基于CPTU測試確定PHC樁單樁承載力分析

王小衛(wèi)，何玲

（江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司，江蘇 南京 210019）

1 引言

文獻(xiàn)[1]單樁豎向極限承載力計算方法一般有4類：靜載試驗(yàn)法、經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式法、原位測試法和規(guī)范法。經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式法和規(guī)范法由于區(qū)域地質(zhì)條件、強(qiáng)度參數(shù)、沉樁質(zhì)量等差異性，導(dǎo)致計算單樁承載力可靠性低；現(xiàn)場靜載試驗(yàn)是傳統(tǒng)的確定承載力的方法，費(fèi)時費(fèi)力費(fèi)錢；因此研究更為便捷可靠經(jīng)濟(jì)的原位測試技術(shù)來確定單樁承載力是工程界的迫切需要。文獻(xiàn)[2]靜力觸探試驗(yàn)可以看作是一小直徑樁的載荷試驗(yàn)。對比結(jié)果表明，用靜力觸探成果估算單樁極限承載力是行之有效的。孔壓靜力觸探（CPTU）作為一種新型的原位測試技術(shù)[3-6]，可以提供3個連續(xù)讀數(shù)（錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力）用來確定樁基承載力[7]，國內(nèi)學(xué)者[8-10]進(jìn)行了大量研究,并推出了地方性規(guī)程[11]。

本文基于南京長江沖積漫灘的深厚砂土層場地孔壓靜力觸探（CPTU）試驗(yàn)，對單樁承載力進(jìn)行計算。為檢驗(yàn)CPTU測試在計算單樁承載力上的可靠性和優(yōu)越性，用規(guī)范法（CPT法）計算單樁承載力，以靜載荷試驗(yàn)得到的樁基承載力作為參考值，對比分析CPTU法、規(guī)范法（CPT法）、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法三者在計算單樁承載力可靠性。CPTU測試為確定PHC管樁單樁承載力提供一種可靠的新途徑，值得推廣和應(yīng)用。

2 孔壓靜力觸探（CPTU）測試

2.1 測試場地概況

孔壓靜力觸探（CPTU）測試場地屬于長江沖積漫灘地貌。第四紀(jì)覆蓋層厚度46m左右，主要由淺部流塑狀態(tài)粘性土和深厚砂土組成。場地土層指標(biāo)及預(yù)制樁設(shè)計參數(shù)見表1。

場地地層參數(shù)預(yù)制樁設(shè)計參數(shù) 表1

2.2 CPTU測試原理及設(shè)備

孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）通過在常規(guī)靜力觸探（CPT）探頭上安裝位于探頭錐肩的u2位置孔壓傳感器元件（圖1），除可測錐尖阻力qc、側(cè)壁摩阻力fs外，還可測試地下水位以下各土層的孔隙水壓力u及超孔隙水壓力消散過程。根據(jù)測得的超孔隙水壓力消散曲線,可以推求土的工程性質(zhì)參數(shù),對土層進(jìn)行有效應(yīng)力分析及計算，也可以推求無黏性土的有效內(nèi)摩擦角、狀態(tài)參數(shù)、相對密實(shí)度等。

最早的電測式孔壓靜力觸探由挪威土工研究所（NGI）的Janbu和Senneset（1974）研制成功[13]。本次測試所用孔壓靜力觸探儀為東南大學(xué)自主研發(fā)的多功能數(shù)字式孔壓靜力觸探系統(tǒng)（SEU@CPTU-1型）（圖2）與國產(chǎn)的車載貫入系統(tǒng)。系統(tǒng)配有數(shù)字式孔壓探頭與數(shù)據(jù)采集儀。探頭標(biāo)準(zhǔn)：錐角60。，錐底直徑35.7mm，錐底截面積為10cm2，側(cè)壁摩擦桶長度133.7mm，孔壓測試元件厚度5mm，位于錐肩位置（u2位置）。

