中外規(guī)范基于靜力觸探的管樁承載力計(jì)算方法對(duì)比研究

吳磊磊, 唐國喜, 胡勝來

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

樁基礎(chǔ)是目前廣泛采用的一種基礎(chǔ)形式,樁基承載力的確定相比淺基礎(chǔ)承載力的確定更為復(fù)雜和困難,如何將靜力觸探測試成果應(yīng)用于樁基工程的勘察和設(shè)計(jì)中,一直是工程界關(guān)注的問題。

確定單樁承載力的方法通常包括以下五種:①靜載荷試驗(yàn);②動(dòng)力試驗(yàn);③靜力理論公式計(jì)算;④根據(jù)規(guī)范查表;⑤根據(jù)原位測試成果計(jì)算。其中,靜載荷試驗(yàn)法是公認(rèn)的確定單樁承載力最可靠的方法,是評(píng)價(jià)其他間接方式的標(biāo)準(zhǔn),但其費(fèi)用高、耗費(fèi)時(shí)間較長。在設(shè)計(jì)階段尚沒有進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)的情況下,如何根據(jù)勘察成果較準(zhǔn)確地確定樁的承載力,是對(duì)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性均具有重要意義的課題。

目前,國內(nèi)大多采用查規(guī)范表格取得經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算樁基承載力的方法,而國外通常采用原位測試成果進(jìn)行計(jì)算。國內(nèi)行業(yè)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為全國范圍的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到,而我國幅員遼闊,各地區(qū)地層分布及性質(zhì)復(fù)雜多變,單純依靠規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)往往與實(shí)際存在較大偏差;地方標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)也僅來自收集的有限樣本,單純依靠經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法也難免不夠準(zhǔn)確。因此,在設(shè)計(jì)階段確定樁基承載力時(shí),同時(shí)重視多種勘察手段以及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的作用是很有必要的。

對(duì)于管樁而言,靜力觸探的貫入過程與其成樁過程具有較高的相似性。較多學(xué)者嘗試采用靜力觸探成果確定管樁的承載力,均取得了較好的效果。本文試圖通過現(xiàn)場試驗(yàn),對(duì)中外規(guī)范基于靜力觸探參數(shù)估算管樁單樁極限承載力的經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式

1.1 《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB 10018—2018)

該標(biāo)準(zhǔn)中按下式計(jì)算打入式混凝土樁的極限承載力:

(1)

(2)

α=3.975(qcp)-0.25

(3)

(4)

α=12.064(qcp)-0.35

(5)

1.2 “法國LCPC”方法

Bustamante和Gianeslli(1982)對(duì)1972年制定的用靜力觸探估算單樁承載力的方法作了修正,稱為“法國方法”,又稱“LCPC”法。該方法是Bustamante和Gianeselli基于對(duì)不同地基上和不同類型樁的197組載荷試驗(yàn)結(jié)果的分析而提出的,其中靜力觸探測得的側(cè)壁摩阻力fs被忽略,單位端阻和側(cè)阻均從平均錐尖阻力qc得到。

極限樁側(cè)摩阻力qs和極限樁端阻力qp按下式計(jì)算:

qs=qc/α

(6)

qp=kcqca

(7)

式中:α和kc分別為摩擦系數(shù)和端承系數(shù),根據(jù)樁的類型和地基土類確定;qca為等價(jià)平均錐尖阻力。

該方法用等價(jià)平均錐尖阻力qca來計(jì)算單位樁端阻力qp,它是取樁端上、下1.5D(D為管樁的直徑)范圍內(nèi)的錐尖阻力qc的平均值。Bustamante &Gianeselli建議分三步來計(jì)算qca,首先計(jì)算樁端上、下1.5D范圍內(nèi)的qc平均值q′ca;第二步,在樁端上、下1.5D范圍內(nèi)舍棄大于1.3q′ca和樁端以上1.5D范圍內(nèi)低于0.7q′ca的qc值;最后計(jì)算剩下的qc平均值,即得到qca。

圖1 等價(jià)平均錐尖阻力計(jì)算簡圖

打入式預(yù)制樁、預(yù)應(yīng)力管樁被歸類為第Ⅱ組的A類,其kc值、α值分別按表1、表2取用,其中表2括號(hào)內(nèi)數(shù)值為施工質(zhì)量較好時(shí)采用。

表1 打入式預(yù)制樁、預(yù)應(yīng)力管樁的kc值

表2 打入式預(yù)制樁、預(yù)應(yīng)力管樁的α值及qs上限值

1.3 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)

該標(biāo)準(zhǔn)中按下式計(jì)算黏性土、粉土和砂土地層中混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值:

Quk=u∑liβifsi+αqcAp

(8)

