(21)(26)大直径现浇混凝土薄壁筒桩竖向承载力计算研究

摘要：大直径现浇混凝土薄壁筒桩是一种新型桩，已成功应用于高速公路、铁路、水利堤坝、基坑支护工程及民 用建筑地基处理中，因其经济效益好、施工速度快、质量有保证、无污染等优点取得很好的经济和社会效应。该 桩为端承摩擦桩，如何计算筒桩内、外侧摩阻力是竖向承载力计算中的关键问题，目前这方面的研究很少，各种 方法中对是否考虑土芯作用有较大分歧，对端阻力和侧阻力的折减修正也有很大差异，粗略的计算方法导致实测 值与计算值相差很大，一般情况下计算值均低于实测值。在筒桩荷载传递机制基础上，对其竖向承载力计算进行 探讨，综合利用现有国内外研究成果，对比分析 5 种计算方法，并通过 2 个工程实例的静荷载试验进行比较。结 果表明，ICP 方法简单、实用，与实测值最接近，值得推广应用。 关键词：桩基工程；大直径现浇混凝土薄壁筒桩；外侧摩阻力；内侧摩阻力；竖向承载力 中图分类号：TU 473.1 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增 1–3181–09
白溪港桥南端桥头段(桩号为 K16+678～K16+728) 的薄壁筒桩实测结果表明， 桩长 16， 18 m 的单桩极 限承载力分别比理论值高 10% ～ 20% 和 40% ～ 50%，四桩承台极限承载力比理论值高 20%以上。 温州软土地区筒桩的工程实测结果表明，十几米长 的筒桩实际承载力(大于 2 800 kN)比理论值(大于 1 600 kN)高出 75%，30 多米长的筒桩实际承载力为 5 000 多千牛，高出理论值 67%(理论值大于 3 000 kN)，其他工程的实测结果也相继证明了此现象。 筒桩实际承载力较高是不争的事实 ( 通常要高 出设计值 20%)，现有计算方法与实测结果有很大出 入，如何合理估算筒桩承载力是目前尚未解决的问 题。本文针对这一问题，对筒桩荷载传递机制进行 了探讨，综合利用国内外研究成果，对各种计算方
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引
言百度文库
洋工程科学研究和工程实践的基础上创造发明，已 获得中国国家发明专利权(ZL98113070.4)。该桩用 现浇素混凝土或钢筋混凝土一次成型，因直径较大
大直径现浇混凝土薄壁筒桩(以下简称为筒桩)
收稿日期：2005–09–26；修回日期：2005–11–24 基金项目：浙江省水利厅科研项目(I40301)
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法及是否考虑土芯的作用进行了对比分析和研究， 并用 2 个工程实例进行了验证，旨在找到合理、可 靠的计算方法。
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荷载传递机制
竖向荷载作用下，筒桩相对桩周土体开始向下
移动，外侧摩阻力自上而下逐渐全部发挥作用，然 后桩端反力先作用在环形截面上，待环形截面上的 反力完全发挥后，作用在土芯部分的反力使土芯压 缩，随着荷载增加，压缩量增大，土芯开始向上移 动，试图挤出桩外，于是筒桩内侧摩阻力开始发挥 作用，当内侧摩阻力达到极值时，筒桩达到竖向承 载力极限状态。 竖向荷载作用下筒桩破坏主要有两种模式 ( 见 图1)：一是土芯从下往上大量涌出桩外，见图1(a)； 二是筒桩端部呈闭口桩的破坏模式，见图1(c)，此 时筒桩因整体沉降过大而破坏。这两种模式下承载 力计算方法不同：第一种情况下，筒桩竖向承载力 主要由外侧摩阻力和环形截面上的端阻力组成，内 侧摩阻力贡献很小，可忽略不计；第二种情况下， 土芯闭塞，桩外土体不再进入桩内，桩内土体也不 再向上运动。此时承载力也由外侧摩阻力和端阻力 组成，但端阻力又分为环形截面上的端阻力和土芯 与桩间的内侧摩阻力两部分。两种计算模式的区别 在于：下部相对好土层对土芯底部的向上端阻力是 否应该考虑。若作用在土芯上的端阻力克服土芯重 力和侧摩阻力，推动土芯涌出桩外，则计算时可不 考虑；如果端阻力使土芯压缩，产生闭塞效应，则 在上部荷载作用下，这部分端阻力转化为土芯与桩 间的内侧摩阻力，此时则需要考虑。特别要注意的 是，内侧摩阻力仅发生在土芯端部一定范围内，向 上逐渐递减，不是沿土芯全长发挥。 因此计算筒桩竖向承载力时，首先要判别筒桩 可能发生的破坏模式，然后根据不同模式选择不同 的计算方法。若竖向荷载下土芯大量涌出，则单桩 竖向承载力计算与其他桩型类似，沿桩长计算桩外 侧摩阻力，并计算环形截面上的端阻力即可。如果 筒桩类似于闭口桩破坏，则需要考虑土芯与筒桩的 内侧摩阻力。实际上，第一种破坏模式较少出现， 完全闭塞的第二种模式也不多，常见的破坏模式介 于第一和第二种之间，既有闭塞现象但又不完全闭 塞，土芯端部压缩，并伴随一定的向上位移。
第 25 卷 增 1 2006 年 2 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.25 Supp.1 Feb.，2006
大直径现浇混凝土薄壁筒桩竖向承载力计算研究
周 建
(浙江大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310027)
河海大学岩土工程研究所开发的现浇混凝土薄 壁管桩(简称 PCC 管桩)，与本文研究的大直径现浇 混凝土薄壁筒桩施工工艺不同，名称不同，但其荷 载作用机制一致，其设计计算可作为参考。江苏省 工程建设推荐的技术规程《现浇混凝土薄壁管桩技 术规程》(苏 JG/T017–2004)[2]中规定，单桩竖向承 载力在无单桩荷载试验资料时，初步设计估算为
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建. 大直径现浇混凝土薄壁筒桩竖向承载力计算研究
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图1 Fig.1
竖向荷载作用下筒桩破坏模式示意图
Failure modes of tubular pile under vertical loading
