静力触探估算预制桩单桩极限承载力与载荷试验的对比分析

赵勇刚

（上海申元岩土工程有限公司，上海 200011）

0 引言

在多数情况下，岩土工程勘察报告中，须要提供单桩竖向极限承载力标准值，以便设计师参考。确定单桩竖向极限承载力的方法有以静载荷试验和高应变试验为代表的直接法，以不同规范中采用取桩侧极限摩阻力和桩端极限摩阻力值估算的经验参数法和静力触探法估算的原位试验法为代表的间接法。静力触探技术自 20 世纪 50～60 年代引入国内以来，得到了广泛的应用和认可。现行的行业标准［1］和地方标准［2，3］中也都提出了基于静力触探方法确定预制桩单粧极限承载力的方法。

张忠坤［4］运用多元线性回归分析理论，探讨了单桩承载力与静力触探成果中间的相关关系，建立了单桩承载力的多元线性回归分析数学模型。

张俊仁［5］用静力触探资料估算单桩竖向极限承载力标准值，并把估算结果和传统的经验参数法估算结果和单桩静载荷试验资料进行了验证。从而说明该方法在不断积累经验后，在本地区是可以推广应用的。

路家峰等［6］对现行上海规范中应用静力触探成果指标估算预制桩单桩极限承载力的计算方法精度进行检验，提出了应用静力触探成果指标估算预制桩单桩承载力的改进计算方法。

1 计算公式

1.1 上海地区经验参数法

根据 DGJ 08－37－2012《岩土工程勘察规范》，第 14.5.2 条，依据土性以及静探比贯入阻力值确定各土层的桩周极限摩阻力和桩端处土的极限端承力，估算单桩竖向承载力设计值时，可按式（1）进行计算：

式中：Rd为单桩竖向承载力设计值，kN；Up为桩身截面周长，m；fsi为桩侧第i层土的极限摩阻力标准值，kPa，可根据土层的名称、埋藏深度及性质并结合原位测试值按 DG J08－37－2012《岩土工程勘察规范》表 14.5.5 所列的数值选用；fp为桩端处土的极限端阻力标准值，kPa，可根据土层的名称、埋藏深度及性质并结合原位测试值按 DG J08－37－2012《岩土工程勘察规范》表 14.5.5 所列的数值选用；li为第i层土的厚度，m；AP为桩端横截面面积，m2；γs为总侧摩阻力的分项系数，按端阻比ρp由 DGJ08－37－2012《岩土工程勘察规范》表 14.5.2－2 查用；γp为桩端阻力的分项系数，按端阻比ρp由 DG J08－37－2012《岩土工程勘察规范》表 14.5.2-2 查用；RPk为桩端极限阻力标准值，kN；Rsk为桩侧总极限摩阻力标准值，kN。

表1 场地土层分布及基本物理力学指标

则，预制桩单桩竖向极限承载力标准值可按式（2）计算：

式（2）中各参数意义同上式（1）。

1.2 改进计算方法

利用多元线性回归分析数学模型对预制桩单桩竖向极限承载力进行改进。

学者路家峰［6］在规范计算方法的基础上对土类加以合理的区分，将粉性土及砂性土侧阻力细分为黏质粉土侧阻力、砂质粉土侧阻力和砂土侧阻力三项，将桩端阻力项按实际粧基的情况区分为黏土桩端阻力和粉性土及砂土桩端阻力两项，改进后的多元线性函数为：

文献［6］采用多元线性回归分析数学模型，对大量试验数据进行分析，得出U1、U2…U8的常数项值见式（4）：

式中：yi为第i根桩单粧承载力极限值，kN；xi1为地表土侧阻力，kN；xi2为Ps值小于 1 MPa 黏性土侧阻力，kN；xi3为Ps值大于 1 MPa 黏性土侧阻力，kN；xi3+为Ps值大于 1 MPa 黏性土侧阻力常数项，kN；xi4为黏质粉土侧阻力，kN；xi5为砂质粉土侧阻力，kN；xi6为砂土侧阻力，kN；xi7为黏性土桩端阻力，kN；xi8为粉性土及砂土桩端阻力，kN；xi7和xi8两项必然有一项为 0。

2 工程实例

2.1 工程概况

上海市浦江镇联航路三鲁公路某工程主要由 2 栋 7 层的办公主楼组成，根据基础设计资料、建筑物底面单位面积荷载以及地下室或其他设备基础形式，勘察报告中场地土层分布及基本物理力学参数指标，如表 1 所示（场地绝对标高 4.9 m）。

根据设计要求，本工程的试桩 PHC 500AB100-37 和工程桩设计参数如表 2 所示。

表2 试桩设计参数一览表

2.2 单桩竖向抗压极限承载力标准值计算结果

根据场地地层条件计算得到的各变量的值，并根据相应公式计算得到了最终计算的单桩极限承载力值。

2.2.1 规范经验参数法计算

2.2.2 改进计算方法估算

按照 1.2 节中对相关参数的定义和描述，依据本文实例勘察规范的土层物理力学性质计算所得，xi1=40.8，xi2=22 656，xi3=5 824，xi3+=112，xi4=33 526.4，xi5=0，xi6=0，xi7=0，xi8=350.7。

