钢管桩地基承载力计算分析及其工程应用
时间：2023-02-25 22:50:04 来源：千叶帆 本文已影响人
陈芳平 马 康
(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)
公路路基边坡受地形地质条件限制，部分斜坡填方采用路肩墙、路堤墙支挡防护。相对于填方路基边坡，挡墙支挡可节约土地资源，增加斜坡填方的稳定性，在公路工程尤其是山区高速公路中广泛应用。挡土墙承载力要求随着挡墙、填土高度的增加而加大，如何有效地解决挡墙圬工量的经济合理与承载力的安全可靠是工程中需要考虑的问题。工程中一般采用挡墙基底换填、扩大基础，以及桩基处理，以提高地基承载力，采用扩大挡墙基础会增大挡墙圬工量，增加挡墙自身重度，对减小基底压力效果不明显，且对于较陡地形路段，基底基坑开挖过大，产生的临时边坡施工安全风险高。相对而言，钢管桩基础及抗滑桩基础设计既能满足挡墙承载力要求，又能在优化挡墙圬工量的同时增加挡墙的抗滑移、抗倾覆及场区的整体稳定性。
本文拟研究一种综合的钢管桩群桩处理挡墙基础地基承载力计算方法，并从工程实例中验证该方法的可靠性，以为类似工程提供计算分析依据及防护处置措施建议。
1.1 钢管桩单桩极限承载力
当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定钢管桩单桩竖向极限承载力标准值时[1]，可按式(1)计算。
Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp
(1)
图1 隔板分割n取值
1.2 单桩竖向承载力特征值
单桩竖向承载力特征值Ra应按式(2)确定[1]。
(2)
式中：K为安全系数，取K=2。
非液化土中低承台桩基的抗震验算，应符合下列规定。
1)单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值，可均比非抗震设计时提高25%。
2)地面下存在饱和砂土和饱和粉土时，除6度外，应进行液化判别；
存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级，结合具体情况采取相应的措施。
1.3 考虑承台效应的复核基桩竖向承载力特征值
摩擦型桩基，由于桩土相对位移，桩间土对承台产生一定的竖向抗力，根据《建筑桩基技术规范》要求，对上部结构整体刚度较好、体型简单的建(构)筑物的摩擦型桩基，宜考虑承台效应，确定复合基桩的竖向承载力特征值。考虑承台效应的复核基桩竖向承载力特征值可按式(3)、(4)确定。
不考虑地震作用时
R=Ra+ηcfakAc
(3)
考虑地震作用时
(4)
式中：Ac为计算基桩所对应的承台底净面积，Ac=(A-nAps)/n；
ηc为承台效应系数；
fak为承台下1/2承台宽度且不超过5 m深度范围内各土层的地基承载力特征值按厚度加权的平均值；
A为承台计算域面积，对于柱下独立基础，A为承台总面积，对于桩筏基础，A为柱、墙筏板的1/2跨距和悬臂边2.5倍筏板厚度所围成的面积；
桩集中布置于单片墙下的桩筏基础，取墙两边各1/2跨距围成的面积，按条形承台计算ηc；
ζa为地基抗震承载力调整系数，主要考虑地基土在地震有限次循环动力作用下强度有一定的提高，且在地震作用下结构可靠度容许有一定程度的降低，从而考虑地基承载力调整[2]，结合《建筑抗震设计规范》按表1采用。
表1 地基抗震承载力调整系数
一般试验表明，现场静载试验能较准确地得到试验桩的承载力[3]，但试验桩数量较少，且试验工况不可能完全与施工后桩基的工作状态完全一致，故存在一定差异性[4]。目前仍以试验为主，规范推荐的物理力学指标计算综合判定。单桩承载力特征值在考虑承台效应后仍以极限承载力标准值/安全系数计算确定[5-6]。
