利用CPT結(jié)果進(jìn)行可打入性分析

康思偉，賈志遠(yuǎn)

（1.中海油上海分公司，上?！?00335；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津　300072）

利用CPT結(jié)果進(jìn)行可打入性分析

康思偉1，賈志遠(yuǎn)2

（1.中海油上海分公司，上海200335；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

樁的可打入性研究一直是海洋工程中普遍關(guān)心的問(wèn)題，如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)樁的可打入性是研究的重點(diǎn)，樁的可打入性與打樁土阻力有直接關(guān)系。根據(jù)某海域的現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄，運(yùn)用GRLWEAP反算出打樁土阻力，與常用的基于CPT計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析每種方法在計(jì)算土阻力時(shí)的準(zhǔn)確性，并對(duì)各種方法的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果顯示，大直徑樁在砂土中打樁也會(huì)發(fā)生土塞閉合；在本算例中，CPT方法用來(lái)進(jìn)行土阻力預(yù)測(cè)時(shí)，不同的方法具有各自的特點(diǎn)。

CPT；土阻力；樁的可打入性；土塞

0　引言

在利用波動(dòng)方程進(jìn)行打樁預(yù)測(cè)過(guò)程中，打樁土阻力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常顯著。因此對(duì)于打樁過(guò)程中土阻力分布的研究一直是研究的重點(diǎn)。對(duì)于土阻力的預(yù)測(cè)方法主要有兩種。一種是以Steven和Semple為代表的折減系數(shù)法[1-2]。他們的方法是以API規(guī)范為基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)等方法對(duì)計(jì)算得到的側(cè)摩阻進(jìn)行不同程度的折減。另一種方法是以CPT的測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)反分析等方法得到利用CPT測(cè)試結(jié)果的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，有代表性的計(jì)算公式包括Fugro，ICP，UWA，NGI，Alm等[3-7]。

CPT（Cone Penetration Test）是巖土工程勘察中重要的原位測(cè)試技術(shù)，因其能在現(xiàn)場(chǎng)直接、連續(xù)、快捷地對(duì)巖土層的工程特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并且避免了取樣和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土樣所造成的擾動(dòng)等影響，故在國(guó)外及國(guó)內(nèi)陸地巖土工程勘察領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。

目前，在歐美國(guó)家和地區(qū)，原位測(cè)試的工作量一般占整個(gè)海上工程地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的工作量的50%～70%；國(guó)內(nèi)在陸地工程地質(zhì)調(diào)查中，原位測(cè)試工作量一般也占整個(gè)工程地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目工作量的50%以上。該方法已經(jīng)被列入API規(guī)范，作為確定樁基承載力的推薦方法之一[8]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大直徑超長(zhǎng)鋼管樁在海洋工程中得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行反分析，同時(shí)采用目前比較認(rèn)可的基于CPT的方法對(duì)土阻力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)不同CPT方法的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1　基于CPT的計(jì)算方法

樁基承載力是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力兩部分組成，樁側(cè)摩阻力可以通過(guò)單位平均側(cè)摩阻力乘以樁體入土部分的側(cè)面積得到，樁端阻力是單位平均端阻力乘以樁端面積。打樁阻力一般是通過(guò)對(duì)樁基承載力進(jìn)行修正獲得的。一般認(rèn)為打樁過(guò)程中的土阻力即SRD與樁基承載力是不相同的，但是，在砂土中打樁，經(jīng)常采用砂土的承載力來(lái)替代砂土中打樁的SRD[9]。

目前經(jīng)常被用于進(jìn)行土阻力預(yù)測(cè)的CPT方法主要包括Alm，UWA，ICP和Fugro法。其中Alm法明確指出是針對(duì)打樁過(guò)程中的土阻力進(jìn)行的，其余的方法均是用來(lái)計(jì)算砂土中的樁基承載力的。

