开口钢管桩竖向承载力计算探讨

李学民, 等:开口钢管桩竖向承载力计算探讨・17・

开口钢管桩竖向承载力计算探讨

李学民　伍　军　　　　　　　李国亮

(中铁四局集团有限公司　安徽合肥　230023) 　(东南大学土木工程学院)

摘　要　结合工程探讨开口钢管桩在竖向荷载下的承载机理, 推导了考虑闭塞效应的桩端阻力理论公式, 并与建筑桩基规范中的经验公式以及静载试验结果进行比较, 提出相关建议。

关键词　开口钢管桩　竖向承载力　静载试验

在竖向荷载作用下, 1　概述

缩, 的产生, 其传至桩。桩侧阻力在相对位移不

大时便产生, 且一般在相对位移较大时(如10mm 左右) 便可得到充分发挥; 桩端阻力充分发挥所需的相对位移与土质密切相关, 但其发挥常常滞后于桩侧阻力。

与闭口桩的桩侧摩阻力相比, 开口桩在打入过程中, 一部分土体涌入管内形成土芯, 另一部分土体被挤向桩的四周。在桩向四周挤土的过程中, 土与桩的外壁接触更为紧密, 其法向应力更大, 因而桩侧阻力也更大, 这种效应称之为“挤土效应”。由于开口桩中存在土芯, 因而其排土量小于闭口桩, 其挤土效应不如闭口桩。在计算时, 必须考虑挤土效应降低对桩侧阻力的折减。

开口桩的桩端阻力, 近似等于土芯与桩内壁之间的粘聚力和摩阻力。当其大于或等于按闭口桩计算时的桩端阻力时, 认为土芯所起的作用等同于闭口桩, 称之为“完全闭塞”, 反之为“不完全闭塞”。

从以上水对岩土体的作用可以知道, 水对滑坡

+(c 0-Δc )

杭州湾跨海大桥全长36km , 建成后将是世界第一跨海大桥, 其南岸的施工栈桥全长9178km , 。差、冲刷严重载力大、, 故栈桥的基。

打入式开口钢管桩在竖向荷载作用下的承载机理复杂, 其挤土效应不同于闭口桩, 管内土芯的闭塞效应程度也难以确定, 因而桩侧阻力、桩端阻力目前均没有很好的计算办法。如果再考虑在海洋环境中打桩时受水的影响, 情况将更为复杂。为此, 本文从开口钢管桩的承载机理出发, 推导考虑闭塞效应的桩端阻力计算公式。

2　开口钢管桩竖向荷载下的承载机理

土对开口钢管桩的支承作用主要由两部分组成, 即桩的外侧摩擦力以及桩的内侧摩擦力。为了与闭口桩一致, 习惯上常将桩外侧摩擦力称为桩侧阻力, 而桩内侧摩擦力的发挥程度与桩芯土的闭塞效应有关, 与闭口桩一样, 也表现为桩端阻力。τ=ττ　　0-Δ

) σ0tg (φφ) =(1-ξ0-Δ

的影响是很大的, 因此在滑坡整治中, 应倍加重视水的作用。

收稿日期:2005-04-06

很明显, 由于地下水的作用, 岩土的抗剪强度、内摩擦角及内聚力会有明显地降低。

・18・全国中文核心期刊　　　　　　　路基工程　　　　　　　　　　　　2005年第4期(总第121期)

h i +1———第i +1层土的厚度, 按式

3　开口钢管桩考虑闭塞效应的桩端阻力计算公式311　假设

(3)

计算

[6]

:

(1) 土芯与桩内壁之间完全接触;

(2) 土芯在竖直方向可以有分层, 但每层内

h i +1=kD 2L i +1(3)

其中:k ———土芯高度系数, 一般取0186;

L i +1———钢管桩进入第i +1层土的

部为均质的, 即其力学参数处处相等。

312　计算公式

深度;

D ———钢管桩内直径。

在第i +1层土中, 距该层上端x 处取一厚度为d x 的微元体, 其受力如图1所示

。

根据式(2) 、式(3) , 可以由上至下计算出各层土下端的垂直压应力P i , 直至最下层土的P n 。

当P n 大于桩端极限承载力σR 时, 取P R =σR 。钢管桩的桩端阻力Q 等于土芯对桩内壁的总作用力减去土芯自重, 即:

