大直徑樁承載力確定方法綜述

張　彬

[摘要]對大直徑樁承載力的確定方法和各自的優(yōu)缺點進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。這對巖土工程師們了解和改進(jìn)大直徑樁承載力的確定方法有一定的幫助。

[關(guān)鍵詞]大直徑樁 承載力 綜述

中圖分類號:TU19文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810093-02

一、引言

由于高層建筑的迅速發(fā)展、施工技術(shù)的進(jìn)步,以及修建跨越長江、黃河、海灣、海峽等特大型橋梁[1],工程建設(shè)

中采用一柱(墩)一樁的單樁結(jié)構(gòu)的情況日趨增多。大直徑樁的采用可以顯著提高單樁的承載力,高層建筑、大跨度建筑、大型橋梁的發(fā)展都要求提高基礎(chǔ)的承載力,為大直徑樁的應(yīng)用與研究提供了契機(jī)[2]。因此,大直徑樁承載力的確定就成為大直徑樁基設(shè)計的核心問題。

大直徑樁一般設(shè)置在較好的持力層上,單樁承載力較高,可通過擴(kuò)大直徑來調(diào)整承載力以適應(yīng)承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載的要求;由于大直徑樁單項工程試樁數(shù)量較少,積累的單樁承載力試樁資料較少,而對于僅有的少量試樁又受到試驗設(shè)備和經(jīng)費的限制,較難取得完整的實測荷載-沉降曲線,給試驗結(jié)果的分析造成了較大的困難。目前對大直徑樁的承載力尚未取得統(tǒng)一的取值方法,進(jìn)一步探討大直徑樁的受力性能,提出合理的承載力計算模式及相應(yīng)的計算參數(shù)是目前急需解決的問題。

目前,大直徑樁單樁承載力的確定方法大致可分為直接法和間接法兩類。直接法是對樁進(jìn)行現(xiàn)場試驗,包括現(xiàn)場靜載荷試驗,動力測樁法等;間接法是通過其他手段獲得單樁的端阻力和側(cè)阻力,并由此確定單樁承載力。

本文就大直徑單樁承載力的確定方法進(jìn)行了綜合評述。

二、大直徑樁承載力確定方法

(一)靜載荷試驗法

靜載荷試驗是確定單樁承載力的基本方法,是最直接最可靠的檢測方法。大直徑樁的Q-S曲線關(guān)系一般呈緩變型。大直徑鉆孔灌注樁的極限承載力取值應(yīng)由變形控制來確定,可取樁頂沉降S=40～60mm所對應(yīng)的荷載值或者(0.03～0.06)D(D為樁端直徑,大樁徑取低值,小樁徑取高值)所對應(yīng)的荷載[3]。對于沉降不敏感的結(jié)構(gòu)物樁基礎(chǔ),一般可取s=0.01D對應(yīng)的荷載為承載力允許值或設(shè)計值[4]。對于沉降敏感的結(jié)構(gòu)物單樁基礎(chǔ),宜按等變形的準(zhǔn)則確定不同直徑樁的承載力設(shè)計值。許多國家的地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范和工程實踐都將該方法置于優(yōu)先的位置,并作為與其他方法的比較依據(jù)。

該方法的缺點是成本高、工程量大、時間長等。傳統(tǒng)的單樁載荷試驗方法有兩種,一是堆載法,二是錨樁法。前者必須解決幾百噸甚至數(shù)千噸的荷載堆放及運輸問題,后者必須設(shè)置很多根錨樁及反力大梁。對于大直徑樁來講,由于其承載力非常大,工作難度更大,費用也非常大。近年靜載試樁的載荷量達(dá)到21060kN[5],甚至超過100000kN[6]。

靜力測樁法是一種仍在不斷發(fā)展的可靠方法,今后的發(fā)展方向應(yīng)該是逐漸克服其成本高、工期長、占用施工場地、試樁載荷小等缺點。

(二)動力測樁法

較早的動力測樁法是A.Hiley(1930)的打樁公式法。該法通過建立錘擊(動荷載)與樁貫入度的關(guān)系式來確定樁的承載能力。D.V.Isaace(1932)提出一種解應(yīng)力波波動方程的動力測樁法,后來E.A.Smith做進(jìn)一步的研究,并將這種方法付諸應(yīng)用[7]?，F(xiàn)行的動力測樁技術(shù)是以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。該方法一般是在樁頂作用一動荷載,使樁產(chǎn)生顯著的加速度和土的阻尼效應(yīng),通過量測樁-土系統(tǒng)的振動響應(yīng),用波動理論研究應(yīng)力波沿樁土系統(tǒng)的傳遞和反射,從而判斷樁身阻抗變化和確定單樁承載力。動測法可分為高應(yīng)變動測法和低應(yīng)變動測法兩類。