樁基承載力Qu由樁側(cè)摩阻力Qs及端阻Qp兩部分組成，即：

Qu=Qs+Qp=πD∫тfd z+qpAp

式中：тf為單位側(cè)摩阻力；qp為單位端阻；Ap為樁端表面積。

UWA，ICP和Fugro方法在單位側(cè)摩阻力тf及單位端阻qp有如下規(guī)定。

1.1Fugro-05（Kolk etal.2005a）

1）單位側(cè)摩阻力計(jì)算

抗壓且h/R*≥4：тf=0.08qc（σv0′/pref）0.05（h/R*）-0.90抗壓且h/R*<4：тf=0.08qc（σv0′/pref）0.05[h/（4R*）]4-0.90抗拉：тf=0.045qc（σv0′/pref）0.15[max（h/R*，4）]-0.85

式中：σv0′為上覆土的有效應(yīng)力；pref為參考?jí)毫Γ?00 kPa；R*為按管壁截面積等效的樁徑，R*=（R2-Ri2）0.5；h為考察點(diǎn)到樁端的豎向距離。

2）單位端阻計(jì)算

對(duì)于開口樁和閉口樁：

1.2ICP-05（Jardineetal.2005）

1）單位側(cè)摩阻力計(jì)算

тf=α[0.029bq（cσv0′/pref）0.13[max（h/R*，8）]-0.38+

Δσrd′]tanδf

式中：σv0′為上覆土的有效應(yīng)力；Pref為參考?jí)毫Γ?00 kPa；R*為按管壁截面積等效的樁徑；h為考察點(diǎn)到樁端的豎向距離；δf為通過(guò)恒體積剪切試驗(yàn)確定的樁-土界面摩擦角，鋼-砂界面δf典型值介于28°～30°，砂土顆粒越細(xì)，該值越??；Δσrd′為軸向受荷引起的徑向有效應(yīng)力增量，Δσ′rd=4GΔr/D，G/qc=185qc1N-0.75，其中 qc1N=（qc/Pre）f（/σv0′/pre）f0.5，Δr為膨脹量，推薦取值為0.02 mm；系數(shù)α對(duì)于開口樁抗拉承載力計(jì)算時(shí)取0.9，其他情況下取1.0；計(jì)算抗拉承載力時(shí)系數(shù)b取0.8，抗壓承載力時(shí)取1.0。

2）單位端阻計(jì)算

對(duì)于閉口樁：

qb0.1/qc，avg=max[1-0.5log（D/DCPT），0.3]

對(duì)于開口樁：當(dāng)Di≥2.0（Dr-0.3）或Di≥0.083qc，avg/prefDCPT時(shí)，認(rèn)為無(wú)土塞，qb0.1/qc，avg=Ar。

其它情況下認(rèn)為有土塞，qb0.1/qc，avg=max[0.5-0.25log（D/DCPT），0.15，Ar]，其中，Ar=1-（Di/D）2。1.3UWA-05（Lehaneetal.2005b）

1）單位側(cè)摩阻力計(jì)算

тf=（ft/fc）[0.03qcA0rs.

，3eff[max（h/D，2）]-0.5+Δσrd′]tanδf式中：ft/fc為拉壓承載力比值，對(duì)于壓力取1.0，對(duì)于拉力取0.75；Ars，eff為有效面積比，Ars，eff=1-IFR（Di/D）2，IFR為土塞增長(zhǎng)率，等于土塞高度增長(zhǎng)量與樁貫入長(zhǎng)度增長(zhǎng)量之比，一般按下式確定：IFR=min（[Di/1.5）0.2，1]；h為考察點(diǎn)到樁端的豎向距離；D為樁基外徑，Di為樁基內(nèi)徑；δf為通過(guò)恒體積剪切試驗(yàn)確定的樁-土界面摩擦角，鋼-砂界面的δf典型值介于28°～30°，砂土顆粒越細(xì)，該值越?。沪う摇鋜d為軸向受荷引起的徑向有效應(yīng)力增量。Δσ′rd=4GΔr/D，G/qc=185q-c10N.75，其中qc1N=（qc/Pref）（/σv0′/Pre）f0.5，Δr為膨脹量，推薦取值為0.02mm。

