孔壓靜力觸探在樁基工程中的應(yīng)用分析

陳美香 （福建省閩設(shè)工程檢測(cè)有限公司，福建 福州 350028）

0 引言

隨著國(guó)家基建工程的不斷開(kāi)發(fā)，樁基越來(lái)越多的運(yùn)用在基建工程中，尤其是東南沿海軟弱土層較厚的地區(qū)，樁基可以有效改善建筑物和構(gòu)筑物的基礎(chǔ)條件，隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何有效的對(duì)樁基的承載能力進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。靜力觸探的試驗(yàn)機(jī)理是利用機(jī)械將各種不同的圓錐探頭以均勻的速度壓入土層之中，與成樁機(jī)理相似，能較好的模擬沉樁過(guò)程，當(dāng)圓錐探頭為測(cè)孔壓探頭時(shí)，即為孔壓靜力觸探。

目前，利用原位測(cè)試結(jié)果對(duì)樁基的承載能力進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，一直都是巖土工程中的一項(xiàng)重大課題。楊石飛[1]等通過(guò)對(duì)原位測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析，提出了以原位測(cè)試成果代替室內(nèi)試驗(yàn)所確定的壓縮模量來(lái)計(jì)算樁基沉降，并通過(guò)120項(xiàng)實(shí)際樁基工程的實(shí)測(cè)沉降值與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到了一種準(zhǔn)確率較高，計(jì)算簡(jiǎn)單的計(jì)算樁基沉降的方法。孫波[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)有無(wú)堆載下的單樁受力變形規(guī)律進(jìn)行了分析，提出了荷載傳遞法依舊適用于負(fù)摩擦樁，并得出了堆載僅對(duì)淺層土體中的樁基影響較大，對(duì)深層土體中的樁基影響不大的結(jié)論。李洪江[3]等以孔壓靜力觸探原位測(cè)試得到的最為直接的土體參數(shù)來(lái)直接預(yù)測(cè)樁基承載能力，并將孔壓靜力觸探和樁基p-y曲線進(jìn)行結(jié)合，提出了一種預(yù)測(cè)樁基承載能力的有效方法，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，驗(yàn)證該方法的可行性。段偉宏[4]等通過(guò)對(duì)目前的基于孔壓靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)估樁基承載能力的方法進(jìn)行了研究，并對(duì)比了孔壓靜力觸探測(cè)試與其他原位測(cè)試技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)樁基承載力的方法之間的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)基于孔壓靜力觸探測(cè)試技術(shù)預(yù)測(cè)樁基承載能力的方法精度較其他原位測(cè)試高，且應(yīng)用簡(jiǎn)單，具有良好的應(yīng)用前景。

本文將基于某實(shí)際樁基工程的孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)與該樁基工程的樁基數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)該工程的樁基承載能力進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

1 基于孔壓靜力觸探評(píng)估樁基承載能力的主要方法

目前評(píng)估樁基承載力的方法雖多，但均是在下式的基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)估。

其中：QQuuQ、 =uQ=pQ+和pQ+fQf分別為樁基的單樁極限承載能力、樁端承載能力和樁側(cè)摩阻力；

孔壓靜力觸探評(píng)估樁基承載能力的應(yīng)用，有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，并給出了評(píng)估樁基承載能力的方法。

蔡國(guó)軍[5]等通過(guò)考慮孔壓效應(yīng)以修正圓錐探頭錐尖阻力來(lái)對(duì)樁基承載能力進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)在多種土體條件下的孔壓靜力觸探試驗(yàn)來(lái)反推樁端阻力系數(shù)。

其中：qp為樁基單位面積樁端阻力；qe為孔壓靜力觸探圓錐探頭錐尖阻力修正值；Cq為樁基單位面積樁端阻力相關(guān)系數(shù)，Cq可通過(guò)下式推算[6][7]

其中：Nc為孔壓靜力觸探承載力系數(shù)；Nke為孔壓靜力觸探經(jīng)驗(yàn)圓錐系數(shù)；

其中：qc為孔壓靜力觸探圓錐探頭錐尖阻力；Su為樁基端部位置不排水條件下的十字板抗剪強(qiáng)度。

且可以通過(guò)上式反推Cq為[8][9]

Cq、Nc反算結(jié)果如表1。

Cq、Nc反算值 表1

Almeida[10]等通過(guò)在多個(gè)黏土地層下的孔壓靜力觸探試驗(yàn)和樁基載荷試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，提出了以圓錐探頭錐尖阻力凈值來(lái)推算樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的方法。

其中：qnet=qt-σv0為圓錐探頭錐尖阻力凈值；qt為圓錐探頭錐尖阻力修正值；σv0為土層總應(yīng)力；。

通過(guò)對(duì)圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力和超孔壓可以推算樁基單位樁側(cè)摩阻力，當(dāng)土層為黏土和粉質(zhì)黏土?xí)r，打入式的預(yù)制靜壓管樁和靜壓法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁，超孔壓和單位樁側(cè)摩阻力與圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力之比的相關(guān)性如圖1。土性會(huì)影響圖中拐點(diǎn)的位置，黏土的孔壓比砂土略高。超孔壓和單位樁側(cè)摩阻力與圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力之比具有呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)的相關(guān)關(guān)系，具體關(guān)系如下。

