开口钢管桩竖向承载力分析

开口钢管桩竖向承载力分析

第４２卷第１１期

２０１１年６月

人　民　长　江

Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ

，Ｎｏ．１１Ｖｏｌ．４２

Ｊｕｎｅ，２０１１

文章编号：１００１－４１７９（２０１１）１１－００３２－０３

开口钢管桩竖向承载力分析

１

１

２

魏兴龙，左军成，段爱华

北武汉４３００００）

（１．河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京２１００９８；　２．中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖

摘要：为了验证用《建筑桩基技术规范》中的公式计算开口钢管桩竖向承载力的合理性，以具体工程为实例，采用规范中的计算公式、ＭＩＤＡＳ数值模型和高应变现场检测的方法，对开口钢管桩的竖向承载力进行了比较分析。结果表明：按规范中的计算公式计算得到的竖向承载力明显大于现场检测值；按数值模型分析得到的竖向承载力小于规范中公式的计算值。

关　键　词：开口钢管桩；竖向承载力；高应变检测中图法分类号：ＴＵ４７３．１　　　文献标志码：Ａ

开口钢管桩具有抗冲击、打入容易、施工简单及施０世纪７０年工速度快等优点，在我国首次应用是在２

１］

代的某化工码头工程的建设中［。随后在诸多高桩

桩性状比闭口桩更复杂，对打桩性状和桩的承载力影响非常大。

土对开口钢管桩的支撑作用主要由两部分组成：习惯上叫桩①桩的外壁与土体之间产生的摩擦作用，

侧阻力；②开口钢管桩内壁与土体之间产生的摩擦作用，习惯上叫桩端阻力，其发挥程度与桩内土塞的闭塞效应有关，当闭塞效应达到一定程度时，相当于闭口桩的桩端阻力。

桩及桩端土体在竖向荷载作用下，土体、桩本身产生不协调变形，从而土与桩之间出现相对位移，产生桩侧阻力。荷载作用效应沿桩身向下传递，随着深度的增加，荷载作用效应也逐渐减小，其传到桩底的时候有桩端阻力承担。桩侧阻力在桩、土之间发生相对较小位移时就产生，且在位移较大时得到充分发挥，而桩端阻力的发挥程度与桩端的土质有关，越致密，发挥的越快，桩端阻力的发挥往往滞后于桩侧阻力的发挥。

开口钢管桩在打入过程中，管内土芯与钢管之间的相对运动并不是单一的形式。打入初期，土体相对疏松，土塞效应不明显，钢管向土层底部方向运动，管桩底端土体由于挤土效应作用，部分挤入管内形成土芯，土芯相对钢管向上运动，同时土芯不断被挤实压

码头工程中得到运用，如湛江港铁矿石码头改扩建工程、曹妃甸原油码头工程、三峡工程杨家湾集装箱码头、洋山港三期工程等。进入新世纪，随着我国钢材产量和质量的提升以及人们对钢管桩的工作性能认识的提高，开口钢管桩不仅在工程中得到广泛应用，在学术界关注度也大大提高。

钢管桩性能优越，虽在工程界得到广泛应用，但对钢管桩的具体性能指标还有待研究，比如钢管桩的竖向承载力计算理论，特别是对开口钢管桩闭塞效应系数的研究，至今没有得到公认的理想结论。开口钢管桩在被打入土层的过程中，大量的土体涌入管内，称管内的土柱为“土塞”或“土芯”。

与闭口桩相比，开口桩在打入过程中，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

［２］效应”。但挤土量相比闭口桩要小许多，挤土效应

没有闭口桩强烈。因此，土塞的作用使得开口桩的沉

收稿日期：２０１０－１２－１２

作者简介：魏兴龙，男，硕士研究生，主要从事港口工程的设计与研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｘｉｎｇｌｏｎｇ６６８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

开口钢管桩竖向承载力分析

　第１１期　　　魏兴龙，等：开口钢管桩竖向承载力分析

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密。随着钢管桩的逐渐深入，管内土芯不断伸长，并且质地越来越致密，钢管内壁与土体之间的摩阻力和黏聚力也逐渐增大，当摩阻力和黏聚力之和近似等于开口桩的桩端阻力时，土芯与钢管一起向下发生位移。此时认为土芯所起的作用等同于闭口桩，称之为“完

［２］

。全闭塞”，反之称为“不完全闭塞”

