开口钢管桩单桩竖向极限承载力研究.pdf

第 22 卷 第 7 期2023 年 7 月中国建筑金属结构CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTUREVol22 No7Jul2023220 引言开口钢管桩是一种常用的基础形式，其具有较高的承载力和抗震性能，因此在桥梁工程中得到了广泛应用。目前，很多学者对开口钢管桩承载力的研究多依托于港口、码头等。贾媛媛1等对码头工程大直径钢管桩承载力进行研究，通过试桩资料、有限元分析，研究钢管桩桩径、桩长、桩侧土摩擦系数及桩端土压缩模量对竖向承载力影响规律。魏兴龙2等以码头工程为实例，采用规范中计算公式、数值模型和高应变检测方法，对开口钢管桩的竖向承载力进行了比较分析。胡利文3等根据钢管桩轴向受荷机理，结合码头实例，从桩土特性、入岩深度、桩土恢复系数及沉桩工艺等方面分析了开口钢管桩承载力的影响因素。张召彬4等对电厂码头的大直径开口钢管桩进行研究，通过高应变动力测试和静载试验桩身内力测试等综合手段，对不同龄期钢管桩的受力及变形特性进行综合分析，得出钢管桩最终承载力的预判公式。本文依托上海市某高架桥梁工程，基础采用开口钢管桩时，对比上海勘察规范估算钢管桩计算结果和静载荷试验实测结果，对开口钢管桩的单桩竖向极限承载力做进一步研究。1 开口钢管桩的受力机理开口钢管桩是一种特殊的钢管桩，其桩端是开口的。开口桩在打入的过程中，部分土体挤入钢管内部，形成土塞，部分土体挤向四周，在桩向四周挤土的同时，钢管外壁与土体接触将更为紧密，法向应力很大，则此时桩侧阻力也很大，这种效应叫“挤土效应”5。由于开口桩存在土芯，因而其排土量小于闭口钢管桩，挤土效应也不如闭口桩。在计算时，必须考虑挤土相应降低对桩侧阻力的折减6。开口钢管桩端阻力是指在钢管桩的开口处，由于土体的阻力和钢管桩的摩擦力等因素所产生的阻力。这种阻力通常是在桩身下端的一段区域内产生的，其大小与土体的性质、桩身的形状和尺寸、桩身下端的深度等因素有关。在钢管桩的设计和施工中，需要对开口钢管桩端阻力进行合理的计算和控制，以确保钢管桩的稳定性和承载能力。2 工程实例2.1 场地工程地质分布本文依托上海市某高架桥梁工程，结构形式为连续钢箱梁形式，预采用开口钢管桩基础（采用免共振液压高频振动锤施工），钢管桩规格为 700mm、800mm 开口钢管桩。地基土属于上海地区滨海平原地貌，按土性划分，可分为 7 层，地基土层分布如下：第层杂填土，结构松散，土质不均；第层粉质黏土，土质自上而下逐渐变软；第层淤泥质粉质黏土和第层淤泥质黏土，土质软弱，强度低；第夹层砂质粉土，土质较硬，强度较高；第 1 层黏土、第 3-1 层粉质黏土和第 4 层粉质黏土，土质软弱，强度较低；第 2 层黏质粉土和第 3-2层粉质粘土夹黏质粉土，土质较硬，强度较高；第 2-1 层粉砂和第 2-2 层粉砂，土质硬，强度高；第 1 层粉质黏土夹砂质粉土，土质较硬，强度较高；第 2 砂质粉土，土质硬，强度高。典型土层地质剖面如图 1 所示。图 1 场地土层分布情况作者简介：郭嫚（1987-），女，硕士研究生，工程师，研究方向：钢管桩的单桩竖向承载力。开口钢管桩单桩竖向极限承载力研究郭 嫚（上海元易勘测设计有限公司，上海 201203）摘 要：为了研究开口钢管桩的单桩竖向极限承载力标准值，本文以某桥梁工程为依托，通过规范经验法和现场静载荷试验分别得到单桩竖向极限承载力标准值，提出影响其计算结果的影响因素，研究结果表明：（1）开口钢管桩承载力与桩长、桩径等因素密切相关；（2）规范法计算结果与实测数据存在一定的偏差，则规范公式需根据工程经验作相应的修正，以满足工程需要。关键词：桥梁工程；开口钢管桩；极限承载力；规范法；静载荷试验中图分类号：TU473.1 文献标识码：ADOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.07.00923第 7 期中国建筑金属结构2.2 规范法估算钢管桩的单桩竖向承载力极限承载力标准值2.2.1 计算公式上海 DGJ08-37-2012岩土工程勘察规范714.5.5 和14.5.6，依据土性确定各层土的桩周极限摩阻力和桩端处土的极限端承力，因开口钢管桩需考虑存在挤土效应和桩端闭塞效应，需在桩侧、桩端分别乘以桩侧挤土效应系数和桩端闭塞效应系数。