基于单桥静力触探的静压桩沉桩阻力估算方法
2019-06-26黄凯张明义白晓宇孙文来
黄凯,张明义,b,白晓宇,b,孙文来
(青岛理工大学 a.土木工程学院;b.蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心,山东 青岛 266033)
在中国,随着土木工程建设进度的不断向前推进,静压桩以其诸多优点被广泛应用到桩基工程中。在静压桩施工前估算出沉桩阻力,就可以解决桩基设计施工过程中对桩端持力层和桩机型号的选择以及对沉桩可能性的判断等诸多难题。由于静力触探过程与静力压桩过程十分相似,因此,采用静力触探试验对静压桩沉桩阻力进行估算不失为一种有效方法[1-4]。
静力触探试验(cone penetration test, CPT)是采用特定的机械压入装置,用一定的静力将触探探头按一定速度匀速压入土中,同时,利用探头内部装有的力学传感器或机械测量仪表将探头受到的贯入阻力实时记录保存下来。根据触探探头所测得的贯入阻力情况来分析土层的物理力学性质,从而达到划分土层、评价地基土承载力、选择桩基持力层、估算单桩承载力的目的。静力触探试验相比其他原位试验和室内试验具有连续贯入、施工快速、测量结果准确等优点,且能直接测得土体在原始状态下的物理力学参数[5-8]。
目前,对于用静力触探来模拟计算沉桩阻力的方法研究,已有很多学者做了相关工作[9-14]。静力触探过程与静力压桩过程极为相似,静力触探试验可以看作小型化的静压沉桩过程,二者的差别主要在于横向尺寸及纵向尺寸的大小不同。因此,对于静力触探的研究可采用与静力压桩相同的贯入理论和方法[15-16]。利用静力触探指标可以很好地对单桩承载力进行估算,但因金属探头和混凝土桩在外形尺寸、材料以及压入速度等方面所存在的差异,利用静力触探得到的力学参数不能直接用来估算沉桩阻力,需要对其进行修正处理。本文依据单桥静力触探资料得到的比贯入阻力,分桩端阻力和桩侧摩阻力两部分来估算沉桩阻力,同时,采用综合修正系数对端阻和侧阻进行修正,并自主编制了Visual Basic可视化计算程序,使计算更加方便快捷且直观。
1 用单桥静力触探ps值估算压桩力
单桥静力触探试验只能得到一个测试指标,即比贯入阻力ps,它能综合反映锥尖阻力和侧壁摩阻力的大小,能够与静压桩沉桩阻力建立某种联系。但由于土的类型、成因及年代等不同,不能用同一个函数式来推导压桩力。中国各相关规范规程中也给出了相应的规定,介绍了用静力触探成果来确定桩基承载力的方法。本文以《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中用单桥静力触探确定单桩承载力的方法为基础模拟计算沉桩阻力,提出考虑综合修正系数的承载力计算公式。
《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[17]中给出了没有地区经验时的单桩承载力计算公式,如式(1)所示。
Quk=u∑qsikli+α·pskAp
(1)
式中:u为桩身周长,m;qsik为由比贯入阻力pssi值估算得到的桩周第i层土的极限侧摩阻力标准值,kPa;li为第i层土的厚度,m;α为桩端阻力修正系数;psk为桩端附近的比贯入阻力平均值,kPa;Ap为桩端面积,m2。
由式(1)可以看出,桩承载力包括两部分,侧摩阻力和端阻力,因此式(1)可写成
(2)
式中:Qs为总的极限侧摩阻力,kN;Qb为总的极限端阻力,kN;pssi为第i层土的比贯入阻力,kPa;Ci为第i层土的侧摩阻力换算系数。
由式(2)可以看出,利用比贯入阻力ps值分桩侧摩阻力和桩端阻力两部分来估算压桩力,这样更有利于对静压桩施工过程中的沉桩阻力变化进行分析。
2 桩端阻力和桩侧摩阻力估算
2.1 桩端阻力估算
由(2)式可知,桩端阻力Qb的计算公式为
Qb=α·pskAp
(3)
由式(3)可知,桩端阻力与桩端附近的比贯入阻力有关,psk的取值问题包括取值范围和取值方法两个方面。取值范围是应该在桩端平面上下多大范围内取值,此处令桩端平面以上取值范围为d1,以下为d2;取值方法是如何按d1范围内的比贯入阻力psk1和d2范围内的比贯入阻力psk2来计算桩端总的比贯入阻力psk。取值范围和取值方法的确定主要与桩端土的类型和破坏机理有关,桩端土的类型和破坏机理不一样,其确定方法也不一样。
取值范围方面,一些规范给出了相应的建议值,如表1所示。
表1 取值范围建议值Table 1 The recommended value of value range
