樁基工程中孔壓靜力觸探的應用分析

李祖科

（湖南省第十工程有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

靜力觸探機制是通過機械把探頭壓入土層內，同成樁機制類似，可以有效模擬沉樁過程，在屬于測孔壓探頭時，也就是孔壓靜力觸探。如今，通過原位測試結果對承載力開展評估，始終屬于一項重大課題。有研究人員基于研究原位測試結果，提出了根據壓縮模量來對沉降進行計量，且根據實測值和預測值開展驗證，獲得了計量樁基沉降的方式。有研究人員基于對現場試驗和模型試驗開展比較，研究了受力變形規律，獲得了堆載只對樁基影響較為突出，對深層土體影響較小的結論。有研究人員根據土體參數來對承載力進行預測，同時和曲線開展融合，給出了預測承載力的可行方式，同時經過試驗檢測，證明此方式的有效性。有研究人員分析評估樁基承載力的方式，且比較了優缺點，發現CPTU 方法精度較高，運用比較簡單，有著較大的發展空間。文章將根據某工程觸探數據和樁基數據開展研究，對承載能力開展預測評估。

1 靜力觸探技術運用和發展

（1）靜力觸探法分類和運用狀況。靜力觸探可以分成多類，比如單橋及雙橋靜力觸探，在探頭上，可以分成密度以及孔壓靜壓探頭等。對于單橋靜力觸探來講，它最早出現于64 年，長期實踐中建立了較多的經驗公式，有關規范早納入其中。相比之下，雙橋以及孔壓靜力觸探在國內運用歷史較短，第一項技術發展較為緩慢，而第二項技術只有一些單位在運用，同時缺乏豐富經驗，有關經驗在20 世紀90 年代才得到承認。

（2）測試功能和精度對比。①在劃分土層以及判斷土類上，CPTU 存在較大的分辨率。壓力值和滲透性息息相關，所形成的超孔壓較大，當進入砂層內時，超孔壓降低，在砂土內，在剪脹影響下，促使壓力負值，所以在區分時有著較大的分辨率。相比之下，通過CPTU 劃分土層剖面存在顯著的優勢，能夠節約時間、分辨率較大。實踐顯示，孔壓急劇降低的位置，往往有著很大的含砂量，土芯采取率無法實現百分之百，而CPTU 會精準記載地基土狀況，另一方面，即便室內實驗方式被大力推廣，但結果難以準確體現基土實況，土體擾動顯著，無法獲得完整試樣開展實驗，此部分常常屬于最薄弱部分，屬于處理方式應用的設計核心，而CPTU，在精度方面有著顯著優點。②在工程性質指標上，CPTU 能夠精準獲取固結以及滲透系數，對于沉降以及時間關系的評估，固結系數屬于不可或缺的指標參數，一般通過消散試驗估算，據此預估滲透系數，另一方面，也能夠通過孔壓值來對抗剪強度進行預估。

（3）主要設備構成。貫入設備包含多種型式，比如手搖，貫入能力能夠實現50t；觸探桿和電纜；信號發生器，能體現貫入深度狀況；觸探儀，可以收集原始數據信息；探頭；軟件，涉及傳輸與處理軟件。

（4）孔壓靜力觸探效益。①運用范圍較廣，適用諸多領域，包括橋梁、鐵路等。②根據價格效益比分析，所需費用較低。相比之下，能夠節約勘探費。③設備較輕，方便攜帶，操作不難。④功能完善，精準度高。可以精準劃分土層，明確固結系數[1]。⑤勘探周期較短。能夠開展實時控制，也就是一邊收集數據，一邊處理，由此當日獲取結果。