式中:u為樁身周長;li為樁穿越的第i層土的厚度;fsi為第i層土的探頭平均阻力;Ap為樁端面積;qc為樁端平面上、下探頭阻力,取樁端平面以上4D(D為管樁的直徑)范圍內(nèi)按土層厚度的探頭平均阻力加權(quán)平均值,然后再和樁端平面以下1D范圍內(nèi)的探頭阻力進(jìn)行平均;α為樁端阻力修正系數(shù),對(duì)黏性土、粉土取2/3,對(duì)飽和砂土取1/2;βi為第i層土樁側(cè)阻力修正系數(shù),按下列公式計(jì)算:

對(duì)黏性土、粉土:

βi=10.04(fsi)-0.55

(9)

對(duì)砂土:

βi=5.05(fsi)-0.45

(10)

1.4 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363—2019)

該標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式與《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》完全一致,區(qū)別在于對(duì)側(cè)摩阻力設(shè)置了限值,即當(dāng)βfs>100 kPa時(shí),取βfs為100 kPa。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

某管樁工程場地為河流沖積地層,主要土層分布情況及靜力觸探測試參數(shù)平均值見表3。

表3 場地土層分布情況及各土層靜力觸探參數(shù)統(tǒng)計(jì)值

在該工程場地的9個(gè)靜力觸探孔位置設(shè)置了12根管樁試驗(yàn)樁,編號(hào)為SZ1～SZ12,管樁型號(hào)為PHC500AB(100),除SZ9、SZ10設(shè)計(jì)樁長為15 m外,其他試驗(yàn)樁的設(shè)計(jì)樁長均為12 m。試驗(yàn)樁均以⑦層細(xì)砂或⑧層中砂為持力層,⑦層細(xì)砂、⑧層中砂均為密實(shí)狀態(tài),樁端進(jìn)入持力層不小于2 m。

現(xiàn)場施工時(shí),為便于測試工作開展,管樁樁頂預(yù)留0.5 m左右在地面以上,SZ9、SZ12因貫入度小或樁頂損傷而終止施工。其中,9根試驗(yàn)樁采用堆載法載荷試驗(yàn)測試管樁單樁極限承載力,另3根樁作為對(duì)比試驗(yàn)樁,采用自平衡法測試管樁單樁極限承載力,測試結(jié)果見表4。

表4 管樁單樁極限承載力靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

由載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,本工程上述試驗(yàn)樁的單樁極限承載力均不小于3 000 kN,表中所列承載力的差異為受加載方式、加載荷載值的影響。

3 對(duì)比分析

選取該工程場地實(shí)施的42份雙橋靜力觸探數(shù)據(jù),基于國內(nèi)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》TB 10018—2018、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94—2008、《公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG 3363—2019,以及國外常用的法國LCPC法(《孔壓靜力觸探測試技術(shù)規(guī)程》T/CCES 1—2017引用該方法)等(以下分別簡稱為“鐵路規(guī)程”、“建筑樁規(guī)”、“公路橋規(guī)”和“法國LCPC”)給出的經(jīng)驗(yàn)公式,分別計(jì)算了各靜力觸探孔位置的打入樁單樁極限承載力,如圖2所示。

圖2 不同規(guī)范方法的管樁單樁極限承載力計(jì)算值

參與計(jì)算的樣本沿線路方向順次編號(hào),因此,圖中曲線的變化可以近似視為管樁單樁極限承載力沿路線縱向的空間變化。

由圖2可知,36例樣本根據(jù)“建筑樁規(guī)”法預(yù)測的管樁單樁極限承載力最高,占比達(dá)85.71%;34例樣本根據(jù)“鐵路規(guī)程”法預(yù)測結(jié)果最低,占比達(dá)76.19%;25例樣本根據(jù)“法國LCPC”法預(yù)測結(jié)果居第2位,占比達(dá)59.52%。

總體而言,在該工程中,根據(jù)“建筑樁規(guī)”法預(yù)測的管樁單樁極限承載力最大,根據(jù)“鐵路規(guī)程”法預(yù)測的最小。

隨著路線方向地層的變化,上述四種經(jīng)驗(yàn)公式方法估算的管樁單樁極限承載力的變化趨勢總體上是一致的。

需要注意的是,在樣本1、樣本31、樣本32、樣本33處,“法國LCPC”法預(yù)測結(jié)果均顯著低于其他方法,主要和樁端位置等效平均錐尖阻力的計(jì)算方法和取值差異有關(guān)。

此外,樣本31、樣本32處管樁單樁極限承載力計(jì)算值較其他位置偏低,主要原因在于上部分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層降低了側(cè)摩阻力,以及設(shè)定的樁端位置以下一定范圍內(nèi)存在黏性土透鏡體,導(dǎo)致端阻力降低。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算所得的管樁單樁極限承載力,與現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況見表5。