Q =(P n -6γi h i ) A

i =1n

(4)

当Q

0, 但一般不会太大, 可以忽略。

根据平衡关系, 有:

(P +d P ) A =PA +μPU d x +c i +1U d x +i +1νi +1

γi +1A d x

式中:P ———计算深度处的垂直压应力;

U ———钢管内径周长; A ———钢管内径横截面积; c i +1———第i +1层土的粘聚力;

(1)

γi +1———第i +1层土的容重;

μi +1———第i +1层土与钢管内壁的摩擦系数; ν——第i +1层土的侧压力系数。i +1—对式理得:

P i +1=

(

c (1) 积分, 并考虑边界条件, 经整

μν2γr h i +1

++P i ) e r

μi +1ν2i +1

利用理论公式理解半径r 对闭塞效应的影响。图2为钢管内半径与按开口、闭口计算的桩端阻力Q 、

Q ′的关系曲线。在r =0处, Q =∞, 而Q ′=0; 随

着r 的增大, Q 先减小后增加, 而Q ′不断增长, Q 与P L 交于临界点。在临界点左侧Q >Q ′, 土芯完全闭塞; 在临界点右侧Q

4　建筑桩基技术规范计算公式

μi +1νi +1

-

c i +1

μi +1νi +1

γi +1r

μi +1ν2i +1

(2)

式中:P i +1、P i ———第i +1、i 层土下端的垂直压应力, 当大于σR 时, 取σR ;

r ———钢管桩内半径;

σR ———土的极限承载力。

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94, 以下简称

李学民, 等:开口钢管桩竖向承载力计算探讨・19・

) 中第512110条给出了开口钢管桩竖“建筑桩规”

向承载力的计算公式, 其思路是在闭口桩的计算公

式基础上, 引入λs 、λp 分别对桩侧阻力、桩端阻力进行折减, 这种折减是基于试验的校准。

λp σR A P k =λs U 6τi l i +

λp =0116当h b /d s

h b d s

(5) (6) (7)

s

式中:P k ———单桩受压极限承载力标准值;

τ——第i 层土的土层与桩外壁的极限摩阻力; i —

σR ———桩端土的极限承载力;

λs ———挤土效应系数, 按表1选取; λp ———桩端闭塞效应系数, 按式(6) 、式

(7) 取值;

h b ———桩端进入持力层深度; d s ———桩外直径; U ———桩外围周长;

l i ———第i 层土的土层厚度。

表1　挤土效应λs 值表

钢管桩内径/mm600100

10187

110000置, 利用现有工程桩作量测基准点, 如图4。加载之前, 根据建筑桩规中的公式预测极限承载力, 将其等分为10级逐级加载, 、in 测沉降, m , 稳定。所谓011mm 。

　　在《(JT J 254-98) 中, 第41216条规定桩径小于600mm 的开口钢管桩, 当桩端进入良好持力层的深度大于5倍桩径时, 可以按闭口桩进行计算。这一点与建筑桩规是基本一致的。

5　开口钢管桩静载试验511　地质情况

在杭州湾栈桥钢管桩选型设计中, 选取3根桩作为试桩:Ⅰ号试桩为

当出现如下任意一种情况时, 认为达到极限状态, 终止加载。

(1) 本级荷载下的沉降量达到前一级的5倍; (2) 本级荷载下的沉降量达到前一级的5倍, 且24小时内未达到稳定;

(3) 桩顶总沉降量达80mm;

(4) 桩顶总沉降量达80mm , 且继续增两级仍无陡降段。

Ⅰ号桩试验于2003年12月10日顺利完成; Ⅱ号桩试验于2004年1月15日顺利完成; Ⅲ号桩试验于2003年5月7日开始, 因故未能将承载力做到下降段。

中的σR

系根据经验公式按标贯击数确定

表2　试桩所处土层参数值表

试桩号ⅠⅡⅢ

粉质亚砂士σR /kPa

[1**********]0

t /kPa

[7]