2 CPTU 的原理

對于孔壓靜力觸探（CPTU），它是在圓錐探頭中，布設透水過濾器與傳感元件，探頭貫入土體期間，能夠記載孔隙水壓力的改變，進而能夠比較精準地劃分土類、預測土體特性。不僅如此，基于在某深度位置停止貫入，能夠量測消散，由此能夠估算固結系數與滲透性指標。CPTU 橫截面如圖1 所示，主要構件包括過濾器、套筒與傳感器等。錐頭貫入時被擠壓，空腔和傳感器銜接，利用過濾器能夠獲取孔壓。過濾器位置通常存在多種，如圓錐肩部以及底部。錐頭側面過濾器對孔壓改變較為靈敏，然而，測值的穩定性較低，可能被損；圓錐底部過濾器孔壓較為穩定，然而，存在一定的滯后性，特別從消散試驗來分析，會發生失真情況；圓錐肩部過濾器孔壓比較穩定，并且由于錐頭保護，不易被損，存在較長壽命。不僅如此，如今對CPTU 的修正一般是基于錐頭阻力。所以，通行的CPTU 規范，一般使用圓錐底部過濾器。

圖1 CPTU 橫截面

式中：Qt——修正錐尖阻力；Qc——實測阻力；μ——孔隙水壓力；α——修正面積比，其值是An/Aq。

CPTU 相關面積如圖2 所示[2]。20 世紀70 年代以來，CPTU 獲得了廣泛運用與發展，且成為重要的勘察方法之一。很多國家和地區都規定了CPTU 標準以及規范。我國在1985 年引入該項技術之后，很多科研機構與勘察單位開展了運用與分析。特別這幾年，伴隨基建設施的不斷發展，在很多大型工程中，存在更多的CPTU運用案例。

圖2 CPTU 相關面積

3 基于CPTU 預測評估樁基承載力的方式

現如今，存在較多的方式能對樁基承載能力進行評估，但都是在式（2）至式（4）的基礎上開展評估。

式中：Qm——極限承載能力；Qp——樁端承載力；Qf——摩阻力；Ap——端部受力面積；As——樁側受力面積；qp——端部承載力；fp——樁側承載力。

CPTU 評估承載力的運用，很多研究人員對其開展了研究，且提出了評估承載力的方式。有研究人員對樁基承載力開展預測，根據CPTU 試驗對阻力系數進行反推。

式中：Qp——樁端阻力；Qe——修正值；Cq——樁端阻力有關系數。

通過孔壓靜力觸探試驗來反推樁端阻力系數：

式中：Cqe——樁基單位面積樁端阻力相關系數；Nc——CPTU 承載力系數；Nke——圓錐系數。

可通過式（7）來推算圓錐系數：

式中：Qc——錐尖阻力；Sm——抗剪強度[3]。

并且，能夠根據式（1）、式（2）、式（3）、式（5）、式（6）、式（7）反推Cq。

預制靜壓管樁外徑為500mm 時反算結果：Cq為0.5，Nke為16.4，Nc為8.2；預制靜壓管樁外徑為400mm時反算結果：Cq為0.53，Nke為18.8，Nc為10；水泥攪拌樁外徑為400mm 時反算結果：Cq為0.6，Nke為17.9，Nc為10.7；混凝土管樁外徑為600mm 時反算結果：Cq為0.4，Nke為14.7，Nc為5.9。

有研究人員根據觸探試驗及荷載試驗開展比較，給出了利用阻力凈值來對側摩阻力及樁端阻力進行計算的方式，如式（9）和式（10）所示。

可通過式（11）來推算阻力凈值：

式中：Qt——修正值；σv0——土層應力。

根據摩擦阻力以及超孔壓能夠計算樁側摩阻力，相比于砂土，黏土孔壓較高，摩擦阻力表現出線性關系。有研究人員對于黏土地層，給出樁端阻力能夠根據錐尖阻力值直接獲取，同時能夠根據側摩阻推測單位側摩擦力。從研究思路上開展區分，基于CPTU 預測評估樁基承載力的方式一般包含兩類，首先，通過錐尖助力來對側摩以及樁端助力進行預測；其次，通過側摩阻以及錐尖阻力，來對側摩以及樁端阻力進行預測。