2.1 设计地质概况
参照施工图纸设计阶段工程地质勘察报告，提取场区地质情况如下。
残坡积层(Qel+dl)碎石土：褐黄、灰色，碎石成份主要为砂岩、泥岩，粒径1～15 cm，含量约60%，其余充填粉质黏土，稍密状，湿。场区大部均有分布，区内总体厚度在0.0～4 m之间，钻探揭露厚度1.2～3.1 m。
强风化泥岩夹砂岩：紫红、黄褐色，薄～中厚层状，层间夹薄层砂岩，砂岩厚2～5 cm，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩质软，岩芯呈砂状、块状，钻探揭露厚度3.3～7.9 m。
中风化泥岩夹砂岩：紫红色，薄～中厚层状，层间夹薄层砂岩，砂岩厚2～5 cm，节理发育，岩体较破碎～较完整，岩质软，岩芯呈砂状、块状、柱状。岩芯照片及钻孔柱状图见图2，典型地质横断面图见图3。
图2 K91+300钻孔BZK5岩芯照片及钻孔柱状图示意
图3 K91+300工程地质横断面图(高程单位：m)
根据场区岩样试验结果统计及《公路桥涵地基与基础设计规范》《建筑桩基技术规范》综合考虑，相关岩土参数取值见表2。
表2 边坡岩土体设计参数
表3 单轴饱和抗压强度试验指标统计表
2.2 设计方案对比
本项目位于7度(0.15g)抗震设防区，该段路基沿山腰布线，属于斜坡填方或半填半挖路基，左侧山脚为山间河流，常年有水，为增加路基整体稳定，减小占地，设计采用路肩墙支挡防护，挡墙高3～12 m，12 m高挡墙地基承载力要求350 kPa。经计算挡墙基底中心的弯矩荷载标准值为445.8 kN·m/m，轴力为1 478.08 kN/m，剪力为266.77 kN/m，基底平均压应力为350.06 kPa，最大压应力为500.10 kPa，轴力的最大偏心率e=0.071 m<[e]=0.25 m。
由于强风化层厚，承载力210 kPa,经计算对比分析，采用碎石垫层换填时，规范要求垫层厚度不宜超过3 m，设计按3 m计算垫层底压力如下。
19×1+20×3=266.2 kPa
结果大于强风化层承载力210 kPa，不满足设计要求。其中3.98 m为挡墙基底宽度，埋深按1 m计，覆盖层重度19 kN/m3，垫层厚3 m，重度为20 kN/m3。设计采用4排直径108 mm钢管桩注浆加固，钢管桩长9 m，正方形布置，桩距1 m，桩顶采用钢筋混凝土承台连接，横断面设计见图4。
图4 12 m高挡墙设计横断面图(单位：高程，m；
尺寸，cm)
结合基础资料参数，按式(1)计算单桩的极限承载力，考虑强风化层钢管桩长5 m，中风化层钢管桩长4 m。
Quk=u∑qsikli+λpqpkAp=375.37 kN
考虑承台效应的复核基桩竖向承载力特征值R=417.85 kPa。结合本项目施工图预算单价，长10 m挡墙基底钢管桩费用约4×9×9×254.5=82 449.6元。其中254.5为每米钢管桩综合单价。
当采用抗滑桩桩基设计时，每10 m设2根圆形抗滑桩，按桩径2 m，承台宽5 m、高1 m设计。结合《公路桥涵地基与基础设计规范》，假设桩入中风化层长为L，嵌岩桩承载力计算如下
Ra=c1Apfrk+u∑c2iLfrki+0.5ζsu∑liqik≥
350.06×3.98×10+1×5×10×25=15 182.4 kN
中风化砂泥岩，较破碎，桩端发挥系数c1取0.5×0.8×0.75=0.3，嵌岩段侧阻力发挥系数c2取0.04×0.8×0.75=0.024，计算分析抗滑桩进入中风化层深度L≥3.8 m，取总桩长为5+4=9 m计。则每10 m桩基费用估算约3.14×12×9×2×1 242.4+1×5×10×595.1=99 975.5元，较钢管桩费用增加约21.3%。
