经验法与试桩法的单桩承载力对比研究

佟 弢，肖雄丙

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津，300220）

引言

现今，在水运工程建设中，对地基变形与承载力要求较高的场地多采用桩基础结构。对于勘察检测工程师而言，确定本场地的桩基参数和单桩的轴向极限承载力Qk是否符合工程设计施工的要求，是工作中的重中之重。勘察和检测工作中主要有两种手段确定桩基参数和Qk：一是依据规范与地区经验的规范经验法，二是现场进行试验的试桩法。国标规范中明确规定：“勘察报告中应对有关岩土层基桩的侧摩阻力和端阻力进行提供[1]”，这就要求勘察检测单位依据规范标准和当地的工程经验给出适宜的参数与估算值。试桩法检测Qk的方法主要包括单桩的静载荷试验与高应变试验，其中静载荷试验所得数值相对比较准确可靠。

本文旨在通过对Qk的确定方法进行比较研究，提升工程整体的科学性、经济性，服务后期桩基设计施工。

1 工程实例

1.1 工程概况

天津港某液体化工码头工程，位于天津南港工业区，拟使用预制桩进行施工，码头基础拟使用的桩型为边长为0.65 m 的混凝土方型桩。勘察检测工程师在具有勘察代表性的区域中的钻孔S95 附近的海上进行了试验桩的静载荷试验，对试验中得出的Qk实测值与勘察报告中依照规范经验法提供的Qk估算值进行对比研究。

1.2 试桩区域内土层的性质参数[2]

试桩区域位于工业区西港池南部，独流减河入海口南侧，属于华北平原东部滨海平原地貌，为淤泥质平原海岸。

本工程试桩区域范围内的地形与地貌的基本特征以堆积地貌为主，颗粒组成以淤泥质土、黏性土、粉土与粉细砂等细颗粒为主。试桩区域内各土层的性质特点列表1[3]。

表1 试桩区域内各土层性质特点

勘察过程表明，试桩区域内的土层分布较规律，土的工程性质特点依次表现出上部松软，下部可塑或中密～密实的宏观趋势[4]。结合本工程室内土工试验的资料数据，勘察工程师对试桩区域内的黏性土层进行了分层OCR（超固结比）统计。结合统计结果与已有工程经验对各土层进行了应力历史分析，分析结果显示：②1淤泥和②2淤泥质粘土为欠固结土层，②3粘土、②4粘性土混碎贝壳及③3粘土均为正常固结土层，④1粉质粘土为超固结土层。

勘察阶段根据现场外业的钻探资料、现场原位测试的成果及土工试验的成果资料，对各土层的性质指标进行汇总、统计、分析，依据《码头结构设计规范》（JTS167-2018），结合本地区工程经验，提供了试桩区域范围内土层的指标和预应力方桩的桩基参数，如表2 所示。

表2 试桩区域内土层物理指标与预应力方桩桩基参数

2 规范经验法Qk 的估算值[5]

本次工程试桩试验在S95 钻孔区域的附近，共布置静载试验桩2 根，桩号为S1、S3，桩型均为边长为0.65 m 的混凝土方型桩，桩顶高程为+5.00 m，S1 桩端高程-25.01 m，S1 桩端高程-28.01 m,S95 钻孔孔口高程+0.69 m。由上述数据可知，S1 桩入土25.7 m，S3 桩入土28.7 m。Qk的估算公式如下：

式中：

U—桩身截面外周长（m）；

qfi—桩周土层的极限侧摩阻力标准值（kPa），本次计算取用表2 中数值；

li—桩身穿过第i 层土的长度（m）；

η—桩端的承载力折减系数，本次计算依照规范取值1.0；

qR—单桩的极限端阻力标准值（kPa），本次计算取用表2 中数值；

A—桩端外周面积（m2）。

结合表1 所示信息以及两桩的入土深度，考虑桩侧负摩阻力的影响，轴向极限承载力标准值估算值见表3。

表3 桩基Qk 估算成果表

3 静载试验法中Qk 的实测值[6]

