砂性土打入樁豎向承載力計(jì)算方法評(píng)價(jià)

楊仲軒，黃中原，郭望波，董曉強(qiáng)，詹 偉

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058；2.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024；3.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院 浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023)

樁的豎向承載力是樁在使用過(guò)程中評(píng)價(jià)其安全性能的重要參數(shù)指標(biāo)，將直接影響結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)打入樁的承載能力十分重要[1-3]。目前工程上對(duì)該性能指標(biāo)的確定主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)[4-5]。而與陸地工程相比，近海工程如大型跨江跨海大橋、海洋石油平臺(tái)、海上風(fēng)電機(jī)組等結(jié)構(gòu)物中所使用的樁基豎向承載力一般較大，通常無(wú)法通過(guò)靜載試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)其豎向承載力，因此建立可靠性強(qiáng)、預(yù)測(cè)精度高的設(shè)計(jì)方法尤為重要。

近年來(lái)，為探究樁打入過(guò)程中樁土相互作用機(jī)理以及影響打入樁承載能力的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，這些研究成果極大地豐富了人們對(duì)打入樁機(jī)理與特性的認(rèn)識(shí)。一些影響打入樁豎向承載力的因素如成層土、h/R效應(yīng)、時(shí)間效應(yīng)、循環(huán)荷載、應(yīng)力分布、樁土界面特性等被證實(shí)及量化[6-14]。目前，一些主流的打入樁設(shè)計(jì)方法也已引入上述研究成果，其預(yù)測(cè)效果也顯示遠(yuǎn)比傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)方法要更好。然而，這些設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和可靠性仍需要由更具代表性的樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行更客觀的評(píng)價(jià)。目前，海洋工程中常見(jiàn)的砂性土打入樁設(shè)計(jì)方法包括傳統(tǒng)美國(guó)石油協(xié)會(huì)API[15]與基于靜力觸探試驗(yàn)CPT的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用較為普遍的是已被API附錄收錄的四種CPT設(shè)計(jì)方法：ICP-05法[16]、UWA-05法[17]、Fugro-05法[18]和NGI-05法[19]。

打入樁高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)是檢驗(yàn)打入樁承載力計(jì)算方法可靠性的有效手段。各CPT設(shè)計(jì)方法均組建了打入各自樁數(shù)據(jù)庫(kù)用于校驗(yàn)其可靠性。CHOW[7]搜集了65根砂性土打入樁數(shù)據(jù)，并據(jù)此建立了ICP-97數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與傳統(tǒng)API法的對(duì)比，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了MTD法(ICP-05法的前身)的可靠性，而JARDINE et al[16]在該數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上新增了多根開(kāi)口樁的靜載數(shù)據(jù)，并修正了數(shù)據(jù)的收錄標(biāo)準(zhǔn)，得到83根高質(zhì)量的打入樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成了ICP-05數(shù)據(jù)庫(kù)，用于評(píng)價(jià)API和ICP-05設(shè)計(jì)方法；KOLK et al[18]在Euripides JIP項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入部分ICP 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，組建了一個(gè)包含45根樁的Fugro-05數(shù)據(jù)庫(kù)，主要評(píng)價(jià)了Fugro-05、MTD和API設(shè)計(jì)方法的可靠性；CLAUSEN et al[19]組建了一個(gè)包含85根樁的NGI-05數(shù)據(jù)庫(kù)用以評(píng)價(jià)NGI-05、MTD、Fugro-05及API設(shè)計(jì)方法的可靠性，但數(shù)據(jù)庫(kù)中部分CPT數(shù)據(jù)是通過(guò)SPT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的，數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果的可靠性存疑；SCHNEIDER et al[17]對(duì)ICP數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充，制定了新的收錄標(biāo)準(zhǔn)，組成了包括77根打入樁的UWA-05數(shù)據(jù)庫(kù)，并評(píng)價(jià)了API法、CPT-α方法和本文提到的4種CPT方法，其發(fā)現(xiàn)4種CPT方法的預(yù)測(cè)離散性遠(yuǎn)小于其它方法，而ICP-05和UWA-05方法均具有極好的預(yù)測(cè)精度。