。

淤泥质亚粘土σR /kPa

660660660

t /kPa

303040

202025

512　试验方案

采用锚桩作反力支架, 大吨位千斤顶作加载装

・20・全国中文核心期刊　　　　　　　路基工程　　　　　　　　　　　　2005年第4期(总第121期)

513　试验结果及分析

ν等, 准确取值仍较困难, 凭借经验给定的参数值必将造成一定误差。其次, 土芯上部的土体扰动严重, 其力学性能大大降低, 文献[5]建议仅考虑桩底以上10倍桩径的土芯作用; 在有水环境中, 这种降低可能更为明显。另外, 土芯最下端的垂直压应力P n 不可能无限增大, 它必有一个上限, 本

文这个上限为桩端极限承载为σR 。计算公式(4) 可以应用, 但仍需较多的参数测定及试验结果校验。

(2) 开口钢管桩的桩端阻力的发挥与桩径有关, 这一点在公式(4) 和图2中有清楚的反映。

(3) 现行建筑桩规中关于开口钢管桩竖向极

根据试验结果, 绘出三根试桩的P -S 曲线, 如图5所示

。

取P -S 曲线发生陡降的起始点对应的P 为钢管桩的竖向极限承载力标准值。Ⅰ号试桩的标准值为720k N, Ⅱ号试桩为1035kN, 而Ⅲ号桩虽无法判断, 但肯定大于800k N 。

将采用建筑桩规公式计算的桩侧阻力、桩端阻力, 本文公式(4) 计算的桩端阻力, 以及桩的静载试验结果列于表3。

表3　结果比较表

试桩Ⅰ号试桩

Ⅱ号试桩Ⅲ号试桩

桩侧阻力

12281276

/kN

限承载力的公式用于本工程中, 计算结果偏大, 其

原因可能与场地条件(海洋环境) 有关。建筑桩规公式对有水环境中的钢管桩的适用性有待讨论。

(4) , 建议结合各种工(, 提出满。参考文献

[1]赵明华1桥梁桩基计算与检测[M]1北京:人民交通出版

建筑桩规(41413

11941

1035>800

社, 20001

[2]中铁四局集团有限公司1杭州湾跨海大桥南岸超长栈桥安全

　　由表3的数据, 可以发现:(1) 静载试验所

得到的极限承载力小于按建筑桩规计算得到的极限承载力; (2) 按本文公式(4) 的桩端阻力计算结果小于建筑桩规公式结果; 为可惜。

6　建议

论证报告[R ]120041

[3]刘利民, 舒翔, 熊巨华1桩基工程的理论进展与工程实践[M]1北京:中国建材工业出版社, 20021

[4]俞振全1钢管桩的设计与施工[M ]1北京:地震出版

(3) 限于条件, 本次

静载试验未能将桩侧阻力与桩端阻力分开测试, 甚

社, 19931

[5]陆昭球, 高倚山, 宋铭栋1关于开口钢管桩工作性状的几点

认识[J ]1岩土工程学报, 1999, (1) :111～1141

[6]穆保岗, 邱洪兴, 龚维明, 等1开口钢管桩沉桩影响半径的

(1) 根据开口桩土芯平衡微分方程推导的桩

推导[J ]1工业建筑, 2000, (6) :20～221

[7]孔宪立1工程地质学1北京:中国建筑工业出版社, 19971

端阻力计算公式, 其物理概念清晰, 易于理解和应用。但其中有些参数, 如摩擦系数μ、侧压力系数

收稿日期:2005-03-21

征订《路基工程》及合订本启事

11本刊为双月刊, 每期定价10元, 全年60元(含邮资、包装) 。读者可到当地邮局办理订阅, 邮发代号62—156, 也可直接在我刊订阅。

21我刊现已开始征订2006年度《路基工程》。

31为满足读者需要, 本刊备有各个年度的合订本, 每本售价60元(含邮资) , 欢迎订购。邮政汇款:成都市通锦路中铁二局机关铁道部《路基工程》编辑部　邮编:610032