注:B为方桩的边长或圆桩的直径。
取值方法方面,有3种情况:
1) 认为桩端平面上下取值范围内的比贯入阻力对桩端阻力的影响相同,此时,桩端的比贯入阻力可按式(4)计算。
(4)
3)比贯入阻力根据取值范围大小取加权平均值,按式(5)计算。
(5)
2.2 桩侧摩阻力估算
由式(2)可知,桩侧摩阻力Qs的计算公式为
(6)
桩单位侧摩阻力fi的大小主要与桩周土的类型有关,fi需借助常规土工试验指标(如:土类、塑性指数及液性指数等),根据土的类别、埋藏深度、排列次序进行取值。此外,桩基规范中对于桩侧单位极限摩阻力的取值也给出了一定的说明。因此,根据土层情况,运用比贯入阻力对各土层的单位侧摩阻力fi进行估算可分为以下几种情况:
1)灰色淤泥质黏土或灰色黏土,这两类土颗粒较细,静力触探曲线线型较为平顺,起伏较小,可按式(7)估算单位桩侧摩阻力fi。
(7)
2)暗绿色黏土、坚硬或裂隙黏性土,为高度超压密土,这类土的静力触探曲线略有起伏,可按式(8)估算fi。
fi=0.25+0.025pssi
(8)
3)粉砂、细砂和中砂,这几类土颗粒较粗,其静力触探曲线起伏较大,可按式(9)估算fi。
(9)
4)粉质黏土和粉土,这两类土介于黏土和砂土之间,颗粒相对较粗,可塑性稍差,静力触探曲线与上述砂类土相似,可按式(9)估算fi。
5)当桩端穿透砂层底面时,由式(9)计算得到的侧摩阻力值偏大,此时可考虑采用一折减系数η按式(10)估算fi。
(10)
实际工程中,土层的性质较为复杂,采用上述计算公式有时并不能保证沉桩阻力的计算精度。因此,计算时可根据土层的实际情况,采用调节系数β对按比贯入阻力ps估算的单位桩侧摩阻力进行修正,那么压桩力的计算公式为
Quk=Qs+Qb=βu∑fili+α·pskAp
(11)
3 综合修正系数建议值
运用比贯入阻力psk计算沉桩阻力时,计算值的精度与综合修正系数α、β值有关,正确选用α、β值可使沉桩阻力计算值获得满意的结果。经研究分析可知,采用综合修正系数α、β对单桩承载力的计算进行修正是完全可行的。通过对端阻和侧阻在沉桩阻力中所占比例的分析可知,当桩的入土深度较浅时,侧摩阻力没有完全发挥,此时桩端阻力占主要部分;随着桩贯入深度的增加,桩侧摩阻力逐渐积累,所占的比例也逐渐增大。当桩端进入硬土层时,端阻会明显提高,同时,由于土层埋深较大,此时的侧摩阻力累计值已较大,因此,侧阻在沉桩阻力中仍可占很大。α、β值与土的类型及性质有关,通过对4个静压桩工程的计算,对比分析了压桩力计算值与实测值,得出了每个工程中各层土的综合修正系数取值,如表2所示。根据4个工程中的修正系数值,经过进一步的归纳与分析,提出了不同土类的α、β建议值,见表3。
表2 各工程的综合修正系数取值Table 2 The comprehensive correction coefficient of each project
表3 土类的综合修正系数建议值Table 3 The comprehensive correction coefficientrecommended value of soil
从表中的综合修正系数建议值可以看出,对于人工填土和淤泥,α、β基本为一常数;对于从黏性土开始的土颗粒不断变粗的土,α、β大体上随着土颗粒粒径的增大而增大,说明土颗粒越粗、土层强度越大,沉桩阻力计算值就越接近实测值。对于同类土的不同状态,当土由软变硬或由松散变密实时,α、β也相应变大,说明土质越硬越密实,沉桩阻力计算值与实测值的差异就越小。此外,对于除淤泥以外的其他土类,α均比β大,说明端阻的修正比侧阻的修正要小,与实际情况相符。
4 Visual Basic可视化程序的编制
为了使计算结果和测试结果的对比分析更加方便快捷,自主编制了Visual Basic计算程序,对沉桩阻力进行调试计算。程序计算时,以α、β为可变量,根据所测得的静力触探数据,采用式(11)模拟计算在不同深度下的沉桩阻力。Visual Basic程序做了可视化处理,能够把复杂的数据计算结果转变成可视化的数据曲线,便于和实测曲线进行对比分析,直观性强。程序的具体计算流程如图1所示。
图1 程序计算流程图Fig.1 The chart of program
计算程序开始调试前,一般先假设初始α、β都为1。输入试验参数和数据进行模拟计算,将初步模拟的结果与实测曲线进行对比,根据不同土层的分类,自上而下逐层调节系数的大小,直至计算曲线逼近实测曲线。调试计算时,先对上层土进行调节,待上层土满足计算要求后方可对下层土进行调节,通过不断地调整每层土的修正系数α、β值,使模拟曲线与实测曲线相逼近,最终确定出不同土层的α、β值。积累相关经验后,可为不同地区的相似静压桩工程提供价值参考。
