基于單橋靜力觸探的靜壓樁沉樁阻力估算方法

黃凱，張明義,b，白曉宇,b，孫文來

(青島理工大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266033)

在中國，隨著土木工程建設(shè)進度的不斷向前推進，靜壓樁以其諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用到樁基工程中。在靜壓樁施工前估算出沉樁阻力，就可以解決樁基設(shè)計施工過程中對樁端持力層和樁機型號的選擇以及對沉樁可能性的判斷等諸多難題。由于靜力觸探過程與靜力壓樁過程十分相似，因此，采用靜力觸探試驗對靜壓樁沉樁阻力進行估算不失為一種有效方法[1-4]。

靜力觸探試驗(cone penetration test, CPT)是采用特定的機械壓入裝置，用一定的靜力將觸探探頭按一定速度勻速壓入土中，同時，利用探頭內(nèi)部裝有的力學(xué)傳感器或機械測量儀表將探頭受到的貫入阻力實時記錄保存下來。根據(jù)觸探探頭所測得的貫入阻力情況來分析土層的物理力學(xué)性質(zhì)，從而達到劃分土層、評價地基土承載力、選擇樁基持力層、估算單樁承載力的目的。靜力觸探試驗相比其他原位試驗和室內(nèi)試驗具有連續(xù)貫入、施工快速、測量結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點，且能直接測得土體在原始狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)[5-8]。

目前，對于用靜力觸探來模擬計算沉樁阻力的方法研究，已有很多學(xué)者做了相關(guān)工作[9-14]。靜力觸探過程與靜力壓樁過程極為相似，靜力觸探試驗可以看作小型化的靜壓沉樁過程，二者的差別主要在于橫向尺寸及縱向尺寸的大小不同。因此，對于靜力觸探的研究可采用與靜力壓樁相同的貫入理論和方法[15-16]。利用靜力觸探指標(biāo)可以很好地對單樁承載力進行估算，但因金屬探頭和混凝土樁在外形尺寸、材料以及壓入速度等方面所存在的差異，利用靜力觸探得到的力學(xué)參數(shù)不能直接用來估算沉樁阻力，需要對其進行修正處理。本文依據(jù)單橋靜力觸探資料得到的比貫入阻力，分樁端阻力和樁側(cè)摩阻力兩部分來估算沉樁阻力，同時，采用綜合修正系數(shù)對端阻和側(cè)阻進行修正，并自主編制了Visual Basic可視化計算程序，使計算更加方便快捷且直觀。

1 用單橋靜力觸探ps值估算壓樁力

單橋靜力觸探試驗只能得到一個測試指標(biāo)，即比貫入阻力ps，它能綜合反映錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力的大小，能夠與靜壓樁沉樁阻力建立某種聯(lián)系。但由于土的類型、成因及年代等不同，不能用同一個函數(shù)式來推導(dǎo)壓樁力。中國各相關(guān)規(guī)范規(guī)程中也給出了相應(yīng)的規(guī)定，介紹了用靜力觸探成果來確定樁基承載力的方法。本文以《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)中用單橋靜力觸探確定單樁承載力的方法為基礎(chǔ)模擬計算沉樁阻力，提出考慮綜合修正系數(shù)的承載力計算公式。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[17]中給出了沒有地區(qū)經(jīng)驗時的單樁承載力計算公式,如式(1)所示。

Quk=u∑qsikli+α·pskAp

(1)

式中：u為樁身周長，m；qsik為由比貫入阻力pssi值估算得到的樁周第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；li為第i層土的厚度，m；α為樁端阻力修正系數(shù)；psk為樁端附近的比貫入阻力平均值，kPa；Ap為樁端面積，m2。

由式(1)可以看出，樁承載力包括兩部分，側(cè)摩阻力和端阻力，因此式(1)可寫成

(2)

式中：Qs為總的極限側(cè)摩阻力，kN；Qb為總的極限端阻力，kN；pssi為第i層土的比貫入阻力，kPa；Ci為第i層土的側(cè)摩阻力換算系數(shù)。