1.高應(yīng)變動測法

高應(yīng)變動力測樁法是以較大的沖擊荷載(沖擊錘重一般不小于預(yù)估樁極限承載力的1%)作用于樁頂,使樁、土系統(tǒng)產(chǎn)生瞬時的高應(yīng)變狀態(tài),且使樁有明顯的貫入度(一般要求貫入深度不小于2.5mm)的一種動力測樁法。依據(jù)沖擊方式和觀測參數(shù)的不同可分為:錘貫法、打樁公式法、波動方程分析法(Smith)、CASE法、實測軸向力或振動速度曲線的擬合法(CAPWAP法和TNOWAVE法)、靜-動荷載法(Statnamic法)、準(zhǔn)靜力法(Pseudo-static pile load tester 法)等等[7]。

以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的高應(yīng)變法,特別是采用實測波形的擬合法,目前被認(rèn)為是最有效的動測法。但是分析計算中不少樁土參數(shù)仍靠經(jīng)驗決定。能否將參數(shù)的選值與土工常規(guī)試驗參數(shù)聯(lián)系起來,并改進(jìn)樁端周圍土體受力后性狀的模擬是進(jìn)一步提高高應(yīng)變法精度的關(guān)鍵。

對于大直徑樁,由于承載力高,很難實現(xiàn)真正意義上的高應(yīng)變。筆者認(rèn)為,高應(yīng)變法比較適合于有靜載荷試驗結(jié)果作參考的一般工程樁的質(zhì)量檢驗,而要想真正作為確定單樁承載力的方法還有待于發(fā)展。

2.低應(yīng)變動測法

低應(yīng)變動力測樁法是針對靜載荷試驗法的不足而提出和發(fā)展起來的一種方法。該方法是對樁頂施以能量較小的軸向動力,激發(fā)樁的振動,并通過觀測和研究樁的振動響應(yīng)來確定樁的完整性和承載能力。低應(yīng)變動力測樁法大約于20世紀(jì)60年代末開始研究并在法國首先用于實際,此后在許多國家先后都開展了一些研究和應(yīng)用。按低應(yīng)變動測樁法中的激振方式及觀測響應(yīng)的不同,可以分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。低應(yīng)變動測法作為樁身完整性的檢測方法具有簡便快捷和無損檢測的優(yōu)越性[7]。

但是,低應(yīng)變動力測樁法的研究,尤其是理論方面的研究程度不夠,以至于對樁身質(zhì)量,特別是對樁的承載能力的確定還不能達(dá)到令人滿意的程度。低應(yīng)變法能否用來確定單樁承載力是有爭論的。有些學(xué)者認(rèn)為,使土產(chǎn)生足夠大的塑性變形是直接測定樁承載力的必要條件,低應(yīng)變法無法激發(fā)樁周土的阻力并加以實測,實測的僅是樁土系統(tǒng)的某些動力參數(shù),所提供的樁承載力絕非實測的承載力。因此,工程界對于低應(yīng)變法持否定態(tài)度的占主導(dǎo)地位。

動測法確定樁的承載力是一種快速的方法,但可靠性有待研究,尤其是大直徑樁,用該方法確定承載力應(yīng)謹(jǐn)慎。

(三)自平衡測試法

自平衡測試法是確定單樁承載力的一種有效方法,尤其對于大直徑樁效果更明顯。美國Osterberg教授于20世紀(jì)80年代中期首先開展了樁承載力自平衡法的研究[8]。目前該方法在美國被廣泛應(yīng)用,近年在加拿大、英國、日本及香港也逐漸推廣,試樁承載力已經(jīng)達(dá)到了133000kN[5]。龔維明等自1996年起對該法的關(guān)鍵設(shè)備荷載箱和位移量測、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究開發(fā),取得了顯著的成果[9]。該方法的原理是在樁的中下部埋設(shè)一個荷載箱,沿垂直方向通過油壓管加壓,隨著壓力增大,荷載箱將自動脫離,從而調(diào)動樁側(cè)阻力及樁端阻力的發(fā)揮,直到破壞。通過測得的兩條向上、向下的Q-S曲線就可比較準(zhǔn)確地得出樁的抗拔承載力及樁下段的抗壓承載力,再經(jīng)過換算,可得到單樁的抗壓承載力[10] [11]。

黃鋒等對Osterberg測樁法也作了研究,并提出了改進(jìn)的辦法,得出Osterberg法中存在的樁周土變形不連續(xù)對樁承載力的發(fā)揮影響很有限,而且Osterberg試驗得到的樁的總承載力(摩阻力和端承力之和)和傳統(tǒng)壓樁試驗的結(jié)果相當(dāng)接近,該方法有發(fā)展前景。

對于純摩擦樁和端承樁,該方法的應(yīng)用受到一定限制。因為當(dāng)樁身阻力或樁端阻力其中一方率先達(dá)到破壞后,除非依靠輔助措施和預(yù)處理等手段,否則很難繼續(xù)測試;另外該方法有一個難點就是平衡點的確定,有待進(jìn)一步研究。

該方法構(gòu)思巧妙,裝置簡單,可節(jié)省人力、財力,場地占用少,對場地的適應(yīng)性好,因此特別適用于堆載試驗比較困難的地方,適用于承載力高的大直徑樁,具有很大的發(fā)展前途。

