基于反分析方法的靜壓樁復壓力時效性研究

鄧通發(fā)，曾峻雄，趙仲芳

（1.江西理工大學，a.建筑與測繪工程學院；b.資源與環(huán)境工程學院，江西贛州341000；2.江西省贛南公路勘察設計院，江西贛州341000）

基于反分析方法的靜壓樁復壓力時效性研究

鄧通發(fā)1a，曾峻雄2，趙仲芳1b

（1.江西理工大學，a.建筑與測繪工程學院；b.資源與環(huán)境工程學院，江西贛州341000；2.江西省贛南公路勘察設計院，江西贛州341000）

用優(yōu)化方法對前人得出的靜壓樁復壓力時效性增長曲線進行參數(shù)反演，確定反分析目標函數(shù)，通過工程試驗檢測數(shù)據(jù)的驗證分析，認為根據(jù)反演所得增長曲線可用于估算其他施工方法、樁長、直徑、場地地質(zhì)等相似條件下的靜壓樁復壓力增長，其結(jié)果可為靜壓樁設計及施工提供有益參考.

靜壓樁；反分析；復壓力；時效性

0 引言

相對打樁而言，靜壓預制樁無噪音、無振動,沉樁時樁身不出現(xiàn)動應力，因而可降低樁身混凝土強度等級和減少配筋.相對灌注樁而言，靜壓預制樁無泥漿等污染，預制樁體的質(zhì)量更可靠，沉樁時還可以直接顯示壓樁力（沉樁阻力），用于更合理地確定靜壓樁的復壓力和樁長.基于上述優(yōu)點，并隨著壓樁機壓樁能力的提升，靜壓樁在沿海軟土地區(qū)以及人口密集的大城市得以廣泛應用.

靜壓樁貫入土層時，樁位處土體被擠裂，樁周土體被重塑、擾動，原土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，改變了其工程性質(zhì)，樁周土體的應力狀態(tài)也發(fā)生改變.靜壓樁沉樁后，樁周土體中產(chǎn)生的超孔隙水壓力會消散，土體再固結(jié)，其有效應力增大；重塑土體觸變恢復，樁周土體的抗剪強度增加；樁周土體固結(jié)和觸變恢復，會在樁周形成一土體硬殼層，該硬殼層的抗剪強度高于周圍土體的抗剪強度，在樁體受到豎向荷載作用時，該硬殼層粘附于樁體一起移動，樁-土剪切面發(fā)生于該硬殼層外，增大了側(cè)表面摩擦面積，從而提高樁的復壓力.因此，靜壓樁復壓力具有時效性，其時效性是土體觸變恢復時效和固結(jié)時效的反映.

靜壓樁終壓時，可以很方便地獲知最終壓樁力，即知道研究靜壓樁時間效應這一問題中時間為零時的極限荷載；而且，靜力壓樁機一般能自行移動，可以方便地間隔一定時間對已壓樁進行重復施壓，獲得任意時刻的復壓力（相當于極限荷載）.這使得研究靜壓樁復壓力時間效應比打入樁等更方便.工程實踐中，合理估計樁的復壓力對優(yōu)化設計和節(jié)省工程投資具有重要的意義.文中根據(jù)靜壓樁終壓力與復壓力數(shù)據(jù)反分析其復壓力增長曲線參數(shù)，研究靜壓樁復壓力的時效性[1-2].

1 靜壓樁復壓力時效性反分析

1.1 復壓力增長曲線

李雄等[3]根據(jù)打入樁不同時間間隔的靜載荷試驗結(jié)果，推導出的經(jīng)驗公式表明樁復壓力呈雙曲線增長.張明義等[4-5]進行了樁-土滑動摩擦試驗研究，認為樁-土摩阻力的提高與土體的觸變恢復規(guī)律基本相同，符合雙曲線增長規(guī)律.張明義等[4]研究了靜壓樁復壓力的時效性，復壓試驗和靜載荷試驗數(shù)據(jù)曲線圖亦為雙曲線.因此，靜壓樁復壓力增長曲線一般表示為：

式（1）中：ηut為靜壓樁極限復壓力提高的百分數(shù)/%，t為樁設置后的時間/d，a、b為常數(shù).