由式(2)可以看出，利用比貫入阻力ps值分樁側(cè)摩阻力和樁端阻力兩部分來估算壓樁力，這樣更有利于對靜壓樁施工過程中的沉樁阻力變化進行分析。

2 樁端阻力和樁側(cè)摩阻力估算

2.1 樁端阻力估算

由(2)式可知，樁端阻力Qb的計算公式為

Qb=α·pskAp

(3)

由式(3)可知，樁端阻力與樁端附近的比貫入阻力有關(guān)，psk的取值問題包括取值范圍和取值方法兩個方面。取值范圍是應(yīng)該在樁端平面上下多大范圍內(nèi)取值，此處令樁端平面以上取值范圍為d1，以下為d2；取值方法是如何按d1范圍內(nèi)的比貫入阻力psk1和d2范圍內(nèi)的比貫入阻力psk2來計算樁端總的比貫入阻力psk。取值范圍和取值方法的確定主要與樁端土的類型和破壞機理有關(guān)，樁端土的類型和破壞機理不一樣，其確定方法也不一樣。

取值范圍方面，一些規(guī)范給出了相應(yīng)的建議值，如表1所示。

表1 取值范圍建議值Table 1 The recommended value of value range

注：B為方樁的邊長或圓樁的直徑。

取值方法方面，有3種情況：

1) 認為樁端平面上下取值范圍內(nèi)的比貫入阻力對樁端阻力的影響相同，此時，樁端的比貫入阻力可按式(4)計算。

(4)

3)比貫入阻力根據(jù)取值范圍大小取加權(quán)平均值，按式(5)計算。

(5)

2.2 樁側(cè)摩阻力估算

由式(2)可知，樁側(cè)摩阻力Qs的計算公式為

(6)

樁單位側(cè)摩阻力fi的大小主要與樁周土的類型有關(guān)，fi需借助常規(guī)土工試驗指標(biāo)(如：土類、塑性指數(shù)及液性指數(shù)等)，根據(jù)土的類別、埋藏深度、排列次序進行取值。此外，樁基規(guī)范中對于樁側(cè)單位極限摩阻力的取值也給出了一定的說明。因此，根據(jù)土層情況，運用比貫入阻力對各土層的單位側(cè)摩阻力fi進行估算可分為以下幾種情況：

1)灰色淤泥質(zhì)黏土或灰色黏土，這兩類土顆粒較細，靜力觸探曲線線型較為平順，起伏較小，可按式(7)估算單位樁側(cè)摩阻力fi。

(7)

2)暗綠色黏土、堅硬或裂隙黏性土，為高度超壓密土，這類土的靜力觸探曲線略有起伏，可按式(8)估算fi。

fi=0.25+0.025pssi

(8)

3)粉砂、細砂和中砂，這幾類土顆粒較粗，其靜力觸探曲線起伏較大，可按式(9)估算fi。

(9)

4)粉質(zhì)黏土和粉土，這兩類土介于黏土和砂土之間，顆粒相對較粗，可塑性稍差，靜力觸探曲線與上述砂類土相似，可按式(9)估算fi。

5)當(dāng)樁端穿透砂層底面時，由式(9)計算得到的側(cè)摩阻力值偏大，此時可考慮采用一折減系數(shù)η按式(10)估算fi。

(10)

實際工程中，土層的性質(zhì)較為復(fù)雜，采用上述計算公式有時并不能保證沉樁阻力的計算精度。因此，計算時可根據(jù)土層的實際情況，采用調(diào)節(jié)系數(shù)β對按比貫入阻力ps估算的單位樁側(cè)摩阻力進行修正，那么壓樁力的計算公式為

Quk=Qs+Qb=βu∑fili+α·pskAp

(11)

3 綜合修正系數(shù)建議值

運用比貫入阻力psk計算沉樁阻力時，計算值的精度與綜合修正系數(shù)α、β值有關(guān)，正確選用α、β值可使沉樁阻力計算值獲得滿意的結(jié)果。經(jīng)研究分析可知，采用綜合修正系數(shù)α、β對單樁承載力的計算進行修正是完全可行的。通過對端阻和側(cè)阻在沉樁阻力中所占比例的分析可知，當(dāng)樁的入土深度較淺時，側(cè)摩阻力沒有完全發(fā)揮，此時樁端阻力占主要部分；隨著樁貫入深度的增加，樁側(cè)摩阻力逐漸積累，所占的比例也逐漸增大。當(dāng)樁端進入硬土層時，端阻會明顯提高，同時，由于土層埋深較大，此時的側(cè)摩阻力累計值已較大，因此，側(cè)阻在沉樁阻力中仍可占很大。α、β值與土的類型及性質(zhì)有關(guān)，通過對4個靜壓樁工程的計算，對比分析了壓樁力計算值與實測值，得出了每個工程中各層土的綜合修正系數(shù)取值，如表2所示。根據(jù)4個工程中的修正系數(shù)值，經(jīng)過進一步的歸納與分析，提出了不同土類的α、β建議值，見表3。

