基于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

咼城新，王 東

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣州 510230；2.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

靜載試驗(yàn)是目前公認(rèn)的獲得樁基承載力最直觀、準(zhǔn)確、可靠的方法，對(duì)于項(xiàng)目所在地?zé)o地區(qū)經(jīng)驗(yàn)可以參考時(shí)，靜載試驗(yàn)是獲取或驗(yàn)證樁基承載力設(shè)計(jì)值的重要工作，是樁基設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。菲律賓某碼頭項(xiàng)目中，需要按照要求對(duì)集裝箱岸橋后軌道梁下的樁基礎(chǔ)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以驗(yàn)證樁基承載力值。由于合同規(guī)定主導(dǎo)規(guī)范為菲律賓標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，因此，靜載試驗(yàn)結(jié)果的分析需要同時(shí)滿(mǎn)足菲律賓標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。本文呈現(xiàn)了該靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)并用三種方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)。另外，本文還參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外學(xué)者對(duì)于樁基礎(chǔ)沉降的論述，使用數(shù)值模擬軟件分析計(jì)算了樁基的沉降，與靜載試驗(yàn)的沉降結(jié)果進(jìn)行比較，滿(mǎn)足了合同和業(yè)主工程師對(duì)于樁基沉降的要求。

1 樁基參數(shù)

本項(xiàng)目試驗(yàn)樁為集裝箱岸橋的后軌道梁的基礎(chǔ)，鋼管樁鋼材等級(jí)S355（歐洲標(biāo)準(zhǔn)），設(shè)計(jì)直徑1 000 mm，壁厚17.75 mm，樁長(zhǎng)28 m，樁頂標(biāo)高+2.0 m，樁底標(biāo)高-26.0 m。根據(jù)后軌道梁軸線上的鉆孔揭示，軌道梁下臥土層主要為細(xì)砂及中粗砂，試樁位置由設(shè)計(jì)方與業(yè)主工程師共同確定，試驗(yàn)樁編號(hào)C55。

2 靜載試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值

本項(xiàng)目試驗(yàn)樁為工程樁，因此不能做破壞性的靜載試驗(yàn)來(lái)確定樁基承載力，而是需要確定一個(gè)靜載試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值做驗(yàn)證性試驗(yàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，正常工況時(shí)樁基的豎向設(shè)計(jì)荷載為2 000 kN（不含分項(xiàng)系數(shù)），地震工況為2 750 kN。根據(jù)項(xiàng)目主導(dǎo)規(guī)范《菲律賓港務(wù)局港口工程結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)》PPA ESPH (Philippine Ports Authority :Engineering Standard for Port and Harbor Structures)[1]中要求，靜載試驗(yàn)的極限荷載應(yīng)為單樁的設(shè)計(jì)荷載乘以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)（表1，PPA ESPH 表4.1.1）：對(duì)于摩擦樁，正常工況下安全系數(shù)取2.5，地震工況下安全系數(shù)取2.0。故本項(xiàng)目靜載試驗(yàn)的目標(biāo)值為兩種工況下的最大值，經(jīng)計(jì)算取為5 500 kN。

表1 PPA ESPH 規(guī)范中建議的安全系數(shù)最小值

3 靜載試驗(yàn)和荷載沉降曲線

靜載試驗(yàn)按照美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM D1143標(biāo)準(zhǔn)——軸向靜壓荷載下深地基的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[2]。本次驗(yàn)證試驗(yàn)共加載3 個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如圖1 所示。最大加荷為5 500 kN。

圖1 靜載試驗(yàn)的荷載-沉降曲線

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)方按以下5 種方法對(duì)靜載試驗(yàn)進(jìn)行分析，并取最小值作為樁基承載力參考值：

1）菲律賓港務(wù)局港口工程結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)PPA ESPH規(guī)定的極限荷載法；

