基于標準貫入度試驗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

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

樁基軸向承載力的確定是高樁碼頭設計的核心內容之一，直接關系結構的安全性與經濟性。目前，預估樁基軸向承載力方法主要可分為試驗方法和經驗參數法兩種。海外項目設計時，往往沒有附近項目的經驗參數可供參考，且設計前也沒有相應的樁基荷載試驗數據，同時地質勘察報告過于簡單、沒有室內試驗數據、也缺乏樁基軸向承載力計算的相應指標，基于中國規范的經驗參數又得不到咨詢工程師的認可，因此迫切需要尋求一種既能符合工程地質特性又能得到國際咨工認可的經驗參數法。而標準貫入度試驗(即標貫試驗SPT)，作為最常用的現場原位測試方法，其成果標貫擊數可以直觀反映土層特性的指標，因此基于SPT的樁基軸向承載力設計至關重要。本文依托印尼某工程，基于英標SPT的樁基軸向承載力經驗方法確定樁長，對其主要計算參數取值進行探討分析，并將驗證性靜載試驗和現場PDA試驗相結合對其參數取值的合理性進行驗證，可供類似工程參考。

1 基于SPT的樁基承載力計算方法及主要參數取值分析

英國標準BS 8004：2015Codeofpracticeforfoundations[1]推薦樁基軸向承載力特征值Rc，k計算公式為：

Rc，k=Rs，k+Rb，k

(1)

式中：Rs，k為總的樁側摩阻力特征值；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為根據土體參數計算的第j層單元土體平均樁側摩阻力；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，若采用概率極限法計算樁基軸向承載力時，該值為分項系數，采用安全系數法計算時，該值可取2.0～3.0。

BS 8004規范給出了SPT法與單位側摩阻力和端阻力換算公式。

單位側摩阻力：

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摩阻力經驗系數；nb，0.1為土體的單位面積極限樁端阻力經驗系數；Nj為第j層土體未經校正的實測標貫擊數，pref為100 kPa；Nb為樁端未經校正的實測標貫擊數；經驗系數ns和nb，0.1根據土體類型不同取值見表1。

表1 不同土體類型的ns、nb，0.1經驗系數值

從表1可以看出，對于中密砂土，即標貫擊數N值在10～30擊，以標貫擊數N=30擊為例，利用英標BS 8004計算的打入樁單位土體極限樁端阻力標準值qb，0.1=(290～480)N=8 700～14 400 kPa，而中國行業標準《碼頭結構設計規范》[2]中，對于打入樁當土層埋深大于30 m，最大推薦值僅為3 690 kPa，與英標計算值相差較大，主要原因為英標中規定樁尖位移須達到樁徑的10%可取其參考值，即只有較大的樁尖位移才能發揮全部的端部承載力。而實際工程中，樁尖軸向位移均較小，很難達到樁徑的10%。樁尖軸向位移與端阻力取值的關系在規范中未給出說明。因此，如何選取樁端阻力系數是英標SPT方法計算樁基軸向承載力的關鍵問題。

為此，筆者收集國內外的相關規范及文獻資料[3-5]，總結相關應用和規范基于SPT計算樁基軸向承載力的公式，見表2。

表2 SPT方法預測樁基軸向承載力與單位面積極限側摩阻力和端阻力經驗公式

從表2可以看出，單位面積極限側摩阻力和端阻力經驗系數取值范圍較為寬泛，對于打入樁而言，側摩阻力經驗系數ns=1～4，該值取值與英標BS 8004差別不大，英標只是根據土體的分類更為細化具體。但關于端阻力經驗系數nb，其余學者給出的建議系數均在100～325范圍內，對于打入樁，英標BS 8004中nb，0.1黏土經驗系數(換算成kPa)為95～160，粉土經驗系數為110～260，均差別不大。但英標中nb，0.1砂土經驗系數(換算成kPa)為290～480，該值與其他學者建議方法相比明顯偏大。

GeotechnicalandFoundationDesignConsiderations(ISO 19901-4：2016)[6]中規定，對于砂土和黏土，可發揮的樁端承載力和計算的所有樁端承載力Qp的換算關系可參照圖1推薦曲線。