表2 各工程的綜合修正系數(shù)取值Table 2 The comprehensive correction coefficient of each project

表3 土類的綜合修正系數(shù)建議值Table 3 The comprehensive correction coefficientrecommended value of soil

從表中的綜合修正系數(shù)建議值可以看出，對于人工填土和淤泥，α、β基本為一常數(shù)；對于從黏性土開始的土顆粒不斷變粗的土，α、β大體上隨著土顆粒粒徑的增大而增大，說明土顆粒越粗、土層強度越大，沉樁阻力計算值就越接近實測值。對于同類土的不同狀態(tài)，當(dāng)土由軟變硬或由松散變密實時，α、β也相應(yīng)變大，說明土質(zhì)越硬越密實，沉樁阻力計算值與實測值的差異就越小。此外，對于除淤泥以外的其他土類，α均比β大，說明端阻的修正比側(cè)阻的修正要小，與實際情況相符。

4 Visual Basic可視化程序的編制

為了使計算結(jié)果和測試結(jié)果的對比分析更加方便快捷，自主編制了Visual Basic計算程序，對沉樁阻力進行調(diào)試計算。程序計算時，以α、β為可變量，根據(jù)所測得的靜力觸探數(shù)據(jù)，采用式(11)模擬計算在不同深度下的沉樁阻力。Visual Basic程序做了可視化處理，能夠把復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算結(jié)果轉(zhuǎn)變成可視化的數(shù)據(jù)曲線，便于和實測曲線進行對比分析，直觀性強。程序的具體計算流程如圖1所示。

圖1 程序計算流程圖Fig.1 The chart of program

計算程序開始調(diào)試前，一般先假設(shè)初始α、β都為1。輸入試驗參數(shù)和數(shù)據(jù)進行模擬計算，將初步模擬的結(jié)果與實測曲線進行對比，根據(jù)不同土層的分類，自上而下逐層調(diào)節(jié)系數(shù)的大小，直至計算曲線逼近實測曲線。調(diào)試計算時，先對上層土進行調(diào)節(jié)，待上層土滿足計算要求后方可對下層土進行調(diào)節(jié)，通過不斷地調(diào)整每層土的修正系數(shù)α、β值，使模擬曲線與實測曲線相逼近，最終確定出不同土層的α、β值。積累相關(guān)經(jīng)驗后，可為不同地區(qū)的相似靜壓樁工程提供價值參考。

5 工程實例計算分析

為了進一步驗證式(11)計算沉樁阻力的可行性，以及對比分析實測阻力與模擬阻力的關(guān)系，引用了上海地區(qū)的兩個靜壓樁工程實測壓樁資料進行分析，整個計算過程由程序完成，測試結(jié)果以曲線的形式給出。

5.1 工程實例計算

1)上海市某水暖氣材廠靜壓樁工程，樁長35.0 m，樁截面400 mm×400 mm，各土層的參數(shù)指標(biāo)及綜合修正系數(shù)見表4，計算曲線與實測曲線如圖2所示。

表4 土層參數(shù)及綜合修正系數(shù)值Table 4 The data of test pile and the comprehensive correction

圖2 上海某水暖氣材廠靜壓樁工程的實測曲線與計算曲線Fig.2 The measured curve and calculated curve of pile foundation engineering of a gas plumbing material factory in

2)上海市某大廈靜壓樁工程，樁長36.0 m，樁截面400 mm×400 mm，各土層的參數(shù)指標(biāo)及綜合修正系數(shù)見表5，計算曲線與實測曲線如圖3所示。

表5 土層參數(shù)及綜合修正系數(shù)值Table 5 The data of test pile and the comprehensive correction