表5 管樁單樁極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

SZ1～SZ12按照“鐵路規(guī)程”法的單樁極限承載力計(jì)試比分布情況如圖3所示。

圖3 “鐵路規(guī)程”法的管樁極限承載力計(jì)試比頻數(shù)分布直方圖

由圖3可知,鐵路規(guī)程法計(jì)算結(jié)果75%分布在測試值±10%偏差范圍內(nèi),83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內(nèi)。因此,就測試值而言,“鐵路規(guī)程”法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性高。此外,負(fù)偏差比例為75%,其中58.3%的偏差位于-10%以內(nèi),且3例正偏差樣本均受加載值的限制,實(shí)際未達(dá)極限狀態(tài),因此采用鐵路規(guī)程法計(jì)算管樁單樁極限承載力具有較高的安全度。

SZ1～SZ12按照“法國LCPC”法的單樁極限承載力計(jì)試比分布情況如圖4所示。

圖4 “法國LCPC”法的管樁極限承載力計(jì)試比頻數(shù)分布直方圖

由圖4可知,“法國LCPC”法計(jì)算結(jié)果41.7%的偏差位于±10%以內(nèi),83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內(nèi)。因此,就測試值而言,“法國LCPC”法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高。此外,正偏差比例為66.7%,該方法總體偏于高估管樁單樁極限承載力。然而,考慮到較多試驗(yàn)樁均受加載值的限制,實(shí)際未達(dá)極限狀態(tài),因此采用鐵路規(guī)程法計(jì)算管樁單樁極限承載力預(yù)計(jì)具有較高的安全度。

SZ1～SZ12按照“建筑樁規(guī)”法的單樁極限承載力計(jì)試比分布情況如圖5所示。

圖5 “建筑樁規(guī)”法的管樁極限承載力計(jì)試比頻數(shù)分布直方圖

由圖可5知,建筑樁規(guī)法計(jì)算結(jié)果50%分布在測試值±10%偏差范圍內(nèi),83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內(nèi)。因此,就測試值而言,法國LCPC法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高。此外,因75%的偏差為正,故該方法總體偏于高估管樁單樁極限承載力。

SZ1～SZ12按照“公路橋規(guī)”法的單樁極限承載力計(jì)試比分布情況如圖6所示。

圖6 “公路橋規(guī)”法的管樁極限承載力計(jì)試比頻數(shù)分布直方圖

由圖6可知,公路橋規(guī)法計(jì)算結(jié)果呈近似正態(tài)分布,66.7%位于測試值±10%偏差范圍內(nèi),83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內(nèi)。就測試值而言,公路橋規(guī)法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高。

因此,就實(shí)際測試值而言,按偏差分布情況對(duì)計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行排序?yàn)?鐵路規(guī)程法>公路橋規(guī)法>建筑樁規(guī)法>法國LCPC法。

需要注意的是,本工程管樁的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)中,其中9根樁未加載至極限狀態(tài),因此所列出的單樁極限承載力仍可能是偏于保守的。

此外,試驗(yàn)樁的樁端持力層為密實(shí)砂層,樁長也相對(duì)較短,端阻力占比較大,因此樁端土層的端阻力、樁側(cè)土層的側(cè)摩阻力均能得到較好的發(fā)揮。對(duì)于長樁以及樁端持力層非密實(shí)砂的情況,荷載傳遞機(jī)制以及土層的承載力發(fā)揮作用會(huì)存在差異,采用上述規(guī)范方法基于靜力觸探參數(shù)估算管樁單樁承載力的準(zhǔn)確程度需要另行分析評(píng)價(jià)。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn),對(duì)中外規(guī)范基于靜力觸探參數(shù)估算管樁單樁極限承載力的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證和分析,得到如下結(jié)論:

(1) “鐵路規(guī)程”“法國LCPC”“建筑樁規(guī)”“公路橋規(guī)”法預(yù)測管樁單樁極限承載力均具有較高的準(zhǔn)確度,偏差總體在±20%范圍內(nèi)。

(2) 根據(jù)本次對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果,“鐵路規(guī)程”法的預(yù)測精度最高,但因多數(shù)試驗(yàn)樁并未加載至極限狀態(tài),故“鐵路規(guī)程”法預(yù)測結(jié)果偏于安全。

(3) 上述不同方法預(yù)測結(jié)果的差異主要來源于等效樁端阻力的計(jì)算方法的不同,以及側(cè)摩阻力是否設(shè)置限值。

(4) 對(duì)比分析結(jié)果適用于樁端持力層為密實(shí)砂層且樁長較短的情況,其他條件下仍需進(jìn)一步開展研究工作。