于是，可推算出不同時刻靜壓樁的極限復壓力，即

式（2）中：Qut為靜壓樁在復壓時刻的極限復壓力/kN，Q0為靜壓樁施工時的最終壓樁力/kN，ηut由式（1）確定.

1.2 反分析目標函數(shù)的確定和檢驗

用優(yōu)化方法[6-7]進行靜壓樁復壓力時效性增長曲線參數(shù)反演，實質(zhì)就是尋找一組待反演的參數(shù)，使根據(jù)反演所得的靜壓樁復壓力時效性增長曲線計算的復壓力與現(xiàn)場復壓得到的實測值逼近.將公式（1）代入公式（2），并進行整理

實際工程中，由于靜壓樁樁周土體的觸變恢復和固結(jié)，其復壓力一般表現(xiàn)為增大的特性，也就是說，靜壓樁復壓力增長曲線函數(shù)，即公式（1）為單調(diào)遞增函數(shù).并且，公式（1）中，t→∞此，反演參數(shù)應為正值.目標函數(shù)取為

式（5）中，x為待反演參數(shù)，x=[a b]T；Si（x）為由終壓力和復壓力變換來的新參量；為靜壓樁第i個復

壓力的實測值；N為復壓數(shù)；ni為第i根樁復壓次數(shù).

采用反分析預測靜壓樁復壓力增長規(guī)律的擬合效果可以用均方根誤差RMSE(Root mean square error)、模型效率EF(Modelling efficiency)進行檢驗[8-10]，計算公式為式（6）、（7）.

RMES（%）表示觀測值yi和預測值間差異相對于觀測值平均數(shù)yˉ的百分比（分子）,其大小反映所用模型擬合時的相對誤差.RMES（%）值越小,表示模擬越精確.

EF是評價模擬精確度的標準統(tǒng)計值.顯然EF越接近1越好,取值范圍為[0,1].

2 工程實例驗證

分別取文獻[11]、文獻[12]的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，實測靜壓樁終壓力和復壓力數(shù)據(jù)見表1、表2.

表1 實測填土靜壓管樁最終壓樁力及復壓數(shù)據(jù)

表2 實測深厚軟土靜壓開口管樁最終壓樁力及復壓數(shù)據(jù)

由于該反演問題是帶約束條件的線性最小二乘問題，用Matlab求解反演參數(shù).采用表1、表2中1#、2#、3#樁的實測最終壓樁力與不同時間的復壓力進行參數(shù)反演，得到對應的復壓力增長曲線.靜壓樁復壓力增長曲線與實測離散數(shù)據(jù)點的比較如圖1、圖2所示，RMSE分別為6.98%、4.79%，EF分別為0.936、0.978擬合效果較好.

圖1 填土靜壓管樁復壓力增長曲線

圖2 深厚軟土靜壓管樁復壓力增長曲線

為再次驗證基于反分析確定靜壓樁復壓力的可行性.在江西贛州某粉質(zhì)粘土靜壓樁工程中，根據(jù)兩組實測終壓力和復壓力數(shù)據(jù)（見表3）進行參數(shù)反演，得到對應的復壓力增長曲線（見圖3）.用反演參數(shù)對應的靜壓樁復壓力增長曲線對3＃樁復壓力增長情況進行檢驗，如圖4所示，說明用較少的試樁基于反分析方法確定靜壓樁復壓力增長情況，再對其它樁的復壓力增長進行估計，是可行的.

表3 試驗樁的最終壓樁力及復壓情況

圖3 試驗靜壓樁復壓力增長曲線

圖4 靜壓樁復壓力增長規(guī)律驗證

由于不同樁的長度不同，樁直徑、樁型有時也不同，樁位處的土層存在差異等方面的原因，用一個場地反演曲線估算另一個場地的靜壓樁復壓力增長情況，可能不準.并且，有時在同一個場地，由于土層差異大等因素影響，實測數(shù)據(jù)太離散，復壓力增長曲線規(guī)律性也不顯著.但這種方法對相近情況下，估算靜壓樁復壓力增長是有指導意義的.