但上述數(shù)據(jù)庫(kù)收錄標(biāo)準(zhǔn)存在差異，數(shù)據(jù)庫(kù)大小也較小，截止目前仍缺乏高質(zhì)量的打入樁校驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)[20]。因此來(lái)自浙江大學(xué)(ZJU)與英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院(ICL)的團(tuán)隊(duì)在一些常用數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上搜集了多方資料進(jìn)行擴(kuò)充整理，組建了更具代表性的砂性土打入樁靜載試驗(yàn)ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含118根高質(zhì)量打入樁靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)上述5種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

1 打入樁豎向承載力計(jì)算方法

樁的豎向承載力指的是樁在外荷載作用下，不喪失穩(wěn)定，不產(chǎn)生過(guò)大變形所能承受的最大荷載。單樁的豎向承載力Qt由兩部分組成：一部分是樁側(cè)摩阻力Qs，它是樁周土對(duì)樁的側(cè)向摩阻力，另一部分是由樁端土層所提供作用在樁底的樁端阻力Qb.計(jì)算公式為：

(1)

式中：D為樁的直徑，ztip為樁尖的深度，τf為樁屈服時(shí)的局部極限樁側(cè)摩阻應(yīng)力，qb為極限樁端阻應(yīng)力，Ab為樁端面積。

由式(1)可知，除了數(shù)學(xué)常數(shù)以及樁本身的尺寸參數(shù)外，樁豎向承載力設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵在于如何確定τf與qb.

ICP-05設(shè)計(jì)方法是JARDINE et al[16]在總結(jié)LEHANE[6]和CHOW[7]的樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)展而來(lái)的，其考慮了錐尖阻力qc、樁尖的相對(duì)深度h/R*、樁的開(kāi)閉口情況等因素的影響，并提出參數(shù)a、b表征荷載工況的影響，依據(jù)庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則計(jì)算樁側(cè)摩阻應(yīng)力τf，樁-土界面摩擦角δf通過(guò)大位移環(huán)剪試驗(yàn)獲得。ICP-05設(shè)計(jì)方法認(rèn)為qb為樁頂位移為0.1D時(shí)靜載試驗(yàn)值qb,0.1，并假設(shè)其與平均值qc,avg的比值主要與樁直徑D有關(guān)。UWA-05設(shè)計(jì)方法最早由LEHANE et al[21-22]提出，后經(jīng)XU[8]、SCHNEIDER et al[17]作了進(jìn)一步完善，與ICP-05方法相比，UWA-05方法考慮了更多樁側(cè)極限摩阻應(yīng)力的影響因素，包括成樁過(guò)程中的土體滑移，h/R效應(yīng)，加載過(guò)程中的徑向應(yīng)力變化、加載方向的變化及管樁的土塞效應(yīng)等，因此計(jì)算公式也相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)UWA-05設(shè)計(jì)方法還采用有效面積比Ar,eff來(lái)描述樁端開(kāi)閉口情況，并假設(shè)qb,0.1與qc,avg的比值與Ar,eff有關(guān)。

表1 樁側(cè)極限摩阻應(yīng)力計(jì)算公式Table 1 Design methods for ultimate local shaft friction in sand

表2 樁端阻應(yīng)力計(jì)算公式Table 2 Design methods for base resistance in sand

2 打入樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)

打入樁承載力設(shè)計(jì)方法在工程領(lǐng)域的推廣使用需經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確性和可靠性的嚴(yán)謹(jǐn)評(píng)估，高質(zhì)量的打入樁靜荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)已成為評(píng)估各種設(shè)計(jì)方法有效性的主要途徑。但目前很多現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)所包含的數(shù)據(jù)還較少，且由于收錄標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)庫(kù)代表性較差。為了更客觀地對(duì)常用的打入樁承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)估，并為新建立的設(shè)計(jì)方法提供原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定與校驗(yàn)，亟需建立具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量打入樁靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)?；谏鲜鲈?，來(lái)自浙江大學(xué)(ZJU)與英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院(ICL)的團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有高質(zhì)量打入樁數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，建立了更為嚴(yán)格的收錄標(biāo)準(zhǔn)，并從世界各地搜集了新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，組建了更具有代表性的ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)[23-24]，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果的可靠性。

