～0.8，對(duì)砂土取0.5～0.6；qfi為樁周第i層土的單位面積極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可根據(jù)規(guī)范中的推薦值選取；li為樁身穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度；G為樁重力，水下部分按浮重力計(jì)；α為樁軸線與垂線夾角。

2.2 建筑樁基技術(shù)規(guī)范

JGJ 94—2008規(guī)定，承受拔力的樁基，其單樁抗拔承載力應(yīng)滿(mǎn)足：

(2)

式中：Nk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的基樁拔力；Tuk為群樁呈非整體破壞時(shí)基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，按式(3)計(jì)算；Gp為樁自重，地下水位以下取浮重力。

(3)

式中：ui為樁身周長(zhǎng)；qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可根據(jù)規(guī)范中推薦的經(jīng)驗(yàn)值選取，或通過(guò)原位測(cè)試法計(jì)算；λi為抗拔系數(shù)，砂土取0.50～0.70，黏性土和粉土取0.70～0.80。

2.3 API規(guī)范

根據(jù)API規(guī)范規(guī)定，計(jì)算得到的抗拔承載力不得大于抗壓承載力的側(cè)阻力，按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：Qt為單樁抗拔極限承載力，小于或等于抗壓承載力的側(cè)阻部分；d為樁的直徑；f(z)為深度z處的樁側(cè)摩阻力。

通過(guò)單樁極限抗拔承載力除以安全系數(shù)來(lái)確定單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值。計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮樁浮重力W，當(dāng)可以確定時(shí)可考慮土塞浮重力G，單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值可以表示為Qt1.5+W+G，形式上與建筑樁基標(biāo)準(zhǔn)是一致的。

1)黏性土中。

f(z)=αsu

(5)

式中：su為計(jì)算深度處的不排水抗剪強(qiáng)度；α為無(wú)量綱參數(shù)，對(duì)欠固結(jié)土，α通?？扇?.0。

參數(shù)α滿(mǎn)足α≤1.0，根據(jù)下式計(jì)算：

(6)

p′0(z)=ρsgz

(7)

式中：ρs為土的有效密度；z為入土深度。

2)無(wú)黏性土中。

f(z)=βp′0(z)

(8)

式中：β為適用于砂土的無(wú)量綱參數(shù)，API規(guī)范[10]給出了不閉塞開(kāi)口管樁的β值，對(duì)全擠土樁(即閉口或完全閉塞開(kāi)口樁)的值可提高25%使用；p′0為深度z處的有效覆蓋土壓力；對(duì)于長(zhǎng)樁，f(z)不可能如式(8)所示隨覆蓋層壓力線性增加，在這種情況下，可以將f(z)按API規(guī)范限定。

3)巖層中。

只規(guī)定了原則性要求，未規(guī)定具體的參數(shù)或計(jì)算方法。

2.4 EN規(guī)范

單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值Rt;d可按下式計(jì)算：

(9)

式中：Rt;k為單樁抗拔承載力特征值，應(yīng)通過(guò)靜載試驗(yàn)得出，也可以基于土體試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算，但前提是這些方法已通過(guò)樁荷載試驗(yàn)和類(lèi)似經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證；γs;t為抗力分項(xiàng)系數(shù)，可由國(guó)家附錄規(guī)定，或參考規(guī)范的附錄A取值。

EN 1997-1計(jì)算單樁抗拔承載力特征值Rt;k時(shí)，通過(guò)兩種程序考慮土體變異性：

第1種程序稱(chēng)為“模型”程序，使用土體試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算Rt;k。與靜載試驗(yàn)類(lèi)似，該程序也將計(jì)算承載力除以相關(guān)系數(shù)ξ，以考慮樁承載力的變異性。

(10)

式中：ξ3和ξ4是取決于土體剖面試驗(yàn)數(shù)量n的相關(guān)系數(shù)，可由國(guó)家附錄規(guī)定，或參考規(guī)范的附錄A取值；(Rs；cal)mean為使用土體試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的樁側(cè)摩阻力極限值的平均值；(Rs；cal)min為使用土體試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的樁側(cè)摩阻力極限值的最小值。

第2種程序稱(chēng)為“備選”程序，首先將土體試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行綜合保守評(píng)估，然后基于保守評(píng)定結(jié)果計(jì)算Rt;k。

(11)

式中：qs;i;k為不同地層中單位面積的樁側(cè)土摩阻力特征值；As；i為不同地層中樁段的側(cè)面積。

如果選用備選程序，γs;t可能需要通過(guò)乘以大于1.0的模型系數(shù)γRd修正。模型系數(shù)可由國(guó)家附錄確定，如英國(guó)國(guó)家附錄規(guī)定模型系數(shù)取1.4，當(dāng)通過(guò)維持荷載法驗(yàn)證了極限承載力后，可降為1.2。