圖3 上海某大廈靜壓樁工程的實測曲線與計算曲線Fig.3 The measure curve and calculated curve of pile foundation engineering of a building in

5.2 計算結(jié)果分析

從圖2和圖3的沉樁阻力曲線可以看出，沉樁阻力估算曲線與靜力觸探比貫入阻力曲線沿深度方向的變化規(guī)律相似；未經(jīng)修正的沉樁阻力計算曲線與壓樁力實測曲線沿深度方向的變化規(guī)律大致相同，但計算值均偏大，且在不同土層中二者相差的程度也不一樣。經(jīng)過綜合修正系數(shù)修正后的沉樁阻力計算曲線與壓樁力實測曲線基本上相吻合，說明采用綜合修正系數(shù)，利用靜力觸探指標(biāo)預(yù)測沉樁阻力完全可行。在樁端進入持力層之前，沉樁阻力隨貫入深度增加提高的幅度并不大，甚至在部分土層中出現(xiàn)壓樁力下降的趨勢；樁端開始進入持力層時，沉樁阻力增加較快，當(dāng)樁端到達設(shè)計位置時沉樁阻力也達到最大值。此外，沉樁阻力與樁穿過土層的類型有關(guān)，對于土性相似的不同深度的土層，土層埋深越大，沉樁阻力也越高。

從樁端阻力曲線圖可以看出，樁端阻力曲線與靜力觸探曲線及沉樁阻力曲線的變化規(guī)律一致，修正后的端阻力曲線與未修正的端阻力曲線相差不大，基本上相吻合，說明采用靜力觸探資料估算樁端阻力可靠度較高，端阻綜合修正系數(shù)對樁端阻力的修正較小，未經(jīng)修正的樁端阻力甚至可直接用來計算沉樁阻力。此外，樁端阻力不隨深度線性增大，只有在樁端進入軟硬程度不同的土層時才會發(fā)生突變。在同一層土中，隨貫入深度的增加，樁端阻力提高的幅度并不大，此時沉樁阻力的提高主要來源于樁側(cè)摩阻力的積累。

從樁側(cè)摩阻力曲線圖可以看出，樁側(cè)摩阻力曲線與沉樁阻力曲線相似，但變化規(guī)律相差較大；未經(jīng)修正的樁側(cè)摩阻力計算值沿深度方向增加較快，與修正值相差較大，在沉樁阻力計算時若采用未修正值將導(dǎo)致沉樁阻力計算值過大，與實際情況不符。經(jīng)過修正后的樁側(cè)摩阻力隨深度增加較慢。同時，由于淺部土層為人工填土或吹填土，土質(zhì)疏松，地表以下5 m范圍內(nèi)的側(cè)摩阻力修正值較小，幾乎為零，此時的沉樁阻力主要由樁端阻力提供。此外，由于材料性質(zhì)的不同，靜力觸探的側(cè)壁摩阻力與樁的側(cè)摩阻力在土層中的變化也不同，調(diào)整的幅度也不一樣。

6 結(jié)論

1)從靜力觸探資料入手，對比了靜力觸探和靜力壓樁的關(guān)系，提出了由單橋靜力觸探比貫入阻力ps值估算沉樁阻力的計算公式。公式分樁端阻力和樁側(cè)摩阻力兩部分，同時，采用綜合修正系數(shù)α、β對沉樁阻力進行修正，經(jīng)修正后的沉樁阻力與實測值誤差較小。實際工程中，利用單橋靜力觸探資料估算壓樁力，可解決樁基設(shè)計中的諸多問題。

2)通過對幾個工程的分析，提出了適用于不同土層的綜合修正系數(shù)建議值，可為類似工程提供借鑒與參考。同時，自主編制了Visual Basic可視化計算程序，把復(fù)雜的測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可視化曲線，使計算分析更加方便快捷、直觀。

3)通過2個實際靜壓樁工程的計算，對沉樁阻力、樁端阻力和樁側(cè)摩阻力在土層中的變化規(guī)律進行了分析，進一步驗證了利用單橋靜力觸探比貫入阻力，采用綜合修正系數(shù)，分樁端阻力和樁側(cè)摩阻力計算沉樁阻力的可行性。