5 工程实例计算分析
为了进一步验证式(11)计算沉桩阻力的可行性,以及对比分析实测阻力与模拟阻力的关系,引用了上海地区的两个静压桩工程实测压桩资料进行分析,整个计算过程由程序完成,测试结果以曲线的形式给出。
5.1 工程实例计算
1)上海市某水暖气材厂静压桩工程,桩长35.0 m,桩截面400 mm×400 mm,各土层的参数指标及综合修正系数见表4,计算曲线与实测曲线如图2所示。
表4 土层参数及综合修正系数值Table 4 The data of test pile and the comprehensive correction
图2 上海某水暖气材厂静压桩工程的实测曲线与计算曲线Fig.2 The measured curve and calculated curve of pile foundation engineering of a gas plumbing material factory in
2)上海市某大厦静压桩工程,桩长36.0 m,桩截面400 mm×400 mm,各土层的参数指标及综合修正系数见表5,计算曲线与实测曲线如图3所示。
表5 土层参数及综合修正系数值Table 5 The data of test pile and the comprehensive correction
图3 上海某大厦静压桩工程的实测曲线与计算曲线Fig.3 The measure curve and calculated curve of pile foundation engineering of a building in
5.2 计算结果分析
从图2和图3的沉桩阻力曲线可以看出,沉桩阻力估算曲线与静力触探比贯入阻力曲线沿深度方向的变化规律相似;未经修正的沉桩阻力计算曲线与压桩力实测曲线沿深度方向的变化规律大致相同,但计算值均偏大,且在不同土层中二者相差的程度也不一样。经过综合修正系数修正后的沉桩阻力计算曲线与压桩力实测曲线基本上相吻合,说明采用综合修正系数,利用静力触探指标预测沉桩阻力完全可行。在桩端进入持力层之前,沉桩阻力随贯入深度增加提高的幅度并不大,甚至在部分土层中出现压桩力下降的趋势;桩端开始进入持力层时,沉桩阻力增加较快,当桩端到达设计位置时沉桩阻力也达到最大值。此外,沉桩阻力与桩穿过土层的类型有关,对于土性相似的不同深度的土层,土层埋深越大,沉桩阻力也越高。
从桩端阻力曲线图可以看出,桩端阻力曲线与静力触探曲线及沉桩阻力曲线的变化规律一致,修正后的端阻力曲线与未修正的端阻力曲线相差不大,基本上相吻合,说明采用静力触探资料估算桩端阻力可靠度较高,端阻综合修正系数对桩端阻力的修正较小,未经修正的桩端阻力甚至可直接用来计算沉桩阻力。此外,桩端阻力不随深度线性增大,只有在桩端进入软硬程度不同的土层时才会发生突变。在同一层土中,随贯入深度的增加,桩端阻力提高的幅度并不大,此时沉桩阻力的提高主要来源于桩侧摩阻力的积累。
从桩侧摩阻力曲线图可以看出,桩侧摩阻力曲线与沉桩阻力曲线相似,但变化规律相差较大;未经修正的桩侧摩阻力计算值沿深度方向增加较快,与修正值相差较大,在沉桩阻力计算时若采用未修正值将导致沉桩阻力计算值过大,与实际情况不符。经过修正后的桩侧摩阻力随深度增加较慢。同时,由于浅部土层为人工填土或吹填土,土质疏松,地表以下5 m范围内的侧摩阻力修正值较小,几乎为零,此时的沉桩阻力主要由桩端阻力提供。此外,由于材料性质的不同,静力触探的侧壁摩阻力与桩的侧摩阻力在土层中的变化也不同,调整的幅度也不一样。
6 结论
1)从静力触探资料入手,对比了静力触探和静力压桩的关系,提出了由单桥静力触探比贯入阻力ps值估算沉桩阻力的计算公式。公式分桩端阻力和桩侧摩阻力两部分,同时,采用综合修正系数α、β对沉桩阻力进行修正,经修正后的沉桩阻力与实测值误差较小。实际工程中,利用单桥静力触探资料估算压桩力,可解决桩基设计中的诸多问题。
2)通过对几个工程的分析,提出了适用于不同土层的综合修正系数建议值,可为类似工程提供借鉴与参考。同时,自主编制了Visual Basic可视化计算程序,把复杂的测试数据转变成可视化曲线,使计算分析更加方便快捷、直观。
3)通过2个实际静压桩工程的计算,对沉桩阻力、桩端阻力和桩侧摩阻力在土层中的变化规律进行了分析,进一步验证了利用单桥静力触探比贯入阻力,采用综合修正系数,分桩端阻力和桩侧摩阻力计算沉桩阻力的可行性。