因?yàn)閱?wèn)題的復(fù)雜性，EN 1997并未給出qs;i;k取值方法，已有很多項(xiàng)目參考了《樁的設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐》進(jìn)行取值，式(11)進(jìn)一步變?yōu)椋?/p>

1)對(duì)細(xì)粒土。

(12)

式中：αpi為峰值附著系數(shù)，值可由圖1估算；F為長(zhǎng)度因子，其值可由圖2估計(jì)；cui為樁身周?chē)魍翆拥奈磾_動(dòng)不排水抗剪強(qiáng)度特征值；As;i為提供摩擦力作用的樁身的表面積。

圖1 峰值附著系數(shù)與抗剪強(qiáng)度有效上覆壓力的關(guān)系

圖2 長(zhǎng)度系數(shù)與埋置深度樁徑的關(guān)系

2)對(duì)粗粒土。

(13)

式中：σ′v0為樁側(cè)計(jì)算深度處有效上覆巖土層壓力；ksi為土的水平土應(yīng)力系數(shù)，取決于土的相對(duì)密度和固結(jié)狀態(tài)、樁的擠土體積、樁的材料和樁的形狀，對(duì)打入的大擠土樁、打入的小擠土樁，ksk0取值分別為1～2、0.75～1.25；δf為樁土摩擦角的特征值或平均值。

在正常固結(jié)土中，K0隨深度而恒定，取決于土的相對(duì)密實(shí)度：松散(標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N為0～10)，K0=0.50；中密(標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N為10～30)，K0=0.45；密實(shí)(標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N>30)，K0=0.35。

不同界面條件下樁與土的摩擦角值：平滑(涂層)鋼或砂，δf=0.5φ～0.7φ；粗糙(波形)鋼或砂，δf=0.7φ～0.9φ。

3)對(duì)軟巖。

對(duì)于砂巖、火成巖、部分石灰?guī)r等易碎的粗粒巖石，可以認(rèn)為打樁使樁身周?chē)膸r石破碎，形成疏松到中密的砂體，這種情況可以采用適當(dāng)?shù)腒s和δ參考式(14)計(jì)算。如果泥巖和粉砂巖等巖石的風(fēng)化程度接近黏性土狀，使得獲得原狀樣本成為可能，則風(fēng)化巖石可視為黏土，參考式(12)計(jì)算。

從基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)角度，采用式(14)估計(jì)軟巖層的樁側(cè)單位摩阻力。

(14)

式中：σ′ucw為軟巖單軸抗壓強(qiáng)度；b為系數(shù)，取值0.2～0.3。

2.5 比較分析

通過(guò)土層參數(shù)法計(jì)算鋼管樁單樁抗拔承載力時(shí)，EN 1997-1中未規(guī)定樁側(cè)單位側(cè)摩阻力取值方法；美國(guó)API規(guī)范規(guī)定了黏性土和無(wú)黏性土單位側(cè)摩阻力計(jì)算方法，而對(duì)巖層中的取值僅有原則性規(guī)定；我國(guó)JTS 167—2018規(guī)定了土的單位側(cè)摩阻力經(jīng)驗(yàn)值，沒(méi)有巖層中打入樁單位側(cè)摩阻力取值的相關(guān)規(guī)定；JGJ 94—2008規(guī)定了土、強(qiáng)風(fēng)化巖、全風(fēng)化巖單位側(cè)摩阻力的取值建議，更全面、更簡(jiǎn)便。

EN 1997-1和美國(guó)API規(guī)范均規(guī)定，抗拔樁側(cè)阻取值與抗壓樁側(cè)阻取值相同，通過(guò)分項(xiàng)系數(shù)或安全系數(shù)等參數(shù)調(diào)整安全儲(chǔ)備，JTS 167—2018和JGJ 94—2008的抗拔側(cè)阻取值是在抗壓側(cè)阻基礎(chǔ)上折減得到，與EN1997-1和美國(guó)API規(guī)范的理念是相同的，但實(shí)際效果略有差異。

3 工程實(shí)例

3.1 實(shí)例1

實(shí)例1是肯尼亞蒙巴薩港某離岸碼頭工程，采用開(kāi)口鋼管樁作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，樁徑1.0 m，壁厚15.4 mm，樁長(zhǎng)52.70 m，樁底設(shè)計(jì)高程-49.00 m，采用歐洲規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。巖土以黏性土、砂土、強(qiáng)風(fēng)化到中風(fēng)化泥巖為主。巖土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 土層參數(shù)

采用BSP CG300液壓沖擊錘施打鋼管樁，樁端沉至-45.01 m，至中風(fēng)化泥巖后無(wú)法繼續(xù)貫入，1.2 m錘擊跳高下，終錘貫入度0.8 mm。