(四)原位測試法

用原位測試法確定單樁承載力,在國外已經(jīng)較普遍采用。該方法主要的特點就是采用適用于小樁的靜荷載試驗所得到的荷載傳遞資料來間接確定大樁承載力,其中最常用的有靜力觸探(CPT)法、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)法、旁壓試驗法等[12]。

(五)理論分析法

在工程設(shè)計中樁的承載力和沉降是兩個基本參數(shù)。目前樁的沉降計算方法主要有荷載傳遞分析法、彈性理論法、分層總和法、剪切變形傳遞法、有限元分析法以及規(guī)范簡化方法等[4]。

在各種分析方法中,彈性分析模型應(yīng)用最為普遍。Richwien&Z.Wang

(1999)提出了考慮土的非線性的樁-土體系分析模型[13]。基于均質(zhì)彈性半空間無限體的Mindlin解,Butterfield(1977)&Poulos(1968)等提出了計算單樁或群樁的荷載-沉降曲線的方法,并指出樁在均質(zhì)土中的沉降解在實際應(yīng)用中一般能滿足要求。王杰賢等(1990)假定樁為等截面、豎直、軸心受荷、均勻土體中的摩擦樁,由樁身彈性壓縮變形所引起的彈性位移和樁身傳遞的荷載及樁端荷載壓縮土體所引起的樁身剛性位移兩部分組成了樁頂?shù)目偝两?并分析靜載試驗的荷載-沉降曲線,依據(jù)荷載傳遞規(guī)律提出了按樁-土共同作用確定單樁承載力的方法[14]。蔣建平博士(2002)分析了大直徑超長樁不同樁型在不同土層中的承載機(jī)理和承載性狀,考慮側(cè)壓力的側(cè)阻力分布及極限承載力理論,提出了大直徑超長樁的極限承載力理論公式。該方法僅適用于均質(zhì)土中的大直徑超長樁。在樁長較長(大于70m)或長徑比比較大的情況下,由于端阻力很小或為0。所以該方法計算的極限承載力將端阻力忽略[15]。胡慶立博士(2002)提出了將現(xiàn)場小直徑樁靜載試驗與理論分析方法相結(jié)合確定大直徑樁承載性能的方法。該方法保留了現(xiàn)場靜載試驗方法的優(yōu)點,克服了靜載試驗加載能力的限制;利用了理論分析方法的優(yōu)點,而其模型參數(shù)由現(xiàn)場靜載試驗資料確定,更為真實可靠,從而保證理論分析結(jié)果的可靠性[2]。

(六)荷載-沉降曲線數(shù)學(xué)擬合方法

數(shù)學(xué)擬合方法主要包括灰色預(yù)測法、雙曲線擬合法和指數(shù)曲線擬合法。它們的基本原理都是在擬合工程樁在較小荷載作用下樁頂?shù)暮奢d-沉降曲線的基礎(chǔ)上,將擬合所得荷載-沉降曲線外推獲得完整的荷載-沉降曲線。

韓曉林等對準(zhǔn)靜載試驗的原始荷載序列{p(0)(i)}和沉降序列{s(0)(i)},建立了灰色預(yù)測GM(1,1)模型[16]。但該方法的精度仍然值得商榷,只有當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入較明顯的塑性階段時才可利用該模型預(yù)測極限承載力。

(七)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射方法

Anthony應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了打樁特征、樁特征與樁極限承載力的關(guān)系。通過對打樁記錄的大量學(xué)習(xí),使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的預(yù)測樁極限承載力的能力。其不足之處就是沒有考慮土的類型和成樁工藝對單樁承載力的影響,還有待更進(jìn)一步的探討。

應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射法確定大直徑樁的承載力,本質(zhì)上就是數(shù)值外推或內(nèi)插的過程。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的基本原理決定了該方法需要大量的樣本。各地區(qū)土的成因及地層條件復(fù)雜,要想得到可靠的結(jié)果必須采集大量的數(shù)據(jù),工作量相當(dāng)大。

(八)經(jīng)驗法

我國《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)、鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范(TBJ2

-96)和日本《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》以及北京、上海、天津等城市的地區(qū)規(guī)范都對大直徑單樁承載力的計算給出了相應(yīng)的經(jīng)驗算法[4]。

經(jīng)驗方法必須有足夠的地區(qū)經(jīng)驗才能作為工程設(shè)計的依據(jù)。對于大直徑樁當(dāng)然也應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。

三、小結(jié)

靜載荷試驗法是最直接最可靠的方法,但要克服其成本高,工期長等缺點。動測法確定大直徑樁的承載力的可靠性有待研究。自平衡法確定單樁承載力對于大直徑樁很適用。一些理論分析法根據(jù)不同的假設(shè)提出不同的解決方法。其他確定大直徑樁承載力的方法也都有各自的適用性及弊端。

由于大直徑樁工程應(yīng)用的迅速發(fā)展,以及設(shè)計要求的提高,使得單樁承載力計算方法有待進(jìn)一步完善。上述各種方法用于大直徑樁的承載力預(yù)測都具有一定的適用性,也有自身的缺點。在確定大直徑樁承載力時,一定要分析具體情況選擇合適的方法,并用多種方法綜合確定。

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