圖1 由圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力和超孔壓確定樁基樁側(cè)摩阻力

其中：Δu2為超孔壓；fp為樁基樁側(cè)摩阻力；fs為圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力。

Takesue[11等針對(duì)黏土地層，提出樁端阻力可以由圓錐探頭錐尖阻力的有效值直接得到，且可以通過(guò)孔壓靜力觸探測(cè)試的側(cè)摩阻直接估算樁基的單位側(cè)摩擦力。

樁基單位面積樁端摩阻力：

樁基單位面積樁側(cè)摩阻力：

其中Δu=u2-u0孔壓靜力觸探試驗(yàn)的超孔隙水壓力。

從研究思路上進(jìn)行區(qū)分，目前基于孔壓靜力觸探評(píng)估樁基承載能力的主要方法主要分兩類，第一種是直接由孔壓靜力觸探圓錐探頭錐尖阻力來(lái)預(yù)測(cè)樁基的側(cè)摩阻力和樁端阻力；第二種就是用孔壓靜力觸探圓錐探頭側(cè)摩阻和錐尖阻力來(lái)預(yù)測(cè)樁基的側(cè)摩阻力和樁端阻力。

2 孔壓靜力觸探在樁基工程中的應(yīng)用

某跨海大橋橋梁工程樁基，工程地質(zhì)情況復(fù)雜，海域情況多變，土層上層為淤泥土，中層為黏性土，樁端持力層為風(fēng)化巖，樁基直徑為1.2m。

為預(yù)測(cè)該樁基的承載能力，于該樁基附近2m范圍內(nèi)進(jìn)行了孔壓靜力觸探試驗(yàn)，以孔壓靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果作為預(yù)測(cè)樁基承載能力的數(shù)據(jù)。本研究參考蔡國(guó)軍[5]等、Takesue[11]等的預(yù)測(cè)方法，結(jié)合孔壓靜力觸探試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)與樁基的資料對(duì)樁基的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2.1 樁基樁側(cè)摩阻力預(yù)測(cè)評(píng)估

結(jié)合孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)結(jié)果與樁基數(shù)據(jù)分析超孔壓和單位樁側(cè)摩阻力與圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力之比的關(guān)系，結(jié)果如圖2。圖中的超孔壓和單位樁側(cè)摩阻力與圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力之比的相關(guān)性較為良好，具體關(guān)系如下：

圖2 超孔壓和單位樁側(cè)摩阻力與圓錐探頭側(cè)壁摩擦阻力之比的關(guān)系

2.2 樁基樁端阻力預(yù)測(cè)評(píng)估

通過(guò)圓錐探頭錐尖阻力有效值可以計(jì)算樁基樁端阻力[5]

其中：qp為樁基樁端阻力；Cq為單位面積樁端阻力系數(shù)；qe為圓錐探頭錐尖阻力有效值。

且在該地層中，樁基的樁端阻力和孔壓靜力觸探的圓錐探頭錐尖阻力具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此樁基的單位面積樁端阻力系數(shù)可以通過(guò)位于樁尖位置處的圓錐探頭錐尖阻力進(jìn)行推算，具體計(jì)算公式為

其中：Qp為樁基樁端阻力；Aq為樁基樁端位置截面積。

通過(guò)上式和該樁基工程的樁基數(shù)據(jù)，可以對(duì)樁基的單位面積樁端阻力系數(shù)進(jìn)反算，結(jié)果如表2。

樁基單位面積樁端阻力系數(shù)反算結(jié)果 表2

由上表結(jié)果可知，該樁基工程樁基單位面積樁端阻力系數(shù)為0.075～0.082。

3 結(jié)論

本文基于一個(gè)實(shí)際工程中的樁基孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)，對(duì)樁基承載能力進(jìn)行了評(píng)估預(yù)測(cè)，并對(duì)比了孔壓靜力觸探圓錐探頭的側(cè)摩阻力修正值和錐尖阻力修正值與現(xiàn)場(chǎng)樁基的單位面積樁側(cè)摩阻力和單位面積樁端阻力，得到了初步估算該工程樁基承載能力的經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)，并得出以下結(jié)論。

①由于孔壓靜力觸探的試驗(yàn)機(jī)理更加適合對(duì)樁基的成樁過(guò)程進(jìn)行模擬，且操作規(guī)程幾乎不受人為因素影響，孔壓靜力觸探相比其他不同的原位測(cè)試而言，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果更加穩(wěn)定，基于孔壓靜力觸探預(yù)測(cè)的樁基承載能力也比其他方法預(yù)測(cè)的結(jié)果更加可靠；

②本文在前人的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的某樁基工程進(jìn)行了孔壓靜力觸探試驗(yàn)，與樁基工程的樁基數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了適用于該工程的基于孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)的樁基承載能力預(yù)測(cè)，為該樁基工程的優(yōu)化提供了一種不同的參考數(shù)據(jù)，有助于平衡該工程的經(jīng)濟(jì)性和可靠性；

③由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)量的限制，對(duì)于該樁基工程的孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)的樁基承載能力的評(píng)估，本文僅提出了一個(gè)初步計(jì)算模型，還需要進(jìn)一步完善與驗(yàn)證。