4 運用孔壓靜力觸探的意義

建筑物種類較多，核心構筑物荷重大，占地大，涵蓋很多的巖土問題。孔壓靜力觸探以其諸多優勢，包括迅速、精準劃分土層、原位檢測固結系數，在工程勘察方面有著較大的意義。一般表現于這些層面：①明確淺層土力學性質。特別是預測評估承載力和液化判斷。②明確樁基參數。結合該項方法獲取的錐尖以及側摩阻力可以切實體現樁基承載性狀，由此獲得樁基參數。③明確固結系數。消散試驗能夠直接獲取固結系數，孔隙水壓力存在瞬時性，貫入期間暫停，壓力會伴隨時間消散，主要是徑向滲流，孔壓將實現平衡。④明確基坑設置參數。利用超孔壓比能夠有效計算黏聚力，由此科學明確橫向荷載。⑤滿足工程勘察潮流。伴隨設計單位走出國門，參加國際大型項目的設計，在項目勘察以及設計階段盡快和國際接軌尤為關鍵，這需要健全勘察理念；另外在勘察方式上也應該進行優化，作為重要的觸探技術，CPTU 已被更多的國家與地區認可[4]。所以，靈活應用CPTU 對增強設計單位的競爭力，發揮較大的推動作用。

5 樁基工程中CPTU 方法的運用

某一工程樁基，項目地質狀況較為復雜，從土層結構來分析，上層屬于淤泥土，中層屬于黏性土，持力層屬于風化巖，樁基直徑大小是1.2m。為了評估預測此樁基的承載力，在其周圍兩米范圍內開展了CPTU 試驗，將試驗結果當作預測承載力的數據。此次研究借鑒已有的預測方式，根據測試結果及樁基資料來研究樁基阻力。

（1）超孔壓和阻力的關系。根據觸探結果以及樁基資料研究超孔壓與阻力的關系，超孔壓和阻力的關系如圖3 所示，超孔壓與阻力之比的相關性比較良好。

圖3 超孔壓和阻力的關系

（2）單位面積樁端阻力系數反算。根據錐尖阻力值能夠獲得樁端阻力：

式中：Qp——樁端阻力；Cq——阻力系數；Qe——錐尖阻力有效值[5]。

同時在這一地層中，樁端阻力與錐尖阻力存在對應關系，所以阻力系數能夠根據錐尖阻力開展推算：

式中：Qp——樁端阻力；Aq——截面積。

根據式（1）至式（13）與該項目的樁基資料，能夠對阻力系數開展反算，具體如下：①樁號1，Qp為1899kN，樁 徑 為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為20.5MPa，Cq為0.075。②樁號2，Qp為1901kN，樁徑為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為20.5MPa，Cq為0.076。③樁號3，Qp為1781kN，樁徑為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為17.6MPa，Cq為0.082。④樁號4，Qp為1779kN，樁徑為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為17.6MPa，Cq為0.082。根據以上結果可以得知，樁端阻力系數介于0.075～0.082。

（3）相關問題探討。①探頭飽和。探頭內若存在氣體，在貫入期間，孔隙水壓力無法切實傳到過濾器，由此造成數據失真，所以試驗之前，探頭飽和非常關鍵。核心包含這幾點：要把探頭放在飽和器內抽真空，時長要超過30min，關掉真空泵、運行進水閥之后，要讓無氣水進到容器中同時淹沒探頭，時長要超過12h。不僅如此，在探頭與探桿銜接期間，要使用保護措施，防止和空氣接觸。②貫入速度影響。根據有關規定，在進行CPTU 測試時，貫入速度應是（2±0.5）cm/s。這一速度下，針對粗粒土，相當于排水條件，針對細粒土，類似不排水條件，針對中等粒徑土，類似局部排水條件。各種排水條件的影響體現于孔壓值，所以，確保貫入速度穩定，屬于精準劃分地層的核心所在。

6 結論

本文根據具體工程中的觸探數據，對承載力開展評估預測，且比較了修正值、樁端阻力，獲取了該項目樁基承載力經驗公式參數，同時獲得如下結論：①因為CPTU 的試驗機制更適用成樁過程開展模擬，同時操作規程基本上不被人為因素干擾，相比于原位測試，CPTU測試更為穩定，基于CPTU 的樁基承載力的結果也更為精準。②本文基于前人研究，對某一樁基項目開展了CPTU 試驗，同樁基資料相融合，給出了樁基承載力預測，為此樁基項目的改善提供了借鑒數據，利于平衡該項目的經濟性。③因為數據數量的約束，針對該工程的樁基承載力評估，只給出了初步計算模型，還有待深入完善以及驗證。