經(jīng)驗(yàn)法與試樁法的單樁承載力對(duì)比研究

佟 弢，肖雄丙

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津，300220）

引言

現(xiàn)今，在水運(yùn)工程建設(shè)中，對(duì)地基變形與承載力要求較高的場(chǎng)地多采用樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。對(duì)于勘察檢測(cè)工程師而言，確定本場(chǎng)地的樁基參數(shù)和單樁的軸向極限承載力Qk是否符合工程設(shè)計(jì)施工的要求，是工作中的重中之重。勘察和檢測(cè)工作中主要有兩種手段確定樁基參數(shù)和Qk：一是依據(jù)規(guī)范與地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法，二是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)的試樁法。國(guó)標(biāo)規(guī)范中明確規(guī)定：“勘察報(bào)告中應(yīng)對(duì)有關(guān)巖土層基樁的側(cè)摩阻力和端阻力進(jìn)行提供[1]”，這就要求勘察檢測(cè)單位依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)給出適宜的參數(shù)與估算值。試樁法檢測(cè)Qk的方法主要包括單樁的靜載荷試驗(yàn)與高應(yīng)變?cè)囼?yàn)，其中靜載荷試驗(yàn)所得數(shù)值相對(duì)比較準(zhǔn)確可靠。

本文旨在通過(guò)對(duì)Qk的確定方法進(jìn)行比較研究，提升工程整體的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性，服務(wù)后期樁基設(shè)計(jì)施工。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

天津港某液體化工碼頭工程，位于天津南港工業(yè)區(qū)，擬使用預(yù)制樁進(jìn)行施工，碼頭基礎(chǔ)擬使用的樁型為邊長(zhǎng)為0.65 m 的混凝土方型樁。勘察檢測(cè)工程師在具有勘察代表性的區(qū)域中的鉆孔S95 附近的海上進(jìn)行了試驗(yàn)樁的靜載荷試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中得出的Qk實(shí)測(cè)值與勘察報(bào)告中依照規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法提供的Qk估算值進(jìn)行對(duì)比研究。

1.2 試樁區(qū)域內(nèi)土層的性質(zhì)參數(shù)[2]

試樁區(qū)域位于工業(yè)區(qū)西港池南部，獨(dú)流減河入?？谀蟼?cè)，屬于華北平原東部濱海平原地貌，為淤泥質(zhì)平原海岸。

本工程試樁區(qū)域范圍內(nèi)的地形與地貌的基本特征以堆積地貌為主，顆粒組成以淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土與粉細(xì)砂等細(xì)顆粒為主。試樁區(qū)域內(nèi)各土層的性質(zhì)特點(diǎn)列表1[3]。

表1 試樁區(qū)域內(nèi)各土層性質(zhì)特點(diǎn)

勘察過(guò)程表明，試樁區(qū)域內(nèi)的土層分布較規(guī)律，土的工程性質(zhì)特點(diǎn)依次表現(xiàn)出上部松軟，下部可塑或中密～密實(shí)的宏觀趨勢(shì)[4]。結(jié)合本工程室內(nèi)土工試驗(yàn)的資料數(shù)據(jù)，勘察工程師對(duì)試樁區(qū)域內(nèi)的黏性土層進(jìn)行了分層OCR（超固結(jié)比）統(tǒng)計(jì)。結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果與已有工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)各土層進(jìn)行了應(yīng)力歷史分析，分析結(jié)果顯示：②1淤泥和②2淤泥質(zhì)粘土為欠固結(jié)土層，②3粘土、②4粘性土混碎貝殼及③3粘土均為正常固結(jié)土層，④1粉質(zhì)粘土為超固結(jié)土層。

勘察階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)外業(yè)的鉆探資料、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試的成果及土工試驗(yàn)的成果資料，對(duì)各土層的性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、分析，依據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167-2018），結(jié)合本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，提供了試樁區(qū)域范圍內(nèi)土層的指標(biāo)和預(yù)應(yīng)力方樁的樁基參數(shù)，如表2 所示。

表2 試樁區(qū)域內(nèi)土層物理指標(biāo)與預(yù)應(yīng)力方樁樁基參數(shù)

2 規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法Qk 的估算值[5]

本次工程試樁試驗(yàn)在S95 鉆孔區(qū)域的附近，共布置靜載試驗(yàn)樁2 根，樁號(hào)為S1、S3，樁型均為邊長(zhǎng)為0.65 m 的混凝土方型樁，樁頂高程為+5.00 m，S1 樁端高程-25.01 m，S1 樁端高程-28.01 m,S95 鉆孔孔口高程+0.69 m。由上述數(shù)據(jù)可知，S1 樁入土25.7 m，S3 樁入土28.7 m。Qk的估算公式如下：

式中：

U—樁身截面外周長(zhǎng)（m）；

qfi—樁周土層的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），本次計(jì)算取用表2 中數(shù)值；

li—樁身穿過(guò)第i 層土的長(zhǎng)度（m）；

η—樁端的承載力折減系數(shù)，本次計(jì)算依照規(guī)范取值1.0；

qR—單樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），本次計(jì)算取用表2 中數(shù)值；

A—樁端外周面積（m2）。

結(jié)合表1 所示信息以及兩樁的入土深度，考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響，軸向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算值見(jiàn)表3。

表3 樁基Qk 估算成果表

3 靜載試驗(yàn)法中Qk 的實(shí)測(cè)值[6]

3.1 試驗(yàn)方法

本次海上的樁基靜載試驗(yàn)依據(jù)使用錨樁法進(jìn)行，需要前期進(jìn)行沉樁工作的包括試驗(yàn)樁、錨樁及基準(zhǔn)樁。主梁和次梁架分別設(shè)在錨樁上，兩者呈工字型排布。

