桩基承载力计算方法的中英规范对比分析与应用

张瑞棋，诸葛爱军，黎双邵

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；3.港口岩土工程技术交通行业重点试验室，天津 300222；4.天津市港口岩土工程技术重点试验室，天津 300222）

引 言

码头桩基础多采用灌注桩，桩基承载力主要取决于桩长、桩径、土性、成桩工艺。我国工程师对于采用欧美标准在本地区确定钻孔灌注桩承载力缺乏工程经验。

单桩承载力的确定是桩基设计中的首要问题，其承载力的确定方法有多种，国内常用的方法包括竖向静载试验、静力触探法、经验参数等方法，国外常用的方法包括竖向静载试验、标准贯入试验估算法等。中国规范对黏土单位面积桩侧阻力和桩端阻力标准值主要依据液限，查表所得，对砂土中单位面积桩侧阻力和桩阻力标准值主要依据标贯查表所得，是一种经验参数估算方法。而英标承载力计算方法对黏土主要依据不排水抗剪强度，对砂类土主要依据也是标贯值，另外英标还考虑了上覆土应力、桩土摩擦角等参数，是一种半经验-半计算方法[1]。国内经验参数法对钻孔灌注桩单位面积桩端阻力标准值参数选取比较保守，往往会导致设计桩长增加或桩径变大，缺乏市场竞争力。本文通过把现场试桩结果与中国经验参数、英国地基施工规程标准贯入试验估算结果进行比较分析，发现英国标准估算钻孔灌注桩单桩承载力更接近现场试桩结果，有助于本地区及国内相同地质条件借鉴。

1 工程地质条件

海外项目常采用英标或美标，安哥拉卡宾达卡约港项目是在原始海岸线上新建一个离岸式码头，一期工程泊位长度700 m，包括1个8万t集装箱泊位和 1个 6万t干散货泊位，结构预留停靠 14万t集装箱船的能力。

现场地质勘察按照英国标准，采用标准贯入试验[2]和室内试验[3]相结合的方式进行。勘察结果表明，钻探揭露深度内土层分布较规律，根据现场勘探和原位测试成果，综合地层的物理特征，对勘探深度内的土体自上而下划分为：①中砂、②1中砂、②2细砂、③1中砂、③2细砂、③3中砂。

对勘察深度范围内的岩土层分布特征进行描述如下：

①中砂：灰色、灰褐色，很松～中密状，局部混少量有机质，局部夹圆砾，级配不良，土质不均，该层分布连续，平均标贯击数N=6.8击。

②1中砂：灰褐色、灰白色，中密～极密实状，混少量粘土，局部夹圆砾，级配不良，土质不均，该层分布连续，平均标贯击数N=30.4击。

②2细砂：灰褐色、灰白色，中密～极密实状，混少量粘土，级配不良，土质不均，该层分布不连续，在BS1孔缺失，平均标贯击数N=15.6击。

③1中砂：黄褐色，灰黄色，密实～极密实状，混少量粘土，局部夹角砾，级配不良，土质不均。该层分布连续，在所有钻孔揭露，平均标贯击数N=49.1击。

③2细砂：灰色，极密实状，级配不良，土质不均。该层仅在BS4孔揭露，平均标贯击数N＞50击。

③3中砂：灰色，极密实状，级配不良，土质不均。该层仅在BS4孔揭露，平均标贯击数N＞50击。

2 现场竖向抗压静载荷试验

本工程引桥桩基础设计为钻孔灌注桩，桩径为1.1 m，桩长34.0 m，工作荷载为6 720 kN。试验桩护筒直径1.3 m，护筒长度9.0 m。

根据美国深基础的轴向抗压载荷标准试验方法[4]，静载试验分为2个加载循环。第1加载循环加载至工作荷载，第2加载循环加载至2倍的工作荷载。试验采用自动试验系统，自动试验系统可实现荷载的自动加载及持荷，加载油压，加载荷载以及桩顶沉降均由该系统自动控制级测量。试验系统采用堆载法进行，反力装置采用压重平台，加压系统采用4台500 t千斤顶。

根据地质情况以及桩身结构，试验桩沿桩身布置11个轴力测试断面，每个断面按圆周均匀布设3个应变传感器，应变传感器焊接于主筋上，对应变传感器引线主筋侧面布置最后从桩侧引出。

根据桩顶位移和竖向荷载绘制Q～S曲线和S～lgt曲线见图1和图2。由每级试验荷载下桩身不同截面处的轴力值绘制轴力分布见图3。

土对桩的承载力由桩侧摩阻力和桩端阻力组成，极限承载力即由桩侧摩阻力极限值和桩端阻力极限值之和。对于钻孔灌注桩侧摩阻力和端阻力的发挥程度与桩间土的性状、长径比、施工工艺有关，当泥皮过厚时，桩侧摩阻力发挥比较小；当桩底沉渣过厚，桩端阻力发挥比较小。

