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摘要：本文基于广东省湛江市特有的灰色结构性黏土，开展了多组模型钢管桩试验，根据试验结果，对单桩极限承载力计算公式的取值进行合理分析，研究特定土质下的土塞效应对单桩竖向极限承载力的影响，通过对计算公式中的侧阻力以及端阻力进行修正，得到极限承载力的计算公式。
关键词：土塞效应；结构性黏土；极限承载力；开口桩；模型试验
引言
本文在基于我国广东省湛江市东海岛特有的灰色强结构性黏土的特殊物理指标和相关公式中的承载力参数计算管桩承载力的修正公式，试验采取管桩模型试验，通过试验后得到的修正的公式与实际试验结果较为接近。
1 试验概况
位于我国广东省湛江市东海岛的宝钢湛江项目的建设中，运用了大量的钢管桩作为基础设计的一部分。但在厂区内分布在大量的灰色结构性黏土，当其受到破坏后，强度降低较大，强度恢复程度与触变性相关，过程较为复杂。为提高模型试验的准确性，本次实验选址于项目厂区内，除去表层的素填土后，可见纯净的灰色结构性黏土。
2 试验方法及数据采集装置
本次试验的荷载施加是通过一个量程10t的液压千斤顶施加，采用慢速荷载维持法。荷载的大小由BZ2216型数字测力仪和BHR-4型重力传感器共同控制。荷载按预计的最大荷载分级施加，每施加一级荷载观察桩的沉降，待沉降稳定后在施加下一荷载。桩的竖向极限承载力通过百分表和数字测力仪的读数确定。桩顶沉降则由布置在桩平台上的量程为25mm的电子百分表得出，布置方法是将两个百分表对称的布置在桩两侧，沉降的结果取两个百分表读数的平均值，这样可以较为精确地得到桩的沉降情况。
3 试验结果分析
3.1 试验桩极限承载力
通过静荷载试验测出6根试验桩的竖向极限承载力，在极限荷载出现之前试验桩在各级荷载下的沉降都稳定，然后沉降均出现一个陡降，说明Q-S曲线为陡降型，取陡降前的荷载为单桩竖向极限荷载。
3.2 承载力计算
根据《建筑桩基技术规范》第5.3.5条规定的单桩竖向极限承载力计算公式计算试验桩，计算公式如下：
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（1）
式中：qsik—第i层极限侧阻力标准值，kN；Ap—桩底面积，m2；l—桩身长度，m；u—桩底周长，m；qpk—极限端阻力标准值
其中当qsik和qpk无经验值时可按照规范中给出的参考数据合理取值。根据湛江组结构性黏土中的物理参数将各试验桩的参数代入公式（1）中计算，得出各桩的单桩竖向承载力计算。按公式（1）计算的试验桩承载力结果明显低于实测值，计算值低于实测值35%—50%。式（1）中Ap为桩端扣除开口后的面积。故式（1）计算得到的单桩承载力较实测值相差达到40%，而实测承载力富余较多，给实际工程造成很多浪费。因此，针对开口桩的特性，考虑土塞效应，桩端部分面积由土塞和桩端共同组成，用来补偿土塞对承载力的加强。在式（1）的基础上，建立桩端面积修正的单桩竖向极限承载力公式，公式为：
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（2）
式（2）中各参数同式（1），取桩端全面积，故将试验桩各参数代入式（2）中计算，得到单桩竖向极限承载力值。根据公式（2）计算出来的承载力依然较实测值偏小，也使得单桩的承载力依然没有充分利用。
根据《建筑桩基技术规范》5.3.7条规定的计算钢管单桩竖向极限承载力标准值时，可按以下公式计算
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（3）
式中λp开口桩土塞效应系数计算公式中的各项参数可按规范中规定的数值选取，钢管桩的qsik和qpk，若无当地实测值时可以按照混凝土预制桩的取值。按规范中规定的hb/d≥5，桩端土塞效应系数λp取0.8。将各试验桩的参数代入公式（3）中计算，计算得到各单桩竖向承载力。计算结果也都低于试桩的实测值，多数桩低于实测值的25%—38%。公式三虽然考虑了桩端土塞效应系数来计算单桩竖向承载力就，但与实测值依然存在较大的差距。
考虑开口桩内壁摩阻力的前提下单桩竖向承载力的修正公式，公式为：