圖1 CPTU探頭示意圖

2.3 CPTU測試曲線

依據(jù)規(guī)程[11]對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制錐尖阻力與深度關(guān)系曲線（qt～z），側(cè)壁摩阻力與深度關(guān)系曲線（ft～z），摩阻比與深度的關(guān)系曲線（Rt～z），孔隙水壓力與深度關(guān)系曲線（u2～z）。圖2、圖3為場地孔壓靜力觸探曲線與測試分層。

圖2 1#孔孔壓靜力觸探曲線與測試分層

圖3 2#孔孔壓靜力觸探曲線與測試分層

3 單樁承載力確定

計算樁單樁豎向抗壓承載力選擇樁型均為PHC-500（110）A-C80 型，樁徑 500mm，Z1 樁長 36m,Z2樁長34m。

3.1 基于CPTU測試計算單樁承載力

按規(guī)程[11]提供的方法對單樁承載力進(jìn)行計算。

式（1）～（3）中：Qall為單樁容許承載力（kN）；K 為安全系數(shù)，一般取K=2；qp為單位樁端承載力（MPa）；kc為端承系數(shù)，根據(jù)樁類型和錐尖阻力確定；kc為樁端附近等價平均錐尖阻力；qca為第i層土的單位樁側(cè)摩阻力（MPa）；αLCPC為摩阻力系數(shù)，根據(jù)樁類型和錐尖阻力確定。1#、2#確定的樁基設(shè)計參數(shù)見表2，單樁承載力計算結(jié)果見表3。

3.2 規(guī)范法（CPT法）計算單樁承載力

考慮到土層性質(zhì)橫向變異性和觸探孔在貫入過程中對周圍土體的擠密壓縮作用，常規(guī)靜力觸探（CPT）測試孔距離CPTU測試孔距離控制在1～2m內(nèi)。測試選用單橋靜力觸探儀，探頭標(biāo)準(zhǔn)：錐角60。，錐底直徑43.7mm，錐底截面積為15cm2，側(cè)壁摩擦桶長度70mm。根據(jù)測試結(jié)果繪制比貫入阻力與深度關(guān)系曲線（pz～z）。圖4為靜力觸探曲線與測試分層。

按規(guī)范[12]提供的方法對單樁承載力進(jìn)行計算。1#孔、2#孔計算單樁承載力計算結(jié)果見表4。

1#孔CPT測試計算Z1單樁承載力 表4

4 CPTU計算單樁承載力可靠性分析

4.1 靜載荷試驗(yàn)確定單樁承載力

在孔壓靜力觸探（CPTU）測試點(diǎn)附近選取2根基樁做靜載荷足尺試驗(yàn)，2根φ500mm的PHC樁，樁端埋深約36m，以③2a細(xì)砂為樁端持力層，沉樁采用靜壓法，靜載加載方式采用堆載-慢速維持荷載法。試樁概況見表5。

試樁概況表 表5

本次豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)采用堆載-慢速維持荷載法，SZ1、SZ2試樁的曲線見圖5，試樁的最大加載量、累計沉降量、殘余沉降量、極限承載力等匯總見表6。

圖5 試樁曲線

試樁結(jié)果匯總表 表6

4.2 計算結(jié)果與試樁結(jié)果對比

靜載荷試驗(yàn)是目前公認(rèn)最直接最準(zhǔn)確確定樁基承載力的方法。因此，把基于新型孔壓靜力觸探(CPTU)測試計算單樁承載力結(jié)果、規(guī)范法（CPT）計算結(jié)果與靜載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，確定其誤差大小。表7為CPTU/CPT計算樁基承載力誤差統(tǒng)計。

由表7可知：利用CPTU測試計算單樁承載力的相對偏差-0.17%～2.68%，總體小于利用CPT測試計算的單樁承載力，CPTU測試計算單樁承載力與靜載荷試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

CPTU/CPT計算樁基承載力誤差統(tǒng)計 表7

5 結(jié)語

采用CPTU方法擁有較高的精確性，且經(jīng)濟(jì)、簡單易于操作，克服了取土試驗(yàn)中土樣擾動。CPTU測試過程與樁基沉樁過程相似，利用規(guī)程[11]提供的計算單樁承載力的方法與靜載荷試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。CPTU是一種在工程實(shí)踐中值得推廣的方法。