3 結(jié)論

（1）文中1#至3#樁樁的實測數(shù)據(jù)表明，靜壓樁的復壓力具有時效性.

（2）實測數(shù)據(jù)分析也表明，用靜壓樁的壓樁數(shù)據(jù)進行其復壓力的時效性研究是可行的.反演參數(shù)確定的靜壓樁復壓力增長曲線可用于估算其它靜壓樁的復壓力增長情況，但場地差異可能會影響估算的準確性，需要更多的實測數(shù)據(jù)進行進一步的研究.

（3）靜壓樁的終壓力和復壓起動壓樁力與靜載荷試驗確定的樁承載力是不同的，它們之間的關(guān)系應該作更深入地研究.

[1]羅嗣海，鄧通發(fā).地基承載力計算中強度指標的理論分析[J].江西理工大學學報，2007，28(1)：1-6.

[2]劉曉紅，鄧友生.確定單樁水平承載力的數(shù)解法[J].南方冶金學院學報，2003，24(4)：21-28.

[3]李雄，劉金礪.飽和軟土中預制樁承載力時效的研究[J].巖土工程學報，1992，14(4)：9-16.

[4]張明義，鄧安福.樁-土滑動摩擦的試驗研究[J].巖土力學，2002，23(2)：246-249.

[5]張明義，時偉，王崇革，等.靜壓樁極限承載力的時效性[J].巖石力學與工程學報，2002，21(增2)：2601-2604.

[6]樊向陽.靜壓樁施工沉樁阻力及沉樁擠土效應研究[D].上海：同濟大學，2007.

[7]鹿群，孫曉東，張建新.靜壓樁與天津濱海新區(qū)土體滑動摩擦的試驗研究[J].科技通報，2011，27(1)：79-83.

[8]周鴻飛，陳志斌，關(guān)欣.評價回歸模型擬合效果的數(shù)量化方法[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2001，32(6)：455-458.

[9]胡波，肖元清，王釗.土-水特征曲線方程參數(shù)和擬合效果研究[J].三峽大學學報：自然科學版，2005，27(1)：31-33.

[10]魏玉業(yè)，趙鳳陽.曲線最佳擬合的評價標準[J].測繪科學，2010，35(1)：194-196.

[11]張明義，劉俊偉，張忠苗，等.基于隔時復壓試驗的靜壓樁優(yōu)化設計方法[J].巖土工程學報，2010，32(2)：320-324.

[12]王戍平.深厚軟土中PHC長樁的時效性試驗研究[J].巖土工程學報，2003，25(2)：239-241.

Time effect study of jacked piles re-pressure based on anti-analysis method

DENG Tong-fa1a,ZENG Jun-xiong2,ZHAO Zhong-fang1b
(1.Jiangxi University of Science and Technology,a.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering;b.School of Resource andEnvironmental Engineering,Ganzhou 341000,China;2.Jiangxi Province Gannan Highway Surveying and Designing Institute,Ganzhou 341000,China)

Parametric inversion is conducted for growth curve of the jacked pile re-pressure.Then the target function used for anti-analysis is determined.Through verification analysis on testing data in engineering,it is proved that the growth curve obtained by parametric inversion can be used to estimate the re-pressure growth of statically pressure piles with similar geological conditions,construction methods,pile length and pile diameter.The results of this paper are instructive and constructive to the jacked pile design and construction.

statically pressed pile(jacked pile);Anti-analysis;re-pressure;time effect

TU473.1

A

2011-12-20

江西省教育廳科技資助項目（GJJ10486）

鄧通發(fā)（1980-），男，碩士，講師，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail：dbdtf@163.com.

2095-3046（2012）03-0026-04