目前我国筒桩的设计计算正处于研究阶段，还 未有相关国家或行业规范。现有的单桩竖向承载力 计算方法不论破坏模式如何， 都不考虑内侧摩阻力， 计算侧阻力和端阻力时选用的折减系数也不同，导 致各种方法计算的承载力有较大差异，与实测值相 差也较大。目前，单桩竖向承载力计算中要解决的 主要问题有：(1) 土芯是否闭塞的判断，计算时如 何考虑；(2) 如何选取外侧摩阻力和环形截面上的 端阻力修正系数；(3) 如何计算土芯部分的径向应 力，内侧摩擦因数如何取值，内侧摩阻力的分布如 何；(4) 如果将内侧摩阻力与环形截面上的端阻力 一起考虑，竖向承载力如何计算，其与闭口桩的端 阻力计算有何不同；(5) 各影响因素，如桩长、桩 径、壁厚、土层分布等对内、外侧摩阻力及端阻力 影响如何；(6) 计算时如何考虑不同闭塞程度对承 载力的影响等等。 下面介绍国内外现有的主要计算方法，各方法 的主要特点及存在的问题，并通过 2 个工程实例及 其与实测结果的比较，找出准确、可靠的方法。
作者简介：周 建(1970–)，女，博士，1991 年毕业于河海大学工程地质与水文地质专业，现任副教授，主要从事土动力学、非饱和土本构模型、地 基处理等方面的教学与研究工作。E-mail：dzhoujian@yahoo.com
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岩石力学与工程学报
2006 年
(最小为 φ 1 000 mm，一般为 φ 1 200～1 500 mm， 并正向更大直径方向发展)，故称之为大直径桩，壁 厚通常为 120～200 mm。它吸收了预应力管桩和振 动沉管桩技术的优点，采用自动排土振动灌注而成。 施工时，先在桩位处预埋桩靴，利用高频振动锤将 内、 外套管压入土层设定深度(压套管时自动排出土 体)，然后向桩管内灌入混凝土(如有钢筋笼，则先 下钢筋笼)，灌满后一边振动，一边拔套管，拔管过 程中向桩管内继续加灌混凝土，直到满足灌注量要 求为止。 筒桩直径大，稳定性好，可充分利用和发挥桩 内土体的作用，形成复合地基，经济效益突出。该 桩属于少量挤土桩，成桩过程中大量土体不是挤出 桩外而是被内套管压入桩内，当桩内土体挤压到一 定程度时，可以从上部泄口中溢出，因此施工时对 周围建筑物影响不大。若用高频振动锤，施工影响 可控制在 1 m 左右，并可在多个桩位打设内外套管 后，同时浇注混凝土，因此施工方便、迅速，必要 时还可增强和扩底，且没有环境污染问题。基于这 些优点，筒桩目前已在高速公路、铁路、水利工程、 基坑围护及民用建筑地基处理中成功应用，取得了 很好的效果。 筒桩为端承摩擦桩，单桩承载力主要由外侧摩 阻力、内侧摩阻力及端阻力三部分组成，目前计算 中按等效面积法计算作用在环形截面上的端阻力， 由于壁厚较薄这部分在总承载力中占较小比例，内 侧摩阻力作为安全储备暂不考虑，外侧摩阻力是竖 向承载力主要组成部分，由此计算得到的理论值均 较实测值低。2000 年杭宁高速公路二期(长兴段)
Abstract：Large-diameter cast-in-situ thin-wall tubular pile is a new kind of pile and has been put to wide use in the treatment of soft soil in expressway，dam，embankment，and excavation due to its advantages of cost-saving， fast construction，high quality and less environmental pollution. Usually，the bearing capacity of pile is caused by end-bearing capacity and the frictional resistance between soil and pile. Hence， how to evaluate the outer and inner friction resistances is the key point. So far little progress has been achieved. Whether soil core should be taken into account and how to rectify the end-bearing capacity and friction resistance are still under consideration. This is the main reason that the results deduced from present methods are far away those from the measurement. Based on the load transfer mechanism，five methods from domestic and overseas researches have been analyzed and compared with two case studies. In all these methods，ICP method turns out to be the best one and can be easily used. Its calculation result coincides with the measurement from static loading test，which demonstrates that this method is worthy to be used in practice. Key words：pile foundation engineering；large-diameter cast-in-situ thin-wall tubular pile；outer frictional resistance；inner frictional resistance；vertical bearing capacity 由国家海洋局第二海洋研究所谢庆道在长期从事海
STUDY ON VERTICAL BEARING CAPACITY OF LARGE-DIAMETER CAST-IN-SITU THIN-WALL TUBULAR PILE
ZHOU Jian
(Institute of Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310027，China)