2）英國(guó)（歐洲）海工標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1997-1:2004 +A1:2013 方法：當(dāng)難以從荷載-沉降曲線判定得到極限狀態(tài)時(shí)，取等于樁直徑的10 %的沉降量時(shí)所施加的荷載值為極限荷載值[3]；

3）Chin 方法，假設(shè)荷載-沉降曲線為雙曲線[4]；

4）弗萊明（Fleming）方法，假設(shè)樁身和樁底荷載分別與沉降形成兩個(gè)單獨(dú)的雙曲線[5]；

5）巴特勒（butler）和霍伊（Hoy）的斜率與切線法[6]。

但弗萊明（Fleming），巴特勒（butler）和霍伊（Hoy）方法需要破壞狀態(tài)的荷載-變形曲線才能確定極限承載力，并不適用于工程樁靜載試驗(yàn)分析。因此，本項(xiàng)目采用PPA ESPH 方法，BS-EN 方法和Chin 方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 PPA ESPH 方法

PPA ESPH 4.1.4 條規(guī)定當(dāng)了什么情況下可以通過(guò)荷載沉降曲線確定極限荷載值，并將該值作為極限樁基承載力值。極限荷載不能從荷載-沉降曲線得到時(shí)，應(yīng)確定屈服荷載，并從屈服荷載估算極限承載力。從荷載曲線可以看到，三個(gè)循環(huán)均出現(xiàn)了明顯的屈服點(diǎn)，屈服值為4 812.5 kN。當(dāng)在靜載試驗(yàn)期間發(fā)生屈服時(shí)，極限承載力為屈服荷載的1.2 倍，即4 812.5*1.2=5 775 kN。

4.2 BS EN 1997-1:2004+A1:2013 方法

該方法規(guī)定當(dāng)難以從荷載-沉降曲線判定得到極限狀態(tài)時(shí)，取等于10 %樁徑直徑的沉降量時(shí)所施加的荷載值為極限荷載。試驗(yàn)樁直徑為1 000 mm，直徑的10 %為100 mm。3 個(gè)循環(huán)過(guò)程中達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值5 500 kN 時(shí)的最大沉降也僅為29 mm。由此可以推斷，對(duì)于本次靜載試驗(yàn)，當(dāng)沉降量達(dá)到 100 mm 時(shí)，所需施加的荷載大于5 500 kN，因此該方法推算得出的極限承載力值大于5 500 kN。

4.3 Chin 方法

Chin 假設(shè)荷載-沉降的曲線關(guān)系是雙曲線，縱坐標(biāo)△/P 相對(duì)于橫坐標(biāo)△的曲線是線性的，該線性關(guān)系的反斜率就是極限荷載。依據(jù)該方法，分析得到△/P 與△的線性關(guān)系式為Y=0.1465X+0.9949（圖2）。線性關(guān)系的反斜率為6 825 kN，可以得出樁基的極限軸向承載力為6 825 kN。

圖2 循環(huán)1 的荷載沉降曲線

匯總上述3 種方法的分析結(jié)果如下表，可以看出本項(xiàng)目樁基承載力大于5 500 kN，承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 靜載試驗(yàn)分析結(jié)果匯總

5 動(dòng)力檢測(cè)與靜載試驗(yàn)的比較

本項(xiàng)目還對(duì)C55 號(hào)工程樁進(jìn)行了高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，動(dòng)力檢測(cè)得到的極限荷載值為5 589 kN。這里將動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果與靜載試驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行比較，如表3 所示。

表3 動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果與靜載試驗(yàn)分析結(jié)果的比較

得到靜載試驗(yàn)/動(dòng)力檢測(cè)比值之后，通過(guò)將一系列動(dòng)力檢測(cè)獲得的極限荷載乘以該比值，就得到了該樁的靜載試驗(yàn)預(yù)估值，從而根據(jù)該預(yù)估值推算出樁的極限承載力。表4 列出了這一系列動(dòng)力檢測(cè)樁的極限承載力推算值。