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（4）
式子中：u1和u2—外壁和内壁的周长；
a：土塞效应修正系数，粘性土、粉土和砂土分别取0.15、0.3和0.4；
b：极限端阻力标准值修正系数，取值为1。
根据公式（4）在实际工程中的应用可以得到在考虑了开口桩的内壁摩阻力下测得的极限侧摩阻力qsik是不考虑内壁摩阻力的单桩竖向极限承载力的1.1—1.2倍左右，本实验取1.15倍。根据公式（6）中算出的单桩竖向承载力已经比较接近实测值了，但还是有10%左右的差距，虽然在模型桩中的差距很微小，但从其他现场的工程实例中可以看出10%左右的差距所产生的荷载高达几百kN，与实测单桩的荷载差还是比较大的。
综上所述，根据以上公式算得的理论承载力值均小于现场通过静荷载实验法所得道德实测值，式（2）和式（4）与实测值结果是比较接近的。当考虑了土塞效应对内壁摩阻力的影响时，公式（4）计算所得到的单桩竖向承载力与实测值结果最为接近。所有当计算开口管桩的竖向极限承载力时，土塞作用对开口管桩的承载力的增强应该充分考虑在对单桩竖向承载力的计算中。
4 考虑土塞效应的单桩承载力分析
开口桩打入土层中，土体会涌入桩内，形成土塞，土塞效应是开口管桩在承载性状及作用机理中区别于闭口桩的最显著特点。进入桩内的土塞在桩持续贯入的过程中，一部分土体被挤向桩周，土塞收到桩内壁摩阻力产生压缩，桩持续贯入，土塞高度也会继续增加。土塞的高度及其闭塞程度强弱与土体性质、管径、壁厚以及桩进入持力层的深度等因素有关。研究开口管桩的承载性状就必须考虑土塞作用对打桩性状和承载力的影响。
影响开口管桩的承载力有内壁摩阻力和桩端阻力，在计算桩端的极限端阻力时，有多种理论方法，主要包括球孔扩张理论、圆柱孔扩张理论、刚塑性理论以及Genoble理论等。根据孔洞扩张理论提出桩的极限端阻力可按下式计算：
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（5）
式中：qpu—桩端极限端阻力；c—土的内聚力；
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—平面侧边的平均竖向压力；
Nc、Nq—反映土的内聚力和桩底平面以上边载（竖向压力λh）影响的条形基础无量纲承载力系数。
其中：
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（6）
式中：K0—土的静压力系数。
考虑到土塞的闭塞效应，进入到管桩内的土塞也对桩底平面产生一个附加边载，假定管桩内外静止侧压力系数以及土层重力、密度近似相同，于是有：
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（7）
式中：h0—土塞初始高度； L：—桩长。
公式（7）反映了土塞闭塞效应对桩端承载力的增强效果。式（1）和式（2）的计算结果则反映了开口管桩按全面积计算承载力时要比扣除土塞面积时计算承载力高出2倍左右。
计算单桩竖向极限承载力时，不仅仅要考虑土的物理指标与承载力参数，还要将土塞效应考虑在内，尤其是考虑土塞作用对端承力和内壁摩阻力。公式（7）中考虑了桩端极限端阻力的影响，将端阻力效应系数记为1+h0/L，于是在考虑桩端极限端阻力的效应系数的前提下，建立如下修正公式：
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（8）
在基于湛江组结构性黏土时计算开口管桩的竖向极限承载力时，考虑开口管桩的内壁侧摩阻力和打桩过程中土塞的变化对端承载力的影响将更符合开口管桩的承载性能。
结论
本文基于广东湛江组结构性黏土所研究的计算公式，探讨公式的适用性以及在武汉地区软土桩基承载力的适用性，武汉地区作为华中城市，基础设施建设规模较大，而桩基应用也较为规范，在老一辈工作人员，武汉地区黏土被称为“老八吨”，这一类土壤一般不直接作为地基，需打桩穿过不利地层，到持力层，武汉地区黏土在桩内形成的土赛效应与湛江地区黏土的作用效果是否一致，可以值得探讨和研究。
参考文献：
[3]张丽.浅谈第四系湛江组粘土层工程特点[J].，，2010，（1）.24-25.