JARDINE et al[16]在ICP-97數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上新增了多根開(kāi)口樁的靜載數(shù)據(jù)，并修正了數(shù)據(jù)的收錄標(biāo)準(zhǔn)，最終得到含有83根打入樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的ICP-05數(shù)據(jù)庫(kù)；SCHNEIDER et al[17]對(duì)ICP數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充，制定了新的收錄標(biāo)準(zhǔn)，并加入了26根新的打入樁靜載數(shù)據(jù)，最終得到了含有77根打入樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的UWA-05數(shù)據(jù)庫(kù)，ICP與UWA數(shù)據(jù)庫(kù)也是目前最具代表性的砂性土打入樁數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)提出了更為嚴(yán)格的數(shù)據(jù)收錄標(biāo)準(zhǔn)，以保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可靠性，最終收錄了54個(gè)ICP數(shù)據(jù)，14個(gè)UWA數(shù)據(jù)滿足新的數(shù)據(jù)收錄標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、文獻(xiàn)查詢及國(guó)際合作共收集到50個(gè)滿足要求的打入樁數(shù)據(jù)，滿足收錄標(biāo)準(zhǔn)新數(shù)據(jù)的數(shù)量增長(zhǎng)超過(guò)70%.3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的主要特征總結(jié)如表3所示。

表3 主流砂性土數(shù)據(jù)庫(kù)總結(jié)Table 3 Summary of mainstream sand databases

同時(shí)，樁的豎向承載力具有時(shí)間效應(yīng)，即樁的豎向承載力會(huì)隨著樁休止時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大的現(xiàn)象[9]。RIMOY et al[14]搜集了來(lái)自Dunkirk、Larvik和Blessington三個(gè)場(chǎng)地的打入樁數(shù)據(jù)來(lái)研究樁豎向承載力的時(shí)間效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)Qm/Qc(樁的豎向承載力測(cè)量值Qm與ICP-05設(shè)計(jì)方法計(jì)算值Qc的比值)在打樁剛結(jié)束的時(shí)候小于1，但該比值隨著休止時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，一年后趨于穩(wěn)定(約為2.4).圖1使用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸給出了ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)中休止時(shí)間3～300 d的打入樁總承載力Qm/Qc隨時(shí)間的增長(zhǎng)趨勢(shì)。線性回歸擬合線表明ICP-05設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果和休止時(shí)間為10～15 d的實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近。

為了準(zhǔn)確地描述樁承載力的時(shí)間效應(yīng)，最大程度消除時(shí)間效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果的影響，我們?cè)赯JU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上組建了一個(gè)休止時(shí)間為10～100 d的子數(shù)據(jù)庫(kù)(共80根)，并對(duì)子數(shù)據(jù)庫(kù)同樣采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)樁承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表4所示。

表4 ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)總結(jié)Table 4 Summary of ZJU-ICL sand databases

3 數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算過(guò)程與結(jié)果分析

基于高質(zhì)量打入樁數(shù)據(jù)庫(kù)的評(píng)價(jià)分析是驗(yàn)證打入樁設(shè)計(jì)方法可靠性的重要依據(jù)，同時(shí)也是進(jìn)行打入樁承載力特性研究的重要手段。本章將給出ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果，主要計(jì)算了本文提到的5種砂性土打入樁設(shè)計(jì)方法的樁總承載力計(jì)算效果Qc/Qm的平均值μ和變異系數(shù)COV(COV=標(biāo)準(zhǔn)差S/平均值μ)，并根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)對(duì)打入樁設(shè)計(jì)方法的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 計(jì)算過(guò)程

按照以上步驟，分別采用上述5種設(shè)計(jì)方法計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)試樁的總承載力計(jì)算值Qc，并與樁靜載試驗(yàn)測(cè)量值Qm進(jìn)行對(duì)比，得到Qc/Qm值，并統(tǒng)計(jì)平均值μ和變異系數(shù)COV.