2.3 试验桩载荷试验
本次试验采用与原设计同等参数的钢管桩进行试验，钢管桩采用Q235钢，外径108 mm、厚6 mm，钻孔直径为130 mm常规钻孔。
钢管桩水灰比采用1∶1。水泥为符合国家标准的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。注浆压力初步采用0.3 MPa,注浆材料选用水泥、粉煤灰混合液,粉煤灰采用二级；
水泥粉煤灰质量比为1∶1。注浆处理时采用分层分段注浆，注浆时采用纯压注浆的方式，自下而上进行,速率为8～15 L/min,注浆前必须先用水冲洗或鼓风吹出进入花管中的砂土，然后再注浆。
试验对12 m高挡墙基底钢管桩进行随机抽样试验，试验桩3根，分别编号为P1、P2、P3，进行载荷试验。
根据《建筑基桩检测技术规范》要求，加载时荷载分级逐级等量加载，分级荷载一般取预估极限荷载的1/10，第一级加载量可取分级荷载的2倍；
卸载时分级进行，每级卸载量宜取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的±10%。
本项目结合规范要求，对实验桩单桩竖向抗压承载力绘制竖向荷载-沉降(p-s)曲线、沉降-时间对数(s-lgt)曲线及沉降-荷载对数(s-lgp)曲线。对于陡降型p-s曲线，取发生明显陡降的起始点对应的荷载作为极限荷载，或者根据沉降-时间对数曲线取曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载作为极限荷载；
对于缓变型p-s曲线，取最大加载荷载或者沉降s=40 mm对应的荷载值。经试验检测，各桩的载荷试验成果见表4～表6，图5～图7。
表4 P1桩载荷试验成果(压板面积：0.28 m2)
表5 P2桩载荷试验成果(压板面积：0.28 m2)
表6 P3桩载荷试验成果(压板面积：0.28 m2)
图5 P1桩平板载荷试验成果图
图6 P2桩平板载荷试验成果图
图7 P3桩平板载荷试验成果图
根据表4～6及图5～7，各试验桩未见明显比例界限荷载，3根桩s-lgp曲线均出现明显陡降型破坏，在最后一级荷载下，24 h沉降速率不能达到稳定，采用其前一级荷载作为极限荷载。P1桩、P2桩极限抗压承载力为450 kPa，P3桩极限抗压承载力为400 kPa，均较计算承载力极限值375 kPa高。按试验结果计算复核基桩竖向承载力特征值为433.25～464.5 kPa。
1)钢管桩注浆加固地基可极大地提高地基承载力，采用承台连接后对挡墙的承载力提高效果较明显，较混凝土抗滑桩基础节约一定的工程造价。
2)钢管桩桩端承载力较低，同一地层中桩长越长，桩端承载力占比越小。且桩长越长，桩侧阻力越能发挥作用，从而桩端阻力发挥越小，相关试验研究表明，9 m钢管桩长桩端阻力实际仅为桩侧阻力的2%左右，与计算的7.8%存在一定的差异，按摩擦型桩基考虑有利于工程安全。
3)承载力试验检测表明，钢管桩实际单桩极限承载力较计算值偏大，主要是因为钻孔桩注浆直径较钢管桩计算值0.108 m大，桩端面积大，承载力略有提高，按规范计算偏安全。
4)注浆可提高桩周土性能，也能提高钢管桩的承载力；
注浆压力越大，土体孔隙比越大，注浆效果也越理想，承载力提高效果较明显。
5)钢管桩较短时，桩端阻力对承载力提高效果较明显，工程中可采用扩桩基础、加大钻孔直径及提高注浆强度提高钢管桩极限承载力。
6)钢管桩载荷试验破坏时，p-s曲线呈陡降型，主要为软质岩钢管桩整体破坏，建议对饱和抗压强度较低的地基进行钢管桩处置时，桩端采用焊接钢片处置以提高钢管桩受力性能。
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