圖1 樁尖荷載Q-位移z 曲線

設計時，根據圖1中的曲線數據，可擬合得到x=zD在(0，1)區間內的y=QQp與x關系式：

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為可發揮的樁端承載力；Qp為計算的所有樁端承載力，當樁尖位移達到直徑的0.1時，其可全部發揮，但樁端總的承載力Qp不應超過樁內塞的承載力。

因此，采用英標SPT法計算樁基軸向承載力時，換算單位面積極限側摩擦阻力和端阻力經驗系數的取值確定非常關鍵，值得研究。特別是砂土中樁端摩阻力經驗系數的取值，若直接采用英標BS 8004中的推薦取值，計算結果偏不利。本文將進一步結合具體工程實例對其參數取值進行研究分析。

2 工程實例分析及應用

印度尼西亞某項目位于南蘇門答臘省，擬建1個5萬DWT散貨泊位、1個2.5萬DWT散貨泊位和4個7 600 DWT集裝箱泊位。碼頭總長560 m、寬度50 m，雙側靠泊，碼頭上考慮集裝箱堆箱作業，碼頭布置在-14.5 m附近。碼頭結構采用高樁梁板結構，樁基為PHC樁，樁基軸向承載力安全系數不小于2.0。碼頭樁基軸向承載力計算采用基于SPT的經驗參數法確定，并通過試驗驗證。

2.1 地質條件

根據本工程勘察報告[7]揭示，勘區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粉質黏土層，中部為中密的粉細砂層或可塑性粉質黏土，下部為厚層硬塑狀粉質黏土。碼頭區、連接平臺和引橋處的典型地質剖面見圖2。其中鉆探底部揭示⑤少量砂質黏土層，分布連續穩定，層厚較大，可作為樁基持力層。另外④3和④4中密狀、密實狀黏土質砂層和④少量砂質黏土連續分布時也可選作持力層。

圖2 典型地質剖面(高程，深度：m)

表3 工程區域鉆孔地層揭示

2.2 結構斷面形式及碼頭設計樁力

碼頭結構斷面見圖3，碼頭面上主要荷載為：1)自重。2)均載。除集裝箱堆箱區域為40 kPa外，其余區域堆載均為20 kPa。3)裝卸機械荷載。海側為2臺岸橋設備，軌距18 m，基距18 m，輪數40個，輪距1.2 m，最大輪壓480 kN。岸側為多用途門機1臺，軌距10.5 m，基距10 m，輪數16個，輪距1.2 m，最大輪壓500 kN。4)移動機械荷載。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。

碼頭結構采用Autodesk Robot Structural Analysis 2014計算，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‰。經計算，碼頭和連接平臺正常使用極限狀態(SLS)樁基軸向承載力特征值最大為3 837、3 655 kN。

2.3 SPT法參數取值及樁基軸向承載力預估

根據上述相關分析，當PHC樁樁端持力層位于砂土時，按照英標推薦樁端阻力經驗系數明顯偏大，對工程安全設計不利。故可參考ISO 19901-4：2016標準的推薦曲線進行折減，考慮砂土中實際可發揮的端阻力。根據擬合式(6)，基于以上變位計算結果，計算得出QQp=0.32，將英標規范中推薦值nb，0.1乘以該折減系數并取中值，得到nb=1.3，且該值在學者給出的砂土打入樁樁端阻中系數范圍內。當PHC樁樁端持力層位于黏土時，按照英標端阻推薦經驗值計算所得單位土體極限樁端阻力標準值與國標推薦值較為接近，且英標中該經驗系數的取值與不同學者給出的推薦值相差不大。故樁長預估時該經驗系數暫按中值考慮。考慮其不確定性，不同土質的單位面積極限側摩阻力經驗值均取英標推薦系數的中值，最終本工程利用英標BS 8004 計算PHC樁基軸向承載力時，其關鍵參數取值見表4。