2）單位端阻計(jì)算

對(duì)于開口樁和閉口樁：

qb0.1/qc，avg=0.15+0.45Arb，eff

式中：Arb，eff=1-FFR（Di/D）2，F(xiàn)FR=min（[Di/1.5）0.2，1]。

1.4Alm法（Alm&Hamre（2002））

1）單位側(cè)摩阻力計(jì)算

砂土：fs=fsres+（fsi-fsres）ek（d-p）

式中：k=（qc/σv0′）0.5/80；fsi=Kσv0′tanδf，K=0.0132·

qc（σv0′/qref）0.13/σv0′；fsres=0.2fsi。

黏土：fs=fsres+（fsi-fsres）ek（d-p）

式中：k=（qc/σv0′）0.5/80；fsi=fs0；fsres=0.004qc（1-0.0025qc/σv0′）。

2）單位端阻計(jì)算：

砂土：qTip=0.15qc（qc/σv0′）0.2

黏土：qTip=0.6qc

式中：fs為單位側(cè)摩阻；fsres為殘余側(cè)摩阻；fsi為初始側(cè)摩阻；σv0′為垂直有效應(yīng)力；δf為界面摩擦角；pref為參考應(yīng)力，100 kPa；fs0為CPT側(cè)摩阻。

2　現(xiàn)場(chǎng)情況

在某海域打樁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行打樁，樁基均為開口鋼管樁，樁長(zhǎng)為122.4 m，直徑為2.438 m，打入泥面以下98 m的深度，場(chǎng)地海域水深為87 m。采用MENCK MHU800S錘進(jìn)行打樁，打樁錘參數(shù)見表1。土層分布情況見表2。現(xiàn)場(chǎng)CPT得到的測(cè)試結(jié)果見圖1。

表1 打樁錘參數(shù)Table1　Parametersof pile driving hammer

表2 土層分布情況Table 2　Distribution of soil

圖1 CPT測(cè)試結(jié)果Fig.1　CPT test resu lts

現(xiàn)場(chǎng)一共打入8根樁，由于8根樁的打樁記錄比較接近，為了清楚起見，只畫出其中1根樁的打樁記錄，如圖2，并且選擇8根樁的平均值作為本次計(jì)算的依據(jù)。

通過(guò)本文前面的公式介紹可以看到，UWA，ICP和Fugro方法都是針對(duì)砂土的計(jì)算公式，因此本次分析選擇從0～46m作為研究對(duì)象。從土層分布（表1）可以看到，在46 m范圍內(nèi)，除了在26～ 29.2 m處有一粉質(zhì)黏土夾層以外，其余幾乎全部由細(xì)砂組成。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄Fig.2　Pile driving record

3　計(jì)算分析

為了對(duì)打樁進(jìn)程中土阻力的變化情況進(jìn)行研究，首先采用波動(dòng)方程進(jìn)行反分析，計(jì)算采用GRLWEAP2010軟件進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄的錘擊數(shù)以及計(jì)算得到的錘擊數(shù)與承載力的關(guān)系可以得到打樁過(guò)程中土阻力隨深度的分布，見圖3。

分別采用不同的方法，包括 API，Alm，UWA，ICP和Fugro方法對(duì)打樁過(guò)程中的土阻力（SRD）進(jìn)行了計(jì)算。采用上述各種方法對(duì)打樁過(guò)程中的土阻力進(jìn)行計(jì)算。由于在打樁過(guò)程中沒有測(cè)量土塞的高度，因此，在此分為土塞完全不閉合和土塞完全閉合兩種情況進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與反分析結(jié)果進(jìn)行比較見圖4。

圖3　SRD（平均值）和深度的關(guān)系Fig.3　Relationship betw een SRD（mean）and depth

圖4　計(jì)算值與反算值的比較Fig.4　Com parison of the calculated valuesand back calculated values