图1 试验桩Q～S曲线

图2 试验桩S～lgt曲线

图3 不同荷载下桩身轴力

从图2和图3中看到，桩顶荷载14 657 kN时Q～S曲线已明显陡降，S～lgt曲线尾部向下弯曲，桩顶总沉降量110.05 mm，最大回弹量为13.74 mm，回弹率为12.48 %。综合判断单桩轴向抗压极限承载力为13 679 kN。

根据不同荷载桩身轴力分析，在高程-5.0 m位置处，因护筒直径比下部桩身直径大，桩身呈钉形状，扩径处产生端阻力，计算桩端阻力时应考虑。综合考虑，桩侧总阻力为10 917 kN，桩端阻力为2 762 kN，桩侧阻力占总承载力的79.8 %，桩端阻力占总承载力的20.2 %。

3 理论计算

3.1 根据国内标准计算

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）[5]估算钻孔灌注桩极限承载力如下式：

式中：

Quk为单桩极限承载力（kN）；

qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值（kPa）；

qpk为桩径为 800 mm 的极限端阻力标准值（kPa）；

li为第i层土厚度（m）；

u为桩周长（m）。

根据BS4孔勘察资料，按照式（1）进行计算各层土侧摩阻力和端阻力见表1。

3.2 根据英国标准计算

依据英国《Code of practice for foundations》（BS 8004:2015）[6]第6.4.1.3.3条标准贯入击数估算钻孔灌注桩极限承载力如下式：

式中：

Rt为单桩极限承载力（kN）；

Rs为桩侧总摩阻力（kN）；

Rb为桩端阻力（kN）；

hj为土层厚度（m）；

uj为桩周长（m）；

Ab为桩底截面积（m2）。

式中：

Ps,j为第j层土桩侧摩阻力（kPa）；

ns,j为经验系数，取决于土性和桩型，查表12；

Pref为计算常数，取100 kPa；

Nj为未经修正标准贯入击数。

式中：

Pb,0.1为桩顶位移为桩径 10 %时，桩端阻力（kPa）；

nb,0.1为经验系数，取决于土性和桩型，查表12；

Pref为计算常数，取100 kPa；

Nb为未经修正标准贯入击数。

根据BS4孔勘察资料，按照式（2）～式（6）进行计算各层土侧摩阻力和端阻力见表2。

表1 各层土侧摩阻力和端阻力计算值

表2 各层土侧摩阻力和端阻力计算值

按照式(1)计算试桩极限承载力为11 650.91 kN，其中桩侧摩阻力为 9 261.73 kN，桩端阻力为2 389.18 kN，桩侧阻力占总承载力的79.5 %，桩端阻力占总承载力的20.5 %。按照式(2)～式(6)计算试桩极限承载力为 1 252.51 kN，其中桩侧摩阻力为8 843.46 kN，桩端阻力为3 670.06 kN，桩侧阻力占总承载力的70.6 %，桩端阻力占总承载力的29.4 %。

3.3 比较分析

1）比较建筑桩基规范（JGJ 94-2008）参数法和现场试桩结果，桩极限承载力比现场试桩小14.8 %，其中桩侧阻力值比现场试桩小1 655.27 kN，桩端阻力比现场试桩值小 372.82 kN。建筑桩基技术规范查表得到的单位面积侧摩阻力和单位面积端阻力是基于国内的施工工艺和现场试验得出的，表格取值比较保守。

2）比较英国Code of practice for foundations估算法和现场试桩结果，桩极限承载力比现场试桩小8.5 %，其中桩侧阻力值比现场试桩小2 073 kN，桩端阻力比现场试桩大 917.06 kN，桩侧阻力和桩端阻力分别占总承载力的百分比与现场试桩更接近。现场试桩桩端阻力比英国标准贯入试验估算法小，主要与成桩过程中桩底沉渣厚度有关。

3）将两种计算结果与现场试桩比较，英国地基施工规程标准贯入试验估算更接近试桩结果。

4）比较建筑桩基规范参数法和英国地基施工规程标准贯入试验估算法，当地基土为砂土时，对建筑桩基技术规范桩基极限承载力公式进行修正为Quk=u∑qsikli+λqpk Ap，λ根据砂土分类取值范围为1.0～2.0。

4 结 论

1）采用英国地基施工规程标准贯入击数估算钻孔灌注桩桩极限承载力比现场试桩小8.5 %，英国标贯击数计算法更接近现场试桩结果。

2）将两种估算结果与现场试桩进行比较将建筑桩基技术规范桩基极限承载力公式进行修正为Quk=u∑qsikli+λqpk Ap，λ根据砂土分类取值范围为1.0～2.0。

3）钻孔灌注桩设计阶段，一般很难获得桩的极限承载力真实值，但可以根据标准贯入试验，利用规范公式分析和估算其承载力是可行的。