因終錘樁端高程與設(shè)計(jì)樁端高程有較大差距，且該項(xiàng)目鋼管樁受拔力作用，在沉樁后第8 d進(jìn)行了抗拔靜載試驗(yàn)，抗拔樁加載分為0～1.0 倍的設(shè)計(jì)荷載、0～2.5 倍的設(shè)計(jì)荷載2個(gè)循環(huán)，設(shè)計(jì)荷載為1 300 kN。完成前面2次循環(huán)加卸載后，樁仍未破壞，后在快速法加載至5 395 kN時(shí)樁上拔破壞，荷載-樁頂上拔曲線見(jiàn)圖3?？拱螛兜臉O限承載力是指土體對(duì)抗拔樁提供的極限摩阻力[11]，因此，破壞荷載的上一級(jí)荷載減去樁身自重即為樁的極限承載力，為4 840.7 kN，荷載-樁頂上拔曲線見(jiàn)圖3。進(jìn)行抗拔折減前，各土層的單位樁側(cè)阻力見(jiàn)表5，樁的抗拔側(cè)阻力結(jié)果見(jiàn)表6。

圖3 試樁的Q-s曲線

表5 單位樁側(cè)摩阻力 kPa

表6 樁的抗拔側(cè)阻力結(jié)果

從表 6可以看出，該區(qū)域黏性土為主的地層條件下，用JGJ 94—2008進(jìn)行抗拔極限承載力計(jì)算誤差更小，其它幾套規(guī)范誤差較為接近?？紤]安全系數(shù)或分項(xiàng)系數(shù)、樁身自重等后，計(jì)算單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值，以歐洲規(guī)范的DA1-2組合計(jì)算結(jié)果最低。參考Piledesignandconstructionpractice或JGJ 94—2008計(jì)算打入樁軟巖段的樁側(cè)阻力，是可行的。建議參考JGJ 94—2008對(duì)本項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 實(shí)例2

實(shí)例2為幾內(nèi)亞鋁土礦出口碼頭工程，采用開(kāi)口鋼管樁作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，樁徑1.42 m，壁厚21 mm，樁長(zhǎng)48.00 m，樁底設(shè)計(jì)高程-42.00 m。巖土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 土層參數(shù)

采用HHP20液壓沖擊錘進(jìn)行鋼管樁沉樁施工，在1.2 m錘擊跳高下，終錘貫入度12 mm。為評(píng)價(jià)樁實(shí)際抗拔承載能力和樁的抗壓與抗拔側(cè)阻性狀，在沉樁第18 d進(jìn)行了抗拔靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)條件下抗拔承載力不低于6 697.6 kN。

進(jìn)行抗拔折減前，各土層的單位樁側(cè)阻力見(jiàn)表8，樁側(cè)阻力結(jié)果見(jiàn)表9?？梢钥闯觯诟咚苄责ば酝梁兔軐?shí)細(xì)砂為主的地層條件下，用JGJ 94—2008、API規(guī)范進(jìn)行抗拔極限承載力計(jì)算誤差更小，其他2項(xiàng)規(guī)范誤差較為接近?？紤]安全系數(shù)或分項(xiàng)系數(shù)、樁身自重等計(jì)算單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值后，歐標(biāo)的DA1-2組合計(jì)算結(jié)果最低。建議參考JGJ 94—2008或API規(guī)范對(duì)本項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

表8 單位樁側(cè)摩阻力 kPa

表9 樁的抗拔側(cè)阻力結(jié)果

4 結(jié)論

1)主要為黏性土的地層中，用JGJ 94—2008計(jì)算的抗拔極限側(cè)阻力與實(shí)測(cè)值偏差最小，其它幾項(xiàng)規(guī)范誤差接近。主要為黏性土、砂土的地層中，用JGJ 94—2008、API規(guī)范計(jì)算的抗拔極限側(cè)阻力與實(shí)測(cè)值偏差最小。

2)考慮分項(xiàng)系數(shù)、安全系數(shù)后計(jì)算的單樁抗拔承載力設(shè)計(jì)值有一定差異，進(jìn)行樁的抗拔承載力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分了解包括外部作用的計(jì)算方法、理念，避免對(duì)樁的承載力產(chǎn)生誤解。

3)計(jì)算案例表明，對(duì)國(guó)外打入鋼管樁，采用JGJ 94—2008或Piledesignandconstructionpractice進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)化軟泥巖側(cè)阻力取值是可行的。

4)理論上，在計(jì)算樁的抗拔承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，除計(jì)入樁身自重外，還可以計(jì)入樁內(nèi)土塞重。中國(guó)規(guī)范和EN 1997規(guī)范均未考慮土塞重，API規(guī)范對(duì)土塞重的考慮持慎重態(tài)度。此外，土塞的形成程度，不僅影響到樁重，還影響擠土效應(yīng)，這些均會(huì)導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間存在較大偏差。

5)EN 1997、API規(guī)范對(duì)樁側(cè)單位面積摩阻力取值方法是比較開(kāi)放的，在國(guó)外樁基工程中，建議充分結(jié)合中國(guó)規(guī)范，以利于設(shè)計(jì)優(yōu)化和中國(guó)規(guī)范的輸出。