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)假定土塞完全不閉合時(shí)，在12 m以內(nèi)，除了Fugro方法計(jì)算結(jié)果偏大以外，其余各種方法與反算值吻合良好。超過(guò)12 m，無(wú)論哪種方法與反算值的差別均很大。當(dāng)假定土塞完全閉合時(shí)，ICP和Alm方法的計(jì)算值偏??；UWA和Fugro方法12m以后和反算值接近；從圖4的計(jì)算結(jié)果可以看出，在打樁過(guò)程中，土塞經(jīng)歷了一個(gè)由不閉合到閉合的過(guò)程，這一轉(zhuǎn)折應(yīng)該發(fā)生在12m附近。因此假定12 m以上土塞不閉合，12 m后土塞完全閉合，取所有方法得到的結(jié)果見圖5。

從整體擬合效果來(lái)看，API方法的整體變化趨勢(shì)與反算數(shù)據(jù)基本一致，但在20～33 m之間數(shù)值偏小，在35～45 m之間數(shù)值偏大。UWA和ICP方法，在無(wú)土塞時(shí)和API結(jié)果接近，但在形成土

圖5 不同方法的比較Fig.5　Com parison of differentmethods

塞以后，ICP方法數(shù)值與反算值相比偏小；UWA法在25 m以后，計(jì)算結(jié)果偏大。Alm法對(duì)CPT測(cè)試數(shù)據(jù)的變化比較敏感，總體偏小。Fugro方法的無(wú)土塞的計(jì)算結(jié)果偏大，但有土塞時(shí)，計(jì)算結(jié)果與反算值吻合較好。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁的打樁數(shù)據(jù)，反算得到打樁時(shí)的土阻力，并將其與通過(guò)CPT和API預(yù)測(cè)得到的土阻力進(jìn)行了對(duì)比分析，從計(jì)算結(jié)果可以看到，在砂土中打樁，即使是對(duì)于直徑較大的情況（本次試驗(yàn)樁的直徑為2.438 m）也會(huì)形成土塞，并接對(duì)打樁的土阻力產(chǎn)生明顯的影響。API方法作為傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)土阻力的方法雖然存在精度上的缺陷，但是從整體變化趨勢(shì)上和反算結(jié)果具有良好的一致性。CPT方法是一種預(yù)測(cè)土阻力的行之有效的方法。本次計(jì)算結(jié)果顯示，在有土塞的情況下，ICP的計(jì)算結(jié)果偏小，在無(wú)土塞的情況下，F(xiàn)ugro的結(jié)果偏大，Alm方法作為專門用來(lái)預(yù)測(cè)土阻力的CPT方法其計(jì)算結(jié)果總體偏小，UWA方法的結(jié)果總體偏大。從整體擬合效果上而言，F(xiàn)ugro方法的效果最好。

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Pile driveability analysis by using CPT results

KANGSi-wei1,JIA Zhi-yuan2
（1.ShanghaiBranch,China NationalOffshoreOilCorporation,Shanghai200335,China; 2.Schoolof CivilEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

The study of pile driveability hasbeen a universal concern in ocean engineering,and how to accurately predict pile driveability is the key of the research,pile driveability has a direct relationship with soil resistance driving.According to the pile driving records of a certain area,we calculated the soil resistance driving by the GRLWEAP,and compared with the commonly used calculationmethod based on the CPT results,analyzed the accuracy of eachmethod when calculating the soil resistance,and evaluated the resultsof variousmethods.Calculation results show that the large diameter pile can also occur soil plug closure when piling in sands.In this example,the CPTmethod is used to predict the soil resistance,and the different methodshave their own characteristics.

CPT;soil resistance;pile drivability;soil plug

U655.544.1

A

2095-7874（2016）10-0036-04

10.7640/zggw js201610008

2016-05-06

2016-07-21

自然科學(xué)重點(diǎn)基金（51239008）；國(guó)家973項(xiàng)目（2014CB046800）；國(guó)家重大專項(xiàng)（2011ZX05056002-01）

康思偉（1985—），男，四川人，碩士，工程師，石油工程專業(yè)。E-mail：kangsw@cnooc.com.cn