表4 不同土體類型下打入樁的單位面積極限側摩阻和端阻力經驗系數

1)樁端持力層為黏土。以連接平臺處鉆孔BH25為例，基于英標BS 8004計算的樁側摩阻力、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)。當樁基入土深度為45 m時，此時樁端進入持力層④少量砂質黏土約9.6 m，樁基軸向承載力特征值為4 022 kN> 3 655 kN，滿足設計要求。

2)樁端持力層為砂土。以碼頭區JBH09孔為例，樁側摩阻力、樁端阻力及總的樁基軸向承載力計算值隨入土深度的變化曲線見圖5b)。考慮2倍的安全系數，當樁基入土深度為50 m時，樁端進入持力層④3黏土質砂約4.71 m，樁基軸向承載力特征值為4 121 kN> 3 837 kN，滿足設計要求。

圖5 樁基軸向承載力隨入土深度變化曲線

3 現場試驗與理論計算對比分析

為驗證樁基軸向承載力計算結果及參數選取的合理性問題，本項目選取連接平臺BH25孔處開展樁基靜載及動載試驗，碼頭區JBH09孔處做PDA動載試驗。

3.1 樁端持力層為黏性土

1)靜載試驗。靜載試驗采用錨樁反力梁多循環加載法。根據本項目靜載試驗報告[8]可知，當樁頂荷載達到8 072 kN時，樁的累計沉降量為34.13 mm，加載過程中無明顯陡降，說明樁基檢測極限承載力不低于8 072 kN。

2)PDA動載試驗。根據本項目PDA試驗結果[9]，實測該樁的總承載力為9 328 kN，其中側摩阻力極限值為8 151 kN，端阻力極限值為1 178 kN。本文基于BS 8004規范計算得到的樁側摩阻力極限值為6 319 kN，端阻力極限值為1 726 kN，樁的總承載力為8 044 kN。通過樁基靜載與動載試驗可知，本文依據標貫擊數計算得出的樁基軸向承載力滿足樁基使用要求，滿足結構安全要求。

3.2 樁端持力層為砂土

樁基沉樁后，現場對A-1a(JBH09孔處)進行實測PDA試驗，據試驗報告[10]可知，該樁總的側摩阻力極限值為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規范計算得到的樁側摩阻力極限值為5 608 kN，端阻力極限值為2 635 kN，樁的總承載力為8 243 kN，與實測PDA試驗相差不大，見表5，說明理論計算的參數選取較為合理。

表5 不同土層的樁基承載力對比

經過對比分析可知，基于SPT的經驗參數法預估承載力與荷載試驗大體接近，總體而言，樁側承載力預估略低，偏于保守；但同時，樁端承載力預估偏高25%～35%，主要原因為本項目試驗樁基同時作為工程樁，樁端位移較小，未達到臨界破壞，樁端承載力不能充分發揮。

4 結語

1)當工程前期地質資料缺少試驗數據時，基于SPT計算樁基軸向承載力可作為前期預估樁長的較好方法，特別是對海外工程前期地質資料稀少進行投資估算具有一定的參考意義。

2)基于英標BS 8004：2015計算樁基軸向承載力時，換算單位面積極限側摩阻力和端阻力經驗系數的取值非常關鍵，英標中根據土體和樁基類型不同，側摩阻力經驗系數建議取值ns=1～4，與目前其他學者的建議值相差不大，但端阻力經驗系數nb，0.1規范建議值，須樁尖位移達到樁徑的0.1倍才能全部發揮，但由于實際工程中樁尖豎向位移均較小，故須進行折減。特別是規范中給出的砂土端阻經驗系數與其他學者建議值相比偏大，實際工程計算時應謹慎選取。

3)本文利用現場靜載試驗和PDA實測數據相結合的方法驗證了本工程樁基軸向承載力計算時參數的合理性。基于英標計算參數選取時，對于砂土端阻經驗系數須進行折減，而黏土經驗系數不須折減較為合理。對于本工程而言，PHC樁單位側摩阻力經驗系數ns取0.024(黏土)、0.038(砂土)，單位端摩阻力經驗系數nb取1.3較為合理，但由于不同工程土體地質條件差別較大，故該經驗系數取值仍須根據地區及土體分類等進行進一步積累總結。