pppsisisdrAfrlfURpp（1）式中：（1）式中：Up为桩身截面周长（m）；fsi为桩侧第 i 层土的极限摩阻力标准值（kPa），根据土层的名称、埋藏深度及性质并结合原位测试值按上海地区岩土工程勘察规范按表 14.5.5 所列的数值选用；fp桩端处土的极限端阻力标准值（kPa），可根据土层的名称、埋藏深度及性质并结合原位测试值按上海地区岩土工程勘察规范按表 14.5.5 所列的数值选用；li为第 i 层土的厚度（m）；Ap为桩端横截面面积（m2）；rs为总侧摩阻力的分项系数，可按端阻比 p由根据上海地区岩土工程勘察规范按表 14.5.2-2 查用；rp为桩端阻力的分项系数，可按端阻比 p由根据上海地区岩土工程勘察规范按表 14.5.2-2 查用；s桩侧挤土效应系数，由上海地区岩土工程勘察规范宜按表 14.5.6 确定；p桩端闭塞效应系数：当桩侧挤土效应系数，由上海地区岩土工程勘察规范宜按表 14.5.6 确定；桩端闭塞效应系数：当sb/DH 5 时，s/16.0）（sbpDH；。则，开口钢管桩的单桩竖向极限承载力标准值可按（2）式计算：；桩侧挤土效应系数，由上海地区岩土工程勘察规范宜按表 14.5.6 确定；桩端闭塞效应系数：当sb/DH 5 时，sp8.0。则，开口钢管桩的单桩竖向极限承载力标准值可按（2）式计算：。则，开口钢管桩的单桩竖向极限承载力标准值可按式（2）计算。表 1 场地土层分布及基本力学指标土层编号土层名称土层厚度（m）层底深度（m）静力触探比贯入阻力 Ps（MPa）预制桩桩侧极限摩阻力标准值 fs（kPa）桩端极限摩阻力标准值 fp（kPa）杂填土1.81.8-粉质黏土1.02.80.5515-淤泥质粉质黏土1.64.40.5015-夹砂质粉土1.66.01.256m 以上 15-6m 以下 30-淤泥质粉质黏土3.79.70.5020-淤泥质黏土7.317.00.6125-1黏土1.818.80.9935-2黏质粉土2.120.91.7840-3-1粉质黏土4.925.81.0145-3-2粉质黏土夹黏质粉土16.041.81.6560-4粉质黏土1.643.42.7570-2-1粉砂8.451.811.271006 0002-2粉砂14.766.516.151107 0001粉质黏土夹砂质粉土10.076.54.29-2砂质粉土8.585.012.86-ppisisukAflfUQpp（2）2.2.2 收集资料收集项目的土层资料，其土层分布及基本力学指标如表 1 所示。表 1 场地土层分布及基本力学指标（2）2.2.2 收集资料收集项目的土层资料，其土层分布及基本力学指标如表 1所示。2.3 计算结果根据式（2），结合表 1 参数，估算单桩竖向极限承载力标准值，计算结果如表 2 所示。由表 2 可知：同一桩型，增加桩长，桩侧阻力和端阻力都会增加，但对端阻力的影响较大。一般情况下，受力初期，端阻力会随着桩长的增加而增加；当桩长达到一定程度后，增加桩长对开口钢管桩的端阻力的影响会逐渐减弱。这是因为较长的桩长可以使钢管桩下端的土体更加紧密地固结在一起，从而增加了土体的密实度和桩身下端的摩擦力，进而增加了开口钢管桩的端阻力。当桩长达到一定程度时，土体的密实度已经达到了一定的极限，再增加桩长对土体的固结作用就会逐渐减弱，但阻力值增加不明显。桩径对单桩竖向极限承载力标准值的影响具有双向性。桩径影响桩的截面面积和周长，桩径越大，截面面积和周长越大，从而单桩竖向极限承载力标准值也越大。另外，对开口钢管桩来说，桩侧挤土效应系数 s和桩端闭塞效应系数 p都与桩径有关。根据上海岩土工程勘察规范表 14.5.6，s随着桩径的增大而减小。p与桩端进入持力层的深度和桩外径有关，则开口钢管桩桩端阻力的发挥与桩径有关。