基于標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)的樁基軸向承載力估算

龔曉怡，鄧振洲，李存興，王娜娜，姜寧林

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060)

樁基軸向承載力的確定是高樁碼頭設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一，直接關(guān)系結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。目前，預(yù)估樁基軸向承載力方法主要可分為試驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法兩種。海外項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，往往沒有附近項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可供參考，且設(shè)計(jì)前也沒有相應(yīng)的樁基荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)地質(zhì)勘察報(bào)告過于簡單、沒有室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、也缺乏樁基軸向承載力計(jì)算的相應(yīng)指標(biāo)，基于中國規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)又得不到咨詢工程師的認(rèn)可，因此迫切需要尋求一種既能符合工程地質(zhì)特性又能得到國際咨工認(rèn)可的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法。而標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗(yàn)(即標(biāo)貫試驗(yàn)SPT)，作為最常用的現(xiàn)場原位測(cè)試方法，其成果標(biāo)貫擊數(shù)可以直觀反映土層特性的指標(biāo)，因此基于SPT的樁基軸向承載力設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文依托印尼某工程，基于英標(biāo)SPT的樁基軸向承載力經(jīng)驗(yàn)方法確定樁長，對(duì)其主要計(jì)算參數(shù)取值進(jìn)行探討分析，并將驗(yàn)證性靜載試驗(yàn)和現(xiàn)場PDA試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)其參數(shù)取值的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，可供類似工程參考。

1 基于SPT的樁基承載力計(jì)算方法及主要參數(shù)取值分析

英國標(biāo)準(zhǔn)BS 8004：2015Codeofpracticeforfoundations[1]推薦樁基軸向承載力特征值Rc，k計(jì)算公式為：

Rc，k=Rs，k+Rb，k

(1)

式中：Rs，k為總的樁側(cè)摩阻力特征值；Rb，k為樁端摩阻力特征值。

(2)

(3)

式中：As，j為樁基總的圓周周長；qs，j為根據(jù)土體參數(shù)計(jì)算的第j層單元土體平均樁側(cè)摩阻力；Ab為樁基截面面積；qb為單元土體樁端摩阻力；rR，d為模型系數(shù)，若采用概率極限法計(jì)算樁基軸向承載力時(shí)，該值為分項(xiàng)系數(shù)，采用安全系數(shù)法計(jì)算時(shí)，該值可取2.0～3.0。

BS 8004規(guī)范給出了SPT法與單位側(cè)摩阻力和端阻力換算公式。

單位側(cè)摩阻力：

qs，j=ns，j·pref·Nj

(4)

單位端阻力：

qb，0.1=nb，0.1·pref·Nb

(5)

式中：ns，j為第j層土體的單位面積極限側(cè)摩阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；nb，0.1為土體的單位面積極限樁端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Nj為第j層土體未經(jīng)校正的實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)，pref為100 kPa；Nb為樁端未經(jīng)校正的實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ns和nb，0.1根據(jù)土體類型不同取值見表1。

表1 不同土體類型的ns、nb，0.1經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值

從表1可以看出，對(duì)于中密砂土，即標(biāo)貫擊數(shù)N值在10～30擊，以標(biāo)貫擊數(shù)N=30擊為例，利用英標(biāo)BS 8004計(jì)算的打入樁單位土體極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qb，0.1=(290～480)N=8 700～14 400 kPa，而中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中，對(duì)于打入樁當(dāng)土層埋深大于30 m，最大推薦值僅為3 690 kPa，與英標(biāo)計(jì)算值相差較大，主要原因?yàn)橛?biāo)中規(guī)定樁尖位移須達(dá)到樁徑的10%可取其參考值，即只有較大的樁尖位移才能發(fā)揮全部的端部承載力。而實(shí)際工程中，樁尖軸向位移均較小，很難達(dá)到樁徑的10%。樁尖軸向位移與端阻力取值的關(guān)系在規(guī)范中未給出說明。因此，如何選取樁端阻力系數(shù)是英標(biāo)SPT方法計(jì)算樁基軸向承載力的關(guān)鍵問題。