() () 市　　电:[1**********]　　　　路　电:06142963　42063

银行帐号:四川成都建行第四支行[***********]69, 铁道部《路基工程》编辑部。E 2m a il :ljgch@mail1sc 1cninfo 1net

ljgch01@1631com 铁道部《路基工程》编辑部

李学民, 等:开口钢管桩竖向承载力计算探讨・17・

开口钢管桩竖向承载力计算探讨

李学民　伍　军　　　　　　　李国亮

(中铁四局集团有限公司　安徽合肥　230023) 　(东南大学土木工程学院)

摘　要　结合工程探讨开口钢管桩在竖向荷载下的承载机理, 推导了考虑闭塞效应的桩端阻力理论公式, 并与建筑桩基规范中的经验公式以及静载试验结果进行比较, 提出相关建议。

关键词　开口钢管桩　竖向承载力　静载试验

在竖向荷载作用下, 1　概述

缩, 的产生, 其传至桩。桩侧阻力在相对位移不

大时便产生, 且一般在相对位移较大时(如10mm 左右) 便可得到充分发挥; 桩端阻力充分发挥所需的相对位移与土质密切相关, 但其发挥常常滞后于桩侧阻力。

与闭口桩的桩侧摩阻力相比, 开口桩在打入过程中, 一部分土体涌入管内形成土芯, 另一部分土体被挤向桩的四周。在桩向四周挤土的过程中, 土与桩的外壁接触更为紧密, 其法向应力更大, 因而桩侧阻力也更大, 这种效应称之为“挤土效应”。由于开口桩中存在土芯, 因而其排土量小于闭口桩, 其挤土效应不如闭口桩。在计算时, 必须考虑挤土效应降低对桩侧阻力的折减。

开口桩的桩端阻力, 近似等于土芯与桩内壁之间的粘聚力和摩阻力。当其大于或等于按闭口桩计算时的桩端阻力时, 认为土芯所起的作用等同于闭口桩, 称之为“完全闭塞”, 反之为“不完全闭塞”。

从以上水对岩土体的作用可以知道, 水对滑坡

+(c 0-Δc )

杭州湾跨海大桥全长36km , 建成后将是世界第一跨海大桥, 其南岸的施工栈桥全长9178km , 。差、冲刷严重载力大、, 故栈桥的基。

打入式开口钢管桩在竖向荷载作用下的承载机理复杂, 其挤土效应不同于闭口桩, 管内土芯的闭塞效应程度也难以确定, 因而桩侧阻力、桩端阻力目前均没有很好的计算办法。如果再考虑在海洋环境中打桩时受水的影响, 情况将更为复杂。为此, 本文从开口钢管桩的承载机理出发, 推导考虑闭塞效应的桩端阻力计算公式。

2　开口钢管桩竖向荷载下的承载机理

土对开口钢管桩的支承作用主要由两部分组成, 即桩的外侧摩擦力以及桩的内侧摩擦力。为了与闭口桩一致, 习惯上常将桩外侧摩擦力称为桩侧阻力, 而桩内侧摩擦力的发挥程度与桩芯土的闭塞效应有关, 与闭口桩一样, 也表现为桩端阻力。τ=ττ　　0-Δ

) σ0tg (φφ) =(1-ξ0-Δ

的影响是很大的, 因此在滑坡整治中, 应倍加重视水的作用。

收稿日期:2005-04-06

很明显, 由于地下水的作用, 岩土的抗剪强度、内摩擦角及内聚力会有明显地降低。

・18・全国中文核心期刊　　　　　　　路基工程　　　　　　　　　　　　2005年第4期(总第121期)

h i +1———第i +1层土的厚度, 按式

3　开口钢管桩考虑闭塞效应的桩端阻力计算公式311　假设

(3)

计算

[6]

:

(1) 土芯与桩内壁之间完全接触;

(2) 土芯在竖直方向可以有分层, 但每层内

h i +1=kD 2L i +1(3)

其中:k ———土芯高度系数, 一般取0186;

L i +1———钢管桩进入第i +1层土的

部为均质的, 即其力学参数处处相等。

312　计算公式

深度;

D ———钢管桩内直径。

在第i +1层土中, 距该层上端x 处取一厚度为d x 的微元体, 其受力如图1所示

。

根据式(2) 、式(3) , 可以由上至下计算出各层土下端的垂直压应力P i , 直至最下层土的P n 。

当P n 大于桩端极限承载力σR 时, 取P R =σR 。钢管桩的桩端阻力Q 等于土芯对桩内壁的总作用力减去土芯自重, 即:

Q =(P n -6γi h i ) A

i =1n

(4)

当Q

0, 但一般不会太大, 可以忽略。

根据平衡关系, 有:

(P +d P ) A =PA +μPU d x +c i +1U d x +i +1νi +1

γi +1A d x

式中:P ———计算深度处的垂直压应力;

U ———钢管内径周长; A ———钢管内径横截面积; c i +1———第i +1层土的粘聚力;

(1)

γi +1———第i +1层土的容重;

μi +1———第i +1层土与钢管内壁的摩擦系数; ν——第i +1层土的侧压力系数。i +1—对式理得:

P i +1=

(

c (1) 积分, 并考虑边界条件, 经整

μν2γr h i +1

++P i ) e r

μi +1ν2i +1

利用理论公式理解半径r 对闭塞效应的影响。图2为钢管内半径与按开口、闭口计算的桩端阻力Q 、

Q ′的关系曲线。在r =0处, Q =∞, 而Q ′=0; 随

着r 的增大, Q 先减小后增加, 而Q ′不断增长, Q 与P L 交于临界点。在临界点左侧Q >Q ′, 土芯完全闭塞; 在临界点右侧Q

4　建筑桩基技术规范计算公式

μi +1νi +1

-

c i +1

μi +1νi +1

γi +1r

μi +1ν2i +1

(2)

式中:P i +1、P i ———第i +1、i 层土下端的垂直压应力, 当大于σR 时, 取σR ;

r ———钢管桩内半径;

σR ———土的极限承载力。

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94, 以下简称

李学民, 等:开口钢管桩竖向承载力计算探讨・19・

) 中第512110条给出了开口钢管桩竖“建筑桩规”

向承载力的计算公式, 其思路是在闭口桩的计算公

式基础上, 引入λs 、λp 分别对桩侧阻力、桩端阻力进行折减, 这种折减是基于试验的校准。

λp σR A P k =λs U 6τi l i +

λp =0116当h b /d s

h b d s

(5) (6) (7)

s

式中:P k ———单桩受压极限承载力标准值;

τ——第i 层土的土层与桩外壁的极限摩阻力; i —

σR ———桩端土的极限承载力;

λs ———挤土效应系数, 按表1选取; λp ———桩端闭塞效应系数, 按式(6) 、式

(7) 取值;

h b ———桩端进入持力层深度; d s ———桩外直径; U ———桩外围周长;

l i ———第i 层土的土层厚度。

表1　挤土效应λs 值表

钢管桩内径/mm600100

10187

110000置, 利用现有工程桩作量测基准点, 如图4。加载之前, 根据建筑桩规中的公式预测极限承载力, 将其等分为10级逐级加载, 、in 测沉降, m , 稳定。所谓011mm 。

　　在《(JT J 254-98) 中, 第41216条规定桩径小于600mm 的开口钢管桩, 当桩端进入良好持力层的深度大于5倍桩径时, 可以按闭口桩进行计算。这一点与建筑桩规是基本一致的。

5　开口钢管桩静载试验511　地质情况

在杭州湾栈桥钢管桩选型设计中, 选取3根桩作为试桩:Ⅰ号试桩为

当出现如下任意一种情况时, 认为达到极限状态, 终止加载。

(1) 本级荷载下的沉降量达到前一级的5倍; (2) 本级荷载下的沉降量达到前一级的5倍, 且24小时内未达到稳定;

(3) 桩顶总沉降量达80mm;

(4) 桩顶总沉降量达80mm , 且继续增两级仍无陡降段。

Ⅰ号桩试验于2003年12月10日顺利完成; Ⅱ号桩试验于2004年1月15日顺利完成; Ⅲ号桩试验于2003年5月7日开始, 因故未能将承载力做到下降段。

中的σR

系根据经验公式按标贯击数确定

表2　试桩所处土层参数值表

试桩号ⅠⅡⅢ

粉质亚砂士σR /kPa

[1**********]0

t /kPa

[7]