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)Qc/Qm的平均值μ和變異系數(shù)COV來(lái)評(píng)價(jià)API、ICP-05、UWA-05、Fugro-05和NGI-05設(shè)計(jì)方法的計(jì)算效果。表5給出了這幾種打入樁設(shè)計(jì)方法基于ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)和子數(shù)據(jù)庫(kù)(休止時(shí)間在10～100 d之間)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

表5 Qc/Qm的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(μ和COV)Table 5 μ and COV of Qc/Qm

從表中數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)子數(shù)據(jù)庫(kù)與ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)的分析結(jié)果較為一致，但變異系數(shù)COV更偏小，這是因?yàn)樽訑?shù)據(jù)庫(kù)考慮了時(shí)間效應(yīng)，可以很好地削弱時(shí)間效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果的影響。從子數(shù)據(jù)庫(kù)的各個(gè)設(shè)計(jì)方法的計(jì)算效果中我們可以得出以下結(jié)論：

1)Qc/Qm的平均值μ在0.70～1.22之間變化，而變異系數(shù)COV的變化范圍為0.30～0.49，且API設(shè)計(jì)方法的變異系數(shù)要比基于CPT的設(shè)計(jì)方法稍大；

2) API法和ICP-05法在樁的豎向承載力預(yù)測(cè)上較為保守(平均值μ<1)，而另外幾種設(shè)計(jì)方法均高估了樁的承載能力；

3) ICP-05和UWA-05設(shè)計(jì)方法的平均值(0.95～1.05)和變異系數(shù)(0.30～0.36)均好于其它設(shè)計(jì)方法，證明這兩個(gè)方法計(jì)算效果的優(yōu)越性。

4 結(jié)語(yǔ)

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)砂性土中打入樁的豎向承載力依舊面臨很大挑戰(zhàn)，基于高質(zhì)量和有代表性的數(shù)據(jù)庫(kù)分析是評(píng)估各種打入樁設(shè)計(jì)方法有效性、提高設(shè)計(jì)方法可靠性的重要工具。但目前很多數(shù)據(jù)庫(kù)所包含的數(shù)據(jù)還較少，且由于收錄標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)庫(kù)代表性較差。為了更客觀地對(duì)常用打入樁承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)估，并為新建立的設(shè)計(jì)方法提供進(jìn)行標(biāo)定與校驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，建立具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的打入樁靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)尤為重要。

本文回顧了現(xiàn)有打入樁豎向承載力設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷史及其數(shù)據(jù)庫(kù)研究現(xiàn)狀，并詳細(xì)介紹了ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)組成及數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果。數(shù)據(jù)庫(kù)研究表明，ICP-05和UWA-05設(shè)計(jì)方法的預(yù)測(cè)效果最好，計(jì)算的誤差和變異系數(shù)均比較??；API方法的預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)保守，變異系數(shù)COV也比較大，預(yù)測(cè)效果不是特別理想；Fugro-05法和NGI-05法均高估了樁的承載能力，且變異系數(shù)要明顯大于ICP-05和UWA-05設(shè)計(jì)方法。

除了本文提到的樁總承載力的數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果之外，樁的時(shí)間效應(yīng)、樁端開(kāi)閉口情況、開(kāi)口樁徑壁比D/t、加載類型(抗壓、抗拔)和樁身材料等因素對(duì)打入樁的豎向承載力有著重要影響，YANG et al[23-24]和郭望波[25]利用ZJU-ICL砂土數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)樁的總承載力Qt、樁側(cè)摩阻力Qs及樁端阻力Qb隨休止時(shí)間、樁的直徑D、樁的長(zhǎng)細(xì)比D/L、樁身材料和開(kāi)口樁徑壁比D/t等因素的變化趨勢(shì)進(jìn)行了深入研究，并對(duì)本文提到的5種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了更為全面且客觀的評(píng)價(jià)，限于篇幅本文對(duì)這些內(nèi)容不再贅述，感興趣的讀者可以閱讀以上參考文獻(xiàn)了解相關(guān)內(nèi)容。