基于反分析方法的静压桩复压力时效性研究

邓通发，曾峻雄，赵仲芳

（1.江西理工大学，a.建筑与测绘工程学院；b.资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.江西省赣南公路勘察设计院，江西赣州341000）

基于反分析方法的静压桩复压力时效性研究

邓通发1a，曾峻雄2，赵仲芳1b

（1.江西理工大学，a.建筑与测绘工程学院；b.资源与环境工程学院，江西赣州341000；2.江西省赣南公路勘察设计院，江西赣州341000）

用优化方法对前人得出的静压桩复压力时效性增长曲线进行参数反演，确定反分析目标函数，通过工程试验检测数据的验证分析，认为根据反演所得增长曲线可用于估算其他施工方法、桩长、直径、场地地质等相似条件下的静压桩复压力增长，其结果可为静压桩设计及施工提供有益参考.

静压桩；反分析；复压力；时效性

0 引言

相对打桩而言，静压预制桩无噪音、无振动,沉桩时桩身不出现动应力，因而可降低桩身混凝土强度等级和减少配筋.相对灌注桩而言，静压预制桩无泥浆等污染，预制桩体的质量更可靠，沉桩时还可以直接显示压桩力（沉桩阻力），用于更合理地确定静压桩的复压力和桩长.基于上述优点，并随着压桩机压桩能力的提升，静压桩在沿海软土地区以及人口密集的大城市得以广泛应用.

静压桩贯入土层时，桩位处土体被挤裂，桩周土体被重塑、扰动，原土体结构遭到破坏，改变了其工程性质，桩周土体的应力状态也发生改变.静压桩沉桩后，桩周土体中产生的超孔隙水压力会消散，土体再固结，其有效应力增大；重塑土体触变恢复，桩周土体的抗剪强度增加；桩周土体固结和触变恢复，会在桩周形成一土体硬壳层，该硬壳层的抗剪强度高于周围土体的抗剪强度，在桩体受到竖向荷载作用时，该硬壳层粘附于桩体一起移动，桩-土剪切面发生于该硬壳层外，增大了侧表面摩擦面积，从而提高桩的复压力.因此，静压桩复压力具有时效性，其时效性是土体触变恢复时效和固结时效的反映.

静压桩终压时，可以很方便地获知最终压桩力，即知道研究静压桩时间效应这一问题中时间为零时的极限荷载；而且，静力压桩机一般能自行移动，可以方便地间隔一定时间对已压桩进行重复施压，获得任意时刻的复压力（相当于极限荷载）.这使得研究静压桩复压力时间效应比打入桩等更方便.工程实践中，合理估计桩的复压力对优化设计和节省工程投资具有重要的意义.文中根据静压桩终压力与复压力数据反分析其复压力增长曲线参数，研究静压桩复压力的时效性[1-2].

1 静压桩复压力时效性反分析

1.1 复压力增长曲线

李雄等[3]根据打入桩不同时间间隔的静载荷试验结果，推导出的经验公式表明桩复压力呈双曲线增长.张明义等[4-5]进行了桩-土滑动摩擦试验研究，认为桩-土摩阻力的提高与土体的触变恢复规律基本相同，符合双曲线增长规律.张明义等[4]研究了静压桩复压力的时效性，复压试验和静载荷试验数据曲线图亦为双曲线.因此，静压桩复压力增长曲线一般表示为：

式（1）中：ηut为静压桩极限复压力提高的百分数/%，t为桩设置后的时间/d，a、b为常数.

于是，可推算出不同时刻静压桩的极限复压力，即

式（2）中：Qut为静压桩在复压时刻的极限复压力/kN，Q0为静压桩施工时的最终压桩力/kN，ηut由式（1）确定.

1.2 反分析目标函数的确定和检验

用优化方法[6-7]进行静压桩复压力时效性增长曲线参数反演，实质就是寻找一组待反演的参数，使根据反演所得的静压桩复压力时效性增长曲线计算的复压力与现场复压得到的实测值逼近.将公式（1）代入公式（2），并进行整理

实际工程中，由于静压桩桩周土体的触变恢复和固结，其复压力一般表现为增大的特性，也就是说，静压桩复压力增长曲线函数，即公式（1）为单调递增函数.并且，公式（1）中，t→∞此，反演参数应为正值.目标函数取为

式（5）中，x为待反演参数，x=[a b]T；Si（x）为由终压力和复压力变换来的新参量；为静压桩第i个复

压力的实测值；N为复压数；ni为第i根桩复压次数.