3.1 试验方法

本次海上的桩基静载试验依据使用锚桩法进行，需要前期进行沉桩工作的包括试验桩、锚桩及基准桩。主梁和次梁架分别设在锚桩上，两者呈工字型排布。

本次轴向静载荷试验设备主要由提供反力设备、加卸载设备以及测量读数设备构成，如图1 所示。

图1 试验设备图

本次试桩试验为海上进行，使用快速法对所加荷载进行保持，每一次加载的持续时间为60 min。在增加荷载的过程中，每次荷载的增量相等，本次试验预估的最大加载量取设计荷载5 000 kN，每次的荷载增量为设计荷载的十分之一,本次试验中取500 kN，首次的荷载增量取1 000 kN；在卸载的过程中，每次的卸载量相等，每次的卸载量为加载时的两倍，本次试验中取1 000 kN。

本次试验沉降量的测读时间均是每次加载之后与卸载之后的第5、15、30、60 min。[7]

3.2 试验成果

本次工程两试验桩设计载荷要求≥5 000 kN，对S1 桩加荷至设计荷载5 000 kN，在S3 桩处继续加荷至8 000 kN 进行对比，S1、S3 桩的静载试验Q-S曲线见图2。

图2 桩基静载试验Q-S 曲线

由上可以得知，两条Q-S 曲线都较为平缓，并未呈现较为明显的折点或陡降，在达到预定荷载之后，两桩的桩身均未发生破坏，单桩的轴向承载力均满足设计荷载≥5 000 kN 的试验要求，试验成果列表见表4。

表4 桩基静载试验成果表

4 对比分析

结合上述表3、表4 成果数据可以得知，S1 桩的轴向承载力估算值与试验中得到的结果相差553 kN，占估算值整体的12.4 %。S3 桩的估算值与试验值相差较大，考虑到两桩桩身均未发生破坏，其单桩的轴向承载力仍有发挥的空间，为了深入研究其中的差异原因，本次试桩试验增加了桩身轴力测试，在两桩的桩身位置布置了应变式传感器装置。在本次静载试验的过程中，在试验桩身受最大载荷的条件下，测试试验桩的侧摩阻力qf与桩端阻力qR，利用现场试验数据与本次勘察报告中使用规范经验法提出的桩基参数进行进一步对比研究。在S1 受最大载荷5 000 kN 与S3 受最大荷载8 000 kN的条件下，两试验桩的qf与qR的实测值见表5。

表5 桩身轴力实测值一览表

由表5 成果对比表2，我们不难得出结论：试验桩的qf与qR仍有发挥的空间。前文的应力历史分析表明：上部桩侧黏性土呈欠固结～正常固结状态，底部黏性土为超固结土。对比S1 桩与S3 桩qf与qR的实测数值，结合桩侧土的应力历史[8]，对qf的实测值进行分析，S3 桩在达到设计荷载5 000 kN后，继续加载至8 000 kN，上部黏性土与粉土，受附加应力的影响，局部继续排水固结，对桩身的负摩阻力显著增大，导致继续加载时桩侧的qf呈降低的趋势，对于桩底附近土层，固结度较高，土质较密实，受附加应力固结作用不明显，继续加载时桩侧的qf呈增长的趋势；对qR的实测值进行分析，粉细砂层工程地质性质较好，整体呈密实状，在继续加载时的端阻力提升明显。

5 结语

水运港口工程中单桩的轴向承载力Qk是影响桩基础设计施工安全性与经济性的决定性参数。结合本次工程实例，详细阐明了单桩轴向承载力数值在经验规范法与试桩法中存在较大差异。勘察检测工作中，使用经验规范法估算Qk时，针对不同的土层，除规范中的数值和地区经验外，还应根据其应力历史，对桩基参数进行调整。在勘察过程中，不应局限于钻探与土工试验，应丰富和加强原位测试手段，使用多种原位测试、野外钻探及土工试验相结合的方式进行勘察工作。需把勘察与试桩工作互相结合起来，明确静载荷试验成果在桩基础设计施工中的重要性，多对勘察报告中经验规范法与检测工作中试桩法得出的数值进行对比分析研究。