為此，筆者收集國內(nèi)外的相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)資料[3-5]，總結(jié)相關(guān)應(yīng)用和規(guī)范基于SPT計(jì)算樁基軸向承載力的公式，見表2。

表2 SPT方法預(yù)測(cè)樁基軸向承載力與單位面積極限側(cè)摩阻力和端阻力經(jīng)驗(yàn)公式

從表2可以看出，單位面積極限側(cè)摩阻力和端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值范圍較為寬泛，對(duì)于打入樁而言，側(cè)摩阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ns=1～4，該值取值與英標(biāo)BS 8004差別不大，英標(biāo)只是根據(jù)土體的分類更為細(xì)化具體。但關(guān)于端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)nb，其余學(xué)者給出的建議系數(shù)均在100～325范圍內(nèi)，對(duì)于打入樁，英標(biāo)BS 8004中nb，0.1黏土經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(換算成kPa)為95～160，粉土經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為110～260，均差別不大。但英標(biāo)中nb，0.1砂土經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(換算成kPa)為290～480，該值與其他學(xué)者建議方法相比明顯偏大。

GeotechnicalandFoundationDesignConsiderations(ISO 19901-4：2016)[6]中規(guī)定，對(duì)于砂土和黏土，可發(fā)揮的樁端承載力和計(jì)算的所有樁端承載力Qp的換算關(guān)系可參照?qǐng)D1推薦曲線。

圖1 樁尖荷載Q-位移z 曲線

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)圖1中的曲線數(shù)據(jù)，可擬合得到x=zD在(0，1)區(qū)間內(nèi)的y=QQp與x關(guān)系式：

y=2.286 4x0.354 3(R2=0.999 8)

(6)

式中：x=zD；y=QQp；z為樁尖豎向位移；D為樁直徑；Q為可發(fā)揮的樁端承載力；Qp為計(jì)算的所有樁端承載力，當(dāng)樁尖位移達(dá)到直徑的0.1時(shí)，其可全部發(fā)揮，但樁端總的承載力Qp不應(yīng)超過樁內(nèi)塞的承載力。

因此，采用英標(biāo)SPT法計(jì)算樁基軸向承載力時(shí)，換算單位面積極限側(cè)摩擦阻力和端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值確定非常關(guān)鍵，值得研究。特別是砂土中樁端摩阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值，若直接采用英標(biāo)BS 8004中的推薦取值，計(jì)算結(jié)果偏不利。本文將進(jìn)一步結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)其參數(shù)取值進(jìn)行研究分析。

2 工程實(shí)例分析及應(yīng)用

印度尼西亞某項(xiàng)目位于南蘇門答臘省，擬建1個(gè)5萬DWT散貨泊位、1個(gè)2.5萬DWT散貨泊位和4個(gè)7 600 DWT集裝箱泊位。碼頭總長560 m、寬度50 m，雙側(cè)靠泊，碼頭上考慮集裝箱堆箱作業(yè)，碼頭布置在-14.5 m附近。碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，樁基為PHC樁，樁基軸向承載力安全系數(shù)不小于2.0。碼頭樁基軸向承載力計(jì)算采用基于SPT的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)本工程勘察報(bào)告[7]揭示，勘區(qū)地層主要為第四系海相沉積物覆蓋層，上部為淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，中部為中密的粉細(xì)砂層或可塑性粉質(zhì)黏土，下部為厚層硬塑狀粉質(zhì)黏土。碼頭區(qū)、連接平臺(tái)和引橋處的典型地質(zhì)剖面見圖2。其中鉆探底部揭示⑤少量砂質(zhì)黏土層，分布連續(xù)穩(wěn)定，層厚較大，可作為樁基持力層。另外④3和④4中密狀、密實(shí)狀黏土質(zhì)砂層和④少量砂質(zhì)黏土連續(xù)分布時(shí)也可選作持力層。

圖2 典型地質(zhì)剖面(高程，深度：m)