从而确定单榀排架中单下的桩长采用ｍ法计算得到，

桩桩长，在桩顶与横梁的接触处采用铰接，桩端嵌固点处接触为固结。

ＤＬＴ高应变桩基承载力测试仪检测桩数为７根／１８６＞３％），文中选取其中４根桩的检测（检测比例７数据来分析。

国内外对于钢管桩的大量实验研究，使得国内的工程技术人员对于钢管桩的性能有了进一步的认识。

３］

李乐铭、尚玉华指出［，小直径开口钢管桩（直径小于

３　结果分析

７］

《港口工程桩基规范》规定［，桩径小于６００ｍｍ

６００ｍｍ）由于闭塞效应强，可以看作闭口桩；大直径开口钢管桩的荷载沿内壁只有在桩身下部接近端部的区段才得以充分发挥并达到极限，在土塞的大部分区段内，内壁摩阻力一般仅相当于同深度外壁摩阻力的３０％～５０％；Ｓｍｉｔｈ和ＷｉｌｌｓｏｎＲａｎｄｏｌｐｈ等认为，在打桩

过程中土塞惯性有利于促使土塞沿桩内壁滑移［

４］

，阻碍土塞完全闭塞；Ｂｒｕｃｙ等人指出，土塞高度增长率是土体密度和压缩性的函数［５］

，而且与锤的输入能量、

启动方式及重量有关；Ｎｉｃｏｌａ和Ｒａｎｄｏｌｐｈ的研究表

明

［６］

，在砂土中打桩，土塞长度随砂土的相对密度增加而增大；我国沿海软土地区大量实际工程的开口钢管桩在沉桩过程中，土塞长度与贯入深度和桩径的关系表明：当桩径一定时，土塞长度与贯入深度基本上成线性关系，土塞长度随桩径的增加而增加。现根据工程实例对钢管桩的竖向承载力做进一步分析。

１　工程实例

武汉新港超凡物流码头工程为高桩码头梁板结构型式，采用开口钢管桩基础，钢管桩规格为９００ｍｍ，壁厚１６ｍｍ。场地为新近沉积冲积土，厚度较大，承载力普遍较低，局部夹饱和状粉质黏土层。饱和状粉质黏土层的特点是压缩性高，埋藏深度及厚度变化大，承载力低，属软弱土。当其位于基础下方时，对于浅埋的粉质黏土层宜进行加固处理或采用桩基础穿透该层，因此本工程采用开口钢管桩桩基础。开口钢管桩不同于闭口桩，其挤土效应远远小于闭口桩，管桩内部土芯的闭塞效应形成机理非常复杂，而现行的港口工程桩基规范中没有给出具体的规定。

２　研究方法

为了更好地分析钢管桩的竖向承载力，笔者分别采用建筑桩规钢管桩竖向承载力计算公式计算竖向承载力，

ＭＩＤＡＳ数值模型分析竖向承载力，高应变检测资料分析实际单桩竖向承载力。通过分析，得到开口钢管桩竖向承载力计算时应注意的问题和改进措施。

用ＭＩＤＡＳ／ＣＩＶＩＬ建立数值模型时，钢管桩泥面以

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，可认为桩端土的闭塞效应得到充分发挥，按闭口桩计算。并没有对桩径大于６００ｍｍ的开口钢管桩的计算做出规定。现依据《建筑桩基技术规范》第５．３．７中５．３．７－１式来计算桩径大于６００ｍｍ桩的竖

向承载力［

８］

。数值模型采用ＭＩＤＡＳ有限元软件建立。在超凡物流码头工程钢管桩检测中，选取７根（３％的检测比例）进行检测，规格为９００ｍｍ，壁厚１６ｍｍ。现取用其中４根钢管桩的检测数据来进行分析，检测桩所处的地质情况如图１所示。

表１给出相关土层的参数［９］

。

表１　检测桩所处地质层参数值

ｋＰａ

试桩时采用ＤＬＴ高应变桩基承载力测试仪进行检测，检测结果见表２。

表２　武汉新港超凡码头钢管桩高应变测试结果

测试时最大ｋＮ桩号测试日期／

最大最大

单桩承载力轴向检验值／（年．月．日）锤击贯入度／压应力／拉应力／总侧

能量／ｋＪ（ｍｍ·ｂ－１

）ＭＰａＭＰａ承载力摩阻力端承力Ｇ２１２００９．１２．０３１３１．４５１．０２０１．４７１．８５８６４．０３８７８．３１９８５．７Ｇ１５２００９．１２．０３８３．５６２．３１３８．９３７．２５６４７．７３７０２．０１９４５．７Ｂ２１２００９．１２．２０１０２．７２．０１８４．３４８．４６２５３．０３１１８．１３１３４．９Ｃ２１２００９．１２．２０９６．０