。

淤泥质亚粘土σR /kPa

660660660

t /kPa

303040

202025

512　试验方案

采用锚桩作反力支架, 大吨位千斤顶作加载装

・20・全国中文核心期刊　　　　　　　路基工程　　　　　　　　　　　　2005年第4期(总第121期)

513　试验结果及分析

ν等, 准确取值仍较困难, 凭借经验给定的参数值必将造成一定误差。其次, 土芯上部的土体扰动严重, 其力学性能大大降低, 文献[5]建议仅考虑桩底以上10倍桩径的土芯作用; 在有水环境中, 这种降低可能更为明显。另外, 土芯最下端的垂直压应力P n 不可能无限增大, 它必有一个上限, 本

文这个上限为桩端极限承载为σR 。计算公式(4) 可以应用, 但仍需较多的参数测定及试验结果校验。

(2) 开口钢管桩的桩端阻力的发挥与桩径有关, 这一点在公式(4) 和图2中有清楚的反映。

(3) 现行建筑桩规中关于开口钢管桩竖向极

根据试验结果, 绘出三根试桩的P -S 曲线, 如图5所示

。

取P -S 曲线发生陡降的起始点对应的P 为钢管桩的竖向极限承载力标准值。Ⅰ号试桩的标准值为720k N, Ⅱ号试桩为1035kN, 而Ⅲ号桩虽无法判断, 但肯定大于800k N 。

将采用建筑桩规公式计算的桩侧阻力、桩端阻力, 本文公式(4) 计算的桩端阻力, 以及桩的静载试验结果列于表3。

表3　结果比较表

试桩Ⅰ号试桩

Ⅱ号试桩Ⅲ号试桩

桩侧阻力

12281276

/kN

限承载力的公式用于本工程中, 计算结果偏大, 其

原因可能与场地条件(海洋环境) 有关。建筑桩规公式对有水环境中的钢管桩的适用性有待讨论。

(4) , 建议结合各种工(, 提出满。参考文献

[1]赵明华1桥梁桩基计算与检测[M]1北京:人民交通出版

建筑桩规(41413

11941

1035>800

社, 20001

[2]中铁四局集团有限公司1杭州湾跨海大桥南岸超长栈桥安全

　　由表3的数据, 可以发现:(1) 静载试验所

得到的极限承载力小于按建筑桩规计算得到的极限承载力; (2) 按本文公式(4) 的桩端阻力计算结果小于建筑桩规公式结果; 为可惜。

6　建议

论证报告[R ]120041

[3]刘利民, 舒翔, 熊巨华1桩基工程的理论进展与工程实践[M]1北京:中国建材工业出版社, 20021

[4]俞振全1钢管桩的设计与施工[M ]1北京:地震出版

(3) 限于条件, 本次

静载试验未能将桩侧阻力与桩端阻力分开测试, 甚

社, 19931

[5]陆昭球, 高倚山, 宋铭栋1关于开口钢管桩工作性状的几点

认识[J ]1岩土工程学报, 1999, (1) :111～1141

[6]穆保岗, 邱洪兴, 龚维明, 等1开口钢管桩沉桩影响半径的

(1) 根据开口桩土芯平衡微分方程推导的桩

推导[J ]1工业建筑, 2000, (6) :20～221

[7]孔宪立1工程地质学1北京:中国建筑工业出版社, 19971

端阻力计算公式, 其物理概念清晰, 易于理解和应用。但其中有些参数, 如摩擦系数μ、侧压力系数

收稿日期:2005-03-21

征订《路基工程》及合订本启事

11本刊为双月刊, 每期定价10元, 全年60元(含邮资、包装) 。读者可到当地邮局办理订阅, 邮发代号62—156, 也可直接在我刊订阅。

21我刊现已开始征订2006年度《路基工程》。

31为满足读者需要, 本刊备有各个年度的合订本, 每本售价60元(含邮资) , 欢迎订购。邮政汇款:成都市通锦路中铁二局机关铁道部《路基工程》编辑部　邮编:610032

() () 市　　电:[1**********]　　　　路　电:06142963　42063

银行帐号:四川成都建行第四支行[***********]69, 铁道部《路基工程》编辑部。E 2m a il :ljgch@mail1sc 1cninfo 1net

ljgch01@1631com 铁道部《路基工程》编辑部