表4 由動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果推算得到的樁基承載力

結(jié)合本項(xiàng)目情況，和靜載試驗(yàn)樁C55 不同的是，C14 號(hào)樁所需的極限樁承載力為5 210 kN，C33 樁和C44 樁所需的極限樁承載力為5 300 kN。通過(guò)動(dòng)力檢測(cè)獲得的極限荷載以及通過(guò)靜載試驗(yàn)/動(dòng)力檢測(cè)比值推算出的這些樁的極限承載力均大于所需的極限承載力。因此，本項(xiàng)目的樁基具有足夠的承載力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 沉降結(jié)果

肯·弗萊明（Ken Fleming）等人編著的教材《樁基工程》（Piling Engineering）[7]中指出：“根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常在工程實(shí)踐中指定設(shè)計(jì)荷載下的沉降限值，例如，設(shè)計(jì)荷載下最大沉降量為10 mm?！?/p>

湯姆林森和伍德沃德（M Tomlinson and J Woodward）編著的教科書(shū)《樁基的設(shè)計(jì)和施工》[8]中寫(xiě)道，歐洲標(biāo)準(zhǔn)7（Euro code 7）并未就沉降計(jì)算和評(píng)估做出明確規(guī)定與說(shuō)明，但要求通過(guò)計(jì)算作用效應(yīng)的設(shè)計(jì)值Ed 并將其與作用效應(yīng)的設(shè)計(jì)限值Cd 進(jìn)行比較來(lái)確定正常使用極限狀態(tài)。第7.6.4.1節(jié)規(guī)定，在樁端嵌入中密和密實(shí)土層的情況下，承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)安全要求通常足以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)。對(duì)于單個(gè)樁基，歐洲標(biāo)準(zhǔn)7 中承載能力極限狀態(tài)的分項(xiàng)系數(shù)的組合將產(chǎn)生一個(gè)介于2 和3 之間的整體安全系數(shù)，通常可以滿(mǎn)足將沉降限制在10 mm 以?xún)?nèi)的工程實(shí)踐要求。

在本項(xiàng)目所簽訂的《業(yè)主要求》第2 卷第3 章技術(shù)要求中，規(guī)定了在設(shè)計(jì)荷載作用下，第一/二次加載循環(huán)的沉降不超過(guò)15 mm。

從圖1 中可以看到，當(dāng)荷載小于4 800 kN 時(shí)，樁基變形處于線性彈性階段。當(dāng)荷載達(dá)到2 000 kN（設(shè)計(jì)荷載）時(shí)，樁沉降約為3 mm，遠(yuǎn)小于業(yè)主要求中的15 mm 允許沉降。

在2 000 kN 的正常工作工況設(shè)計(jì)荷載下，數(shù)值模擬軟件ROBOT 分析計(jì)算得到的最大沉降為 7 mm，與現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值處于同一數(shù)量級(jí)，并小于業(yè)主要求的15 mm。

7 結(jié)語(yǔ)

本文基于一個(gè)按照美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的靜載試驗(yàn)得到的荷載沉降曲線，分別用菲律賓港務(wù)局港口工程結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的建議方法、英國(guó)（歐洲）海工標(biāo)準(zhǔn)的建議方法和國(guó)外學(xué)者Chin 提出的方法等三種不同的方法分別分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究，分析結(jié)果表明樁基承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本文還參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外教材對(duì)于樁基礎(chǔ)沉降的論述，使用數(shù)值模擬軟件分析計(jì)算了樁基的沉降，與靜載試驗(yàn)的沉降結(jié)果進(jìn)行比較。這些研究與總結(jié)對(duì)于熟悉其他國(guó)家的規(guī)范對(duì)靜載試驗(yàn)的規(guī)定和描述，加深對(duì)靜載試驗(yàn)的理解，加強(qiáng)對(duì)國(guó)外規(guī)范的應(yīng)用能力帶來(lái)一定的幫助，本文的分析方法也為日后海外項(xiàng)目的靜載試驗(yàn)分析提供了一些選擇和參考。