２．０

１６２．４

３９．０６２５６．８２８３８

．４３４１８．４将采用建筑桩规公式计算的桩侧阻力、桩端阻力和采用ＭＩＤＡＳ有限元软件数值模拟得到单桩竖向承载力以及ＤＬＴ仪器检测的桩侧阻力、桩端阻力值列于表３。

由表３可知：①ＤＬＴ检测得到的单桩竖向承载力小于按建筑桩基技术规范计算得到的极限承载力；②采用数值模型分析得到的极限承载力小于通过建筑桩

开口钢管桩竖向承载力分析

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人　民　长　江２０１１年

图１　检测桩所处地质图（单位：ｍ）

　结果比较表３

桩号

建筑桩规

桩侧

阻力

桩端阻力

ｋＮ

合理性还有待进一步论证。

４）开口钢管桩在竖向荷载作用下的承载力与桩（

径有直接关系，另外还与工程地质条件息息相关。这些因素对其承载力的影响将在后续研究中进行。

５）目前，开口钢管桩在工程界的应用越来越广（

泛，特别是在水利工程、高层建筑和桥梁工程中。由于计算方法不成熟，往往带来巨大的资源浪费，建议关注此工程课题。参考文献：

［１］　俞振全．钢管桩的设计与施工［Ｍ］．北京：北京地震出版社，１９９３．［２］　张忠苗．桩基工程［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００７．［３］　李乐铭，尚玉华．大直径钢管桩垂直承载力的试验研究［Ｃ］∥交

ＤＬＴ检测ＭＩＤＡＳ

极限分析极限总侧

端承力

承载力承载力摩阻力承载力

Ｇ１５３５８８．０１２１０２．５４５６９０．５５４９２８．８７５６４７．７３７０２．０１９４５．７Ｇ２１３８１０．２５２３７３．８４６１８４．０９５０２７．１４５８６４．０３８７８．３１９８５．７Ｃ２１３１６４．９４３１６５．１２６３３０．０６５４４７．６８６２５６．８２８３８．４３４１８．４１８．１３１３４．９Ｂ２１３２３０．３４３０８６．００６３１６．３４５５２８．７４６２５３．０３１

基技术规范的理论公式计算得到的极限承载力。

４　结语

（１）建立ＭＩＤＡＳ数值模型时，采用闭口桩型式，通过乘以闭塞效应系数得到开口桩的承载力数值，桩顶与横梁的联接为铰接，采用ｍ法计算得到桩的受弯嵌固点距泥面的深度，嵌固点处桩与土体为固结。为了工程安全起见，模型参数选取相对保守，得到的承载力数值小于实际承载力数值。因此，参数的选择合适与否直接影响到最后结果的合理性，这需要通过众多工程实例的不断积累。

（２）数值模型中桩与土的接触对结果影响较大，以后考虑采用弹簧支撑，单层土假设为均质结构，在各层土与桩之间采用土的弹性模量来建立接触关系，这样能够得到更加准确的模拟结果。

３）将现行的建筑桩基技术规范中关于开口桩竖（

向承载力的理论公式应用到本工程中，计算结果比实际结果偏大，这可能与场地条件有关。建筑桩基规范是基于陆地环境背景，而本工程系水利工程项目，场地条件比较特殊，因此基于建筑桩规应用于水利工程的

通部第三航务工程局科研所科技成果论文集．上海：上海同济大１９９０．学出版社，

［４］　ＳｍｉｔｈＴｏ，ＷｉｌｌｓｏｎＲａｎｄｏｌｐｈ．ＰｌｕｇｇｉｎｇｏｆＰｉｐｅＰｉｌｅｓ，ＲｅｃｅｎｔＤｅｖｅｌｏｐ

［Ｃ］ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｍｅｎｔｓｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＳｏｆｔＧｒｏｕｎｄ∥ＰｏｆｔｈｅＳｅｃｏｎｄＣｈｉｎａ－ＪａｐａｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００５．［５］　ＣｈｏｗＦＣ，ＪａｒｄｉｎｅＲＪ，ＢｒｕｃｙＦ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＴｉｍｅｏｎＣａｐａｃｉｔｙｏｆ

ＰｉｐｅＰｉｌｅｓｉｎＤｅｎｓｅＭａｒｉｎｅＳａｎｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，１２４（３）．

［６］　Ａ．ＤｅＮｉｃｏｌａ，Ｍ．Ｆ．Ｒａｎｄｏｌｐｈ．Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｐｉｐｅｐｉｌｅｓｉｎ

［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９９９，４９（３）．ｓａｎｄｕｎｄｅｒａｘｉａｌｌｏａｄｓ

［７］　ＪＴＪ２５４－９８港口工程桩基规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，

１９８９．

［８］　ＪＧＪ９４－２００８建筑桩基技术规范［Ｓ］．北京：建筑工业出版社，

２００８．

［９］　中南勘查基础工程公司．岩土工程地质勘查报告（武汉超凡物流

码头工程）［Ｒ］．武汉：中南勘查基础工程公司，２００９．

（编辑：徐诗银）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1mtq.html