2.4 静载荷检测试验结果在工程桩中选定两组桩作为静载荷试验桩，编号 Z1、Z2。该两组试桩试验均采用慢速维持荷载法，试验严格按照桩基检24中国建筑金属结构2023 年测规范有关规范进行，反力采用堆载法，桩顶荷载由油压千斤顶提供并由精密压力表控制加载量，桩顶沉降量由等间距的百分表量测。根据设计要求，试验最大加载量分别大于其单桩承载力设计值。本次试验对 Z1 加载至 5 441kN，Z2 加载至6 225kN，两组静载荷试验均大于设计要求的单桩承载力而结束。试验得到 Z1、Z2 的静载曲线如图 2 3 所示。图 2 Z1 桩 图 3 Z2 桩由图 2 3 可知，两组试验 Q-S 曲线相似，试验桩 Q-S 曲线未出现转折点或陡降点，为平缓曲线。两桩静载荷试验成果如表 3 所示。由表 3 可知：（1）各桩单桩竖向抗压承载力实测值均达到设计要求；（2）两桩在达到预定荷载之后，桩身均未发生破坏，桩身未完全发挥其承载能力。3 结果分析（1）对比表 2、表 3 成果实测数据和规范计算结果，发现规范法计算结果与实测数据存在一定的偏差。同一桩径、同一桩长条件下，Z1 试桩数据小于估算值，试验桩的端阻力和侧阻力仍有发挥空间；Z2 试桩数据大于估算值，相差约 1 152kN，偏低约 18.5%。（2）开口钢管桩的单桩竖向极限承载力受到多种因素的影响，如桩长、桩径、土层性质等。因此，在实际工程中，需表 2 规范法预估单桩竖向极限承载力标准值桩型规格桩长持力层pU（m）pA（m2）sp总侧阻力（kN）总端阻力（kN）单桩竖向极限承载力标准值开口钢管桩700mm45m2-12.20.380.930.343 9827754 757700mm48m2-12.20.380.930.744 5951 6876 282700mm55m2-22.20.380.930.686 0931 8097 902800mm45m2-12.50.500.870.284 2338405 073800mm48m2-12.50.500.870.704 8852 1006 985表 3 桩基静载试验成果表桩号桩径（mm）桩长（m）持力层设计试桩最大加载至（kN）最大沉降量（mm）桩顶最大回弹量（mm）回弹率（%）单桩竖向抗压承载力实测值kQ/kNZ1700482-15 44123.9411.1946.75 441Z2800452-16 22531.2920.4865.56 225要根据具体情况进行合理的设计和施工，以确保桩基础的安全可靠。4 结论在本次研究中，对开口钢管桩的承载力进行了深入的探究和分析。通过理论规范法计算和静载荷试验实测试验，本文总结如下：（1）开口钢管桩承载力与桩长、桩径等因素密切相关。同一桩型，桩侧阻力随着桩长的增加而增加；桩侧阻力随着桩长的增加先增加而后趋于平稳。桩径对单桩竖向极限承载力标准值的影响具有双向性，需选择合适的桩径，以达到经济、合理。（2）开口钢管桩桩身达到预定荷载后，桩身未完全发挥其承载能力。（3）受各种因素影响，规范法计算结果与实测数据存在一定的偏差，则规范公式需根据工程经验作相应的修正，以满足工程需要。本研究存在不足，即试验数量的限制等。希望能够进一步完善和深化本研究的结论，并探索更多开口钢管桩的性能和应用方面的问题。参考文献1 贾媛媛,路军富,赵冉,等.竖向荷载作用下大直径钢管桩承载力特性分析 J.广西大学学报:自然科学版,2012,37(04):744-750.2 魏兴龙,左军成,段爱华.开口钢管桩竖向承载力分析 J.人民长江,2011,42(11):32-34.3 胡利文,贾德庆,傅洁馨,等.开口钢管桩承载力影响因素 J.水运工程,2005(09):17-22.4 张召彬,张开伟,赵海超,等.海工大直径开口钢管桩打桩分析与承载性状研究 J.岩土工程技术,2022,36(04):289-294.5 张忠苗.桩基工程 M.北京:中国建筑工业出版社,2007.6 李学民,伍军,李国亮.开口钢管桩竖向承载力计算探讨 J.路基工程,2005(04):17-20.7 DGJ08-37-2012,岩土工程勘察规范 S.