采用反分析预测静压桩复压力增长规律的拟合效果可以用均方根误差RMSE(Root mean square error)、模型效率EF(Modelling efficiency)进行检验[8-10]，计算公式为式（6）、（7）.

RMES（%）表示观测值yi和预测值间差异相对于观测值平均数y¯的百分比（分子）,其大小反映所用模型拟合时的相对误差.RMES（%）值越小,表示模拟越精确.

EF是评价模拟精确度的标准统计值.显然EF越接近1越好,取值范围为[0,1].

2 工程实例验证

分别取文献[11]、文献[12]的现场试验数据，实测静压桩终压力和复压力数据见表1、表2.

表1 实测填土静压管桩最终压桩力及复压数据

表2 实测深厚软土静压开口管桩最终压桩力及复压数据

由于该反演问题是带约束条件的线性最小二乘问题，用Matlab求解反演参数.采用表1、表2中1#、2#、3#桩的实测最终压桩力与不同时间的复压力进行参数反演，得到对应的复压力增长曲线.静压桩复压力增长曲线与实测离散数据点的比较如图1、图2所示，RMSE分别为6.98%、4.79%，EF分别为0.936、0.978拟合效果较好.

图1 填土静压管桩复压力增长曲线

图2 深厚软土静压管桩复压力增长曲线

为再次验证基于反分析确定静压桩复压力的可行性.在江西赣州某粉质粘土静压桩工程中，根据两组实测终压力和复压力数据（见表3）进行参数反演，得到对应的复压力增长曲线（见图3）.用反演参数对应的静压桩复压力增长曲线对3＃桩复压力增长情况进行检验，如图4所示，说明用较少的试桩基于反分析方法确定静压桩复压力增长情况，再对其它桩的复压力增长进行估计，是可行的.

表3 试验桩的最终压桩力及复压情况

图3 试验静压桩复压力增长曲线

图4 静压桩复压力增长规律验证

由于不同桩的长度不同，桩直径、桩型有时也不同，桩位处的土层存在差异等方面的原因，用一个场地反演曲线估算另一个场地的静压桩复压力增长情况，可能不准.并且，有时在同一个场地，由于土层差异大等因素影响，实测数据太离散，复压力增长曲线规律性也不显著.但这种方法对相近情况下，估算静压桩复压力增长是有指导意义的.

3 结论

（1）文中1#至3#桩桩的实测数据表明，静压桩的复压力具有时效性.

（2）实测数据分析也表明，用静压桩的压桩数据进行其复压力的时效性研究是可行的.反演参数确定的静压桩复压力增长曲线可用于估算其它静压桩的复压力增长情况，但场地差异可能会影响估算的准确性，需要更多的实测数据进行进一步的研究.

（3）静压桩的终压力和复压起动压桩力与静载荷试验确定的桩承载力是不同的，它们之间的关系应该作更深入地研究.

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Time effect study of jacked piles re-pressure based on anti-analysis method

DENG Tong-fa1a,ZENG Jun-xiong2,ZHAO Zhong-fang1b
(1.Jiangxi University of Science and Technology,a.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering;b.School of Resource andEnvironmental Engineering,Ganzhou 341000,China;2.Jiangxi Province Gannan Highway Surveying and Designing Institute,Ganzhou 341000,China)

Parametric inversion is conducted for growth curve of the jacked pile re-pressure.Then the target function used for anti-analysis is determined.Through verification analysis on testing data in engineering,it is proved that the growth curve obtained by parametric inversion can be used to estimate the re-pressure growth of statically pressure piles with similar geological conditions,construction methods,pile length and pile diameter.The results of this paper are instructive and constructive to the jacked pile design and construction.

statically pressed pile(jacked pile);Anti-analysis;re-pressure;time effect

TU473.1

A

2011-12-20

江西省教育厅科技资助项目（GJJ10486）

邓通发（1980-），男，硕士，讲师，主要从事岩土工程等方面的研究，E-mail：dbdtf@163.com.

2095-3046（2012）03-0026-04