表3 工程區(qū)域鉆孔地層揭示

2.2 結(jié)構(gòu)斷面形式及碼頭設(shè)計(jì)樁力

碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖3，碼頭面上主要荷載為：1)自重。2)均載。除集裝箱堆箱區(qū)域?yàn)?0 kPa外，其余區(qū)域堆載均為20 kPa。3)裝卸機(jī)械荷載。海側(cè)為2臺(tái)岸橋設(shè)備，軌距18 m，基距18 m，輪數(shù)40個(gè)，輪距1.2 m，最大輪壓480 kN。岸側(cè)為多用途門機(jī)1臺(tái)，軌距10.5 m，基距10 m，輪數(shù)16個(gè)，輪距1.2 m，最大輪壓500 kN。4)移動(dòng)機(jī)械荷載。40 ft集裝箱牽引車+半掛車荷載，70 t汽車吊，30 t汽車和7 t空箱堆高機(jī)。

碼頭結(jié)構(gòu)采用Autodesk Robot Structural Analysis 2014計(jì)算，三維模型見圖4。其中橫縱梁采用桿單元模擬，面板采用shell單元，樁基底部用豎向彈簧模擬，荷載作用下碼頭樁尖豎向變位為5 mm，該值僅為樁徑的5‰。經(jīng)計(jì)算，碼頭和連接平臺(tái)正常使用極限狀態(tài)(SLS)樁基軸向承載力特征值最大為3 837、3 655 kN。

2.3 SPT法參數(shù)取值及樁基軸向承載力預(yù)估

根據(jù)上述相關(guān)分析，當(dāng)PHC樁樁端持力層位于砂土?xí)r，按照英標(biāo)推薦樁端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)明顯偏大，對(duì)工程安全設(shè)計(jì)不利。故可參考ISO 19901-4：2016標(biāo)準(zhǔn)的推薦曲線進(jìn)行折減，考慮砂土中實(shí)際可發(fā)揮的端阻力。根據(jù)擬合式(6)，基于以上變位計(jì)算結(jié)果，計(jì)算得出QQp=0.32，將英標(biāo)規(guī)范中推薦值nb，0.1乘以該折減系數(shù)并取中值，得到nb=1.3，且該值在學(xué)者給出的砂土打入樁樁端阻中系數(shù)范圍內(nèi)。當(dāng)PHC樁樁端持力層位于黏土?xí)r，按照英標(biāo)端阻推薦經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算所得單位土體極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值與國標(biāo)推薦值較為接近，且英標(biāo)中該經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值與不同學(xué)者給出的推薦值相差不大。故樁長預(yù)估時(shí)該經(jīng)驗(yàn)系數(shù)暫按中值考慮?？紤]其不確定性，不同土質(zhì)的單位面積極限側(cè)摩阻力經(jīng)驗(yàn)值均取英標(biāo)推薦系數(shù)的中值，最終本工程利用英標(biāo)BS 8004 計(jì)算PHC樁基軸向承載力時(shí)，其關(guān)鍵參數(shù)取值見表4。

表4 不同土體類型下打入樁的單位面積極限側(cè)摩阻和端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

1)樁端持力層為黏土。以連接平臺(tái)處鉆孔BH25為例，基于英標(biāo)BS 8004計(jì)算的樁側(cè)摩阻力、樁端阻力及總的樁基軸向承載力，其值隨入土深度的變化曲線見圖5a)。當(dāng)樁基入土深度為45 m時(shí)，此時(shí)樁端進(jìn)入持力層④少量砂質(zhì)黏土約9.6 m，樁基軸向承載力特征值為4 022 kN> 3 655 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)樁端持力層為砂土。以碼頭區(qū)JBH09孔為例，樁側(cè)摩阻力、樁端阻力及總的樁基軸向承載力計(jì)算值隨入土深度的變化曲線見圖5b)?？紤]2倍的安全系數(shù)，當(dāng)樁基入土深度為50 m時(shí)，樁端進(jìn)入持力層④3黏土質(zhì)砂約4.71 m，樁基軸向承載力特征值為4 121 kN> 3 837 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 樁基軸向承載力隨入土深度變化曲線

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與理論計(jì)算對(duì)比分析

為驗(yàn)證樁基軸向承載力計(jì)算結(jié)果及參數(shù)選取的合理性問題，本項(xiàng)目選取連接平臺(tái)BH25孔處開展樁基靜載及動(dòng)載試驗(yàn)，碼頭區(qū)JBH09孔處做PDA動(dòng)載試驗(yàn)。