2.2.3 现场破坏性试验所得

根据设计图纸要求对 S1# 和 S2# 进行单桩竖向抗压静载荷破坏性试验。S1# 抗压试桩Q-s曲线显示加载到 2 720 kN 时出现了明显陡降的起始点，该桩竖向抗压极限承载力为 2 560 kN；S2# 抗压试桩Q-s曲线显示加载到 2 240 kN 时出现了明显陡降，该桩竖向抗压极限承载力为 2 240 kN（见图 1）。

图1 S1# 和 S2# 抗压试桩 Q-s 曲线和 S-lgt 曲线

规范经验参数法、改进计算方法和现场破坏性试验单桩承载力对比分析，如表 3 所示。

表3 单桩竖向极限承载力对比表 kN

对比实测中得到的单桩极限承载力值，按照现行规范中得到的单桩极限承载力值较静载荷试验实测结果偏小 23.6 %，而改进计算方法得到的计算结果与静载荷试验实测结果相近度达到 92.0 %。

2.3 本工程桩 PHC 管桩竖向抗压极限承载力

PHC 管桩工程桩 PHC500AB（100）32，桩端持力层 ⑦1-2，桩顶相对标高-5.700 m（绝对标高-0.100 m），单桩极限承载力标准值为 3 300 kN。但在工程桩实际施工过程中出现大量的工程桩沉桩达不到设计标高，后经过设计提出选其中的两根桩通过高应变验证其单桩极限承载力。基桩设计参数如表 4 所示。

表4 PHC 管桩工程桩参数一览表

根据现场试验得到的力-时间曲线、力-速度-时间曲线、力-位移曲线和桩长-桩侧摩阻力分布曲线等实测曲线拟合法分析结果（见图 2 和图 3），并综合勘察报告，可以得出如下结论。

图2 25 # 桩实测拟合法曲线

图3 36 # 桩实测与拟合曲线

桩号 25 #，无缺陷，单桩极限承载力 3 530 kN；桩号 36 #，无缺陷，单桩极限承载力 3 635 kN。

根据 3.2 节计算结果表明，改进的计算方法估算单桩竖向极限承载力比规范中经验参数法估算极限承载力更接近预制工程桩的实际值。如果按照原设计指标，计算单桩竖向承载力得到：xi1=0，xi2=11 959，xi3=3 640，xi3+=70，xi4=19 868，xi5=15 000，xi6=14 000，xi7=0，xi8=997.8。

yi=0.937×0+0.056×11 959+0.032×3 640+0.549×70+0.014×19 868+0.016×15 000+0.009×14 000+0.974×0+1.437×997.8=2 902.6 kN。

计算所得的 PHC 管桩工程桩与静载荷试验实测值单桩极限承载力差了 17.1 %。

按照 3.1 节中提供的改进的计算方法以及对应的土层物理力学参数，计算 25 # 工程桩 PHC 管桩的单桩竖向极限承载力值得到：xi1=0，xi2=11 959，xi3=394640，xi3+=70，xi4=19 868，xi5=9 000，xi6=0，xi7=0，xi8=748.3。

yi=0.937×0+0.056×11 959+0.032×3 640+0.549×70+0.014×19 868+0.016×9 000+0.009×0+0.974×0+1.437×748.3=2 322.1 kN。

计算所得的 25 # 工程桩与高应变检测的单桩极限承载力差了 34.2 %。

通过计算，充分证明改进的计算方法估算单桩竖向极限承载力更加接近实测值，而对于没有达到设计标高的 PHC 管桩的计算，说明了预制桩沉桩挤土引起的桩周土体物理性质的改变［7-9］，从而改变了预制桩的单桩极限承载力的估算结果。对于预制桩的沉桩挤土效应导致桩基承载力的变化在这里不作讨论。

3 结论

本文结合工程实例对规范中经验参数法估算单桩竖向极限承载力标准值，以及路家峰学者提出的改进的静力触探估算单桩竖向极限承载力标准值和现场实测值作了比较分析，验证了改进的计算方法估算单桩竖向极限承载力标准值的方法比规范的方法更加接近实测值，也从一个侧面验证了改进的计算方法具有一定的普遍性和可行性。通过本文的计算和比较，得到以下主要结论。

1）现行规范中应用静力触探成果估算预制桩单桩极限承载力的方法与工程实测值存在一定的误差。

2）张忠坤、路家峰等学者提出的用线性回归的数学模型结合静力触探成果的改进的估算预制桩单桩竖向极限承载力的方法比规范中的估算方法更接近实测值，也说明了此方法具有一定的普适性。

3）当选择第⑥层作为桩基持力层时，桩身穿过的大多为软弱的黏性土，沉桩基本无困难；当选择第 ⑦1-1层作为桩基持力层时，桩身需要穿过厚约 5.52 m 的第⑥层粉质黏土，并进入第 ⑦1-1层砂质粉土一定深度，沉桩有一定的阻力；当选择第 ⑦1-2层地基土作为桩基持力层时，桩身不仅需要穿过第 ⑥ 层粉质黏土，还需穿过厚约 3.70 m 的第 ⑦1-1层砂质粉土，并进入第 ⑦1-2层粉砂层一定深度，沉桩阻力较大。

4）对于实际工程中预制桩 PHC 管桩沉桩时达不到设计标高，说明了预制桩沉桩挤土引起的桩周土体物理性质的改变，导致其单桩极限承载力的估算结果出现偏差。对于预制桩的沉桩挤土效应导致桩基承载力的变化还需要后续不断累积工程实例积累设计经验。Q