本次軸向靜載荷試驗(yàn)設(shè)備主要由提供反力設(shè)備、加卸載設(shè)備以及測(cè)量讀數(shù)設(shè)備構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備圖

本次試樁試驗(yàn)為海上進(jìn)行，使用快速法對(duì)所加荷載進(jìn)行保持，每一次加載的持續(xù)時(shí)間為60 min。在增加荷載的過(guò)程中，每次荷載的增量相等，本次試驗(yàn)預(yù)估的最大加載量取設(shè)計(jì)荷載5 000 kN，每次的荷載增量為設(shè)計(jì)荷載的十分之一,本次試驗(yàn)中取500 kN，首次的荷載增量取1 000 kN；在卸載的過(guò)程中，每次的卸載量相等，每次的卸載量為加載時(shí)的兩倍，本次試驗(yàn)中取1 000 kN。

本次試驗(yàn)沉降量的測(cè)讀時(shí)間均是每次加載之后與卸載之后的第5、15、30、60 min。[7]

3.2 試驗(yàn)成果

本次工程兩試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)載荷要求≥5 000 kN，對(duì)S1 樁加荷至設(shè)計(jì)荷載5 000 kN，在S3 樁處繼續(xù)加荷至8 000 kN 進(jìn)行對(duì)比，S1、S3 樁的靜載試驗(yàn)Q-S曲線見(jiàn)圖2。

圖2 樁基靜載試驗(yàn)Q-S 曲線

由上可以得知，兩條Q-S 曲線都較為平緩，并未呈現(xiàn)較為明顯的折點(diǎn)或陡降，在達(dá)到預(yù)定荷載之后，兩樁的樁身均未發(fā)生破壞，單樁的軸向承載力均滿足設(shè)計(jì)荷載≥5 000 kN 的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)成果列表見(jiàn)表4。

表4 樁基靜載試驗(yàn)成果表

4 對(duì)比分析

結(jié)合上述表3、表4 成果數(shù)據(jù)可以得知，S1 樁的軸向承載力估算值與試驗(yàn)中得到的結(jié)果相差553 kN，占估算值整體的12.4 %。S3 樁的估算值與試驗(yàn)值相差較大，考慮到兩樁樁身均未發(fā)生破壞，其單樁的軸向承載力仍有發(fā)揮的空間，為了深入研究其中的差異原因，本次試樁試驗(yàn)增加了樁身軸力測(cè)試，在兩樁的樁身位置布置了應(yīng)變式傳感器裝置。在本次靜載試驗(yàn)的過(guò)程中，在試驗(yàn)樁身受最大載荷的條件下，測(cè)試試驗(yàn)樁的側(cè)摩阻力qf與樁端阻力qR，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本次勘察報(bào)告中使用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法提出的樁基參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比研究。在S1 受最大載荷5 000 kN 與S3 受最大荷載8 000 kN的條件下，兩試驗(yàn)樁的qf與qR的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表5。

表5 樁身軸力實(shí)測(cè)值一覽表

由表5 成果對(duì)比表2，我們不難得出結(jié)論：試驗(yàn)樁的qf與qR仍有發(fā)揮的空間。前文的應(yīng)力歷史分析表明：上部樁側(cè)黏性土呈欠固結(jié)～正常固結(jié)狀態(tài)，底部黏性土為超固結(jié)土。對(duì)比S1 樁與S3 樁qf與qR的實(shí)測(cè)數(shù)值，結(jié)合樁側(cè)土的應(yīng)力歷史[8]，對(duì)qf的實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，S3 樁在達(dá)到設(shè)計(jì)荷載5 000 kN后，繼續(xù)加載至8 000 kN，上部黏性土與粉土，受附加應(yīng)力的影響，局部繼續(xù)排水固結(jié)，對(duì)樁身的負(fù)摩阻力顯著增大，導(dǎo)致繼續(xù)加載時(shí)樁側(cè)的qf呈降低的趨勢(shì)，對(duì)于樁底附近土層，固結(jié)度較高，土質(zhì)較密實(shí)，受附加應(yīng)力固結(jié)作用不明顯，繼續(xù)加載時(shí)樁側(cè)的qf呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)；對(duì)qR的實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，粉細(xì)砂層工程地質(zhì)性質(zhì)較好，整體呈密實(shí)狀，在繼續(xù)加載時(shí)的端阻力提升明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

水運(yùn)港口工程中單樁的軸向承載力Qk是影響樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工安全性與經(jīng)濟(jì)性的決定性參數(shù)。結(jié)合本次工程實(shí)例，詳細(xì)闡明了單樁軸向承載力數(shù)值在經(jīng)驗(yàn)規(guī)范法與試樁法中存在較大差異?？辈鞕z測(cè)工作中，使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)范法估算Qk時(shí)，針對(duì)不同的土層，除規(guī)范中的數(shù)值和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)外，還應(yīng)根據(jù)其應(yīng)力歷史，對(duì)樁基參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在勘察過(guò)程中，不應(yīng)局限于鉆探與土工試驗(yàn)，應(yīng)豐富和加強(qiáng)原位測(cè)試手段，使用多種原位測(cè)試、野外鉆探及土工試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行勘察工作。需把勘察與試樁工作互相結(jié)合起來(lái)，明確靜載荷試驗(yàn)成果在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工中的重要性，多對(duì)勘察報(bào)告中經(jīng)驗(yàn)規(guī)范法與檢測(cè)工作中試樁法得出的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析研究。