3.1 樁端持力層為黏性土

1)靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)采用錨樁反力梁多循環(huán)加載法。根據(jù)本項(xiàng)目靜載試驗(yàn)報(bào)告[8]可知，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到8 072 kN時(shí)，樁的累計(jì)沉降量為34.13 mm，加載過程中無明顯陡降，說明樁基檢測(cè)極限承載力不低于8 072 kN。

2)PDA動(dòng)載試驗(yàn)。根據(jù)本項(xiàng)目PDA試驗(yàn)結(jié)果[9]，實(shí)測(cè)該樁的總承載力為9 328 kN，其中側(cè)摩阻力極限值為8 151 kN，端阻力極限值為1 178 kN。本文基于BS 8004規(guī)范計(jì)算得到的樁側(cè)摩阻力極限值為6 319 kN，端阻力極限值為1 726 kN，樁的總承載力為8 044 kN。通過樁基靜載與動(dòng)載試驗(yàn)可知，本文依據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)計(jì)算得出的樁基軸向承載力滿足樁基使用要求，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

3.2 樁端持力層為砂土

樁基沉樁后，現(xiàn)場對(duì)A-1a(JBH09孔處)進(jìn)行實(shí)測(cè)PDA試驗(yàn)，據(jù)試驗(yàn)報(bào)告[10]可知，該樁總的側(cè)摩阻力極限值為6 209 kN，端阻力極限值為1 962.5 kN，樁的總承載力為8 172 kN。本文基于BS 8004規(guī)范計(jì)算得到的樁側(cè)摩阻力極限值為5 608 kN，端阻力極限值為2 635 kN，樁的總承載力為8 243 kN，與實(shí)測(cè)PDA試驗(yàn)相差不大，見表5，說明理論計(jì)算的參數(shù)選取較為合理。

表5 不同土層的樁基承載力對(duì)比

經(jīng)過對(duì)比分析可知，基于SPT的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法預(yù)估承載力與荷載試驗(yàn)大體接近，總體而言，樁側(cè)承載力預(yù)估略低，偏于保守；但同時(shí)，樁端承載力預(yù)估偏高25%～35%，主要原因?yàn)楸卷?xiàng)目試驗(yàn)樁基同時(shí)作為工程樁，樁端位移較小，未達(dá)到臨界破壞，樁端承載力不能充分發(fā)揮。

4 結(jié)語

1)當(dāng)工程前期地質(zhì)資料缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，基于SPT計(jì)算樁基軸向承載力可作為前期預(yù)估樁長的較好方法，特別是對(duì)海外工程前期地質(zhì)資料稀少進(jìn)行投資估算具有一定的參考意義。

2)基于英標(biāo)BS 8004：2015計(jì)算樁基軸向承載力時(shí)，換算單位面積極限側(cè)摩阻力和端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值非常關(guān)鍵，英標(biāo)中根據(jù)土體和樁基類型不同，側(cè)摩阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)建議取值ns=1～4，與目前其他學(xué)者的建議值相差不大，但端阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)nb，0.1規(guī)范建議值，須樁尖位移達(dá)到樁徑的0.1倍才能全部發(fā)揮，但由于實(shí)際工程中樁尖豎向位移均較小，故須進(jìn)行折減。特別是規(guī)范中給出的砂土端阻經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與其他學(xué)者建議值相比偏大，實(shí)際工程計(jì)算時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選取。

3)本文利用現(xiàn)場靜載試驗(yàn)和PDA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了本工程樁基軸向承載力計(jì)算時(shí)參數(shù)的合理性?；谟?biāo)計(jì)算參數(shù)選取時(shí)，對(duì)于砂土端阻經(jīng)驗(yàn)系數(shù)須進(jìn)行折減，而黏土經(jīng)驗(yàn)系數(shù)不須折減較為合理。對(duì)于本工程而言，PHC樁單位側(cè)摩阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ns取0.024(黏土)、0.038(砂土)，單位端摩阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)nb取1.3較為合理，但由于不同工程土體地質(zhì)條件差別較大，故該經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值仍須根據(jù)地區(qū)及土體分類等進(jìn)行進(jìn)一步積累總結(jié)。