基于国外标准的静载试验数据分析方法

呙城新，王 东

（1.中交四航局第二工程有限公司，广州 510230；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220)

引言

静载试验是目前公认的获得桩基承载力最直观、准确、可靠的方法，对于项目所在地无地区经验可以参考时，静载试验是获取或验证桩基承载力设计值的重要工作，是桩基设计的重要环节。菲律宾某码头项目中，需要按照要求对集装箱岸桥后轨道梁下的桩基础进行静载试验，以验证桩基承载力值。由于合同规定主导规范为菲律宾标准和欧洲标准，因此，静载试验结果的分析需要同时满足菲律宾标准和欧洲标准。本文呈现了该静载试验数据并用三种方法对试验结果进行了分析和总结。另外，本文还参考欧洲标准和国外学者对于桩基础沉降的论述，使用数值模拟软件分析计算了桩基的沉降，与静载试验的沉降结果进行比较，满足了合同和业主工程师对于桩基沉降的要求。

1 桩基参数

本项目试验桩为集装箱岸桥的后轨道梁的基础，钢管桩钢材等级S355（欧洲标准），设计直径1 000 mm，壁厚17.75 mm，桩长28 m，桩顶标高+2.0 m，桩底标高-26.0 m。根据后轨道梁轴线上的钻孔揭示，轨道梁下卧土层主要为细砂及中粗砂，试桩位置由设计方与业主工程师共同确定，试验桩编号C55。

2 静载试验目标值

本项目试验桩为工程桩，因此不能做破坏性的静载试验来确定桩基承载力，而是需要确定一个静载试验目标值做验证性试验。根据结构计算结果，正常工况时桩基的竖向设计荷载为2 000 kN（不含分项系数），地震工况为2 750 kN。根据项目主导规范《菲律宾港务局港口工程结构标准》PPA ESPH (Philippine Ports Authority :Engineering Standard for Port and Harbor Structures)[1]中要求，静载试验的极限荷载应为单桩的设计荷载乘以适当的安全系数（表1，PPA ESPH 表4.1.1）：对于摩擦桩，正常工况下安全系数取2.5，地震工况下安全系数取2.0。故本项目静载试验的目标值为两种工况下的最大值，经计算取为5 500 kN。

表1 PPA ESPH 规范中建议的安全系数最小值

3 静载试验和荷载沉降曲线

静载试验按照美国材料试验协会ASTM D1143标准——轴向静压荷载下深地基的标准试验方法[2]。本次验证试验共加载3 个循环，试验数据整理如图1 所示。最大加荷为5 500 kN。

图1 静载试验的荷载-沉降曲线

4 静载试验结果分析

设计方按以下5 种方法对静载试验进行分析，并取最小值作为桩基承载力参考值：

1）菲律宾港务局港口工程结构标准PPA ESPH规定的极限荷载法；

2）英国（欧洲）海工标准BS EN 1997-1:2004 +A1:2013 方法：当难以从荷载-沉降曲线判定得到极限状态时，取等于桩直径的10 %的沉降量时所施加的荷载值为极限荷载值[3]；

3）Chin 方法，假设荷载-沉降曲线为双曲线[4]；

4）弗莱明（Fleming）方法，假设桩身和桩底荷载分别与沉降形成两个单独的双曲线[5]；

5）巴特勒（butler）和霍伊（Hoy）的斜率与切线法[6]。

但弗莱明（Fleming），巴特勒（butler）和霍伊（Hoy）方法需要破坏状态的荷载-变形曲线才能确定极限承载力，并不适用于工程桩静载试验分析。因此，本项目采用PPA ESPH 方法，BS-EN 方法和Chin 方法对实验结果进行分析。

4.1 PPA ESPH 方法

PPA ESPH 4.1.4 条规定当了什么情况下可以通过荷载沉降曲线确定极限荷载值，并将该值作为极限桩基承载力值。极限荷载不能从荷载-沉降曲线得到时，应确定屈服荷载，并从屈服荷载估算极限承载力。从荷载曲线可以看到，三个循环均出现了明显的屈服点，屈服值为4 812.5 kN。当在静载试验期间发生屈服时，极限承载力为屈服荷载的1.2 倍，即4 812.5*1.2=5 775 kN。

4.2 BS EN 1997-1:2004+A1:2013 方法

该方法规定当难以从荷载-沉降曲线判定得到极限状态时，取等于10 %桩径直径的沉降量时所施加的荷载值为极限荷载。试验桩直径为1 000 mm，直径的10 %为100 mm。3 个循环过程中达到试验目标值5 500 kN 时的最大沉降也仅为29 mm。由此可以推断，对于本次静载试验，当沉降量达到 100 mm 时，所需施加的荷载大于5 500 kN，因此该方法推算得出的极限承载力值大于5 500 kN。

4.3 Chin 方法

Chin 假设荷载-沉降的曲线关系是双曲线，纵坐标△/P 相对于横坐标△的曲线是线性的，该线性关系的反斜率就是极限荷载。依据该方法，分析得到△/P 与△的线性关系式为Y=0.1465X+0.9949（图2）。线性关系的反斜率为6 825 kN，可以得出桩基的极限轴向承载力为6 825 kN。

图2 循环1 的荷载沉降曲线

汇总上述3 种方法的分析结果如下表，可以看出本项目桩基承载力大于5 500 kN，承载力满足设计要求。

表2 静载试验分析结果汇总

5 动力检测与静载试验的比较

本项目还对C55 号工程桩进行了高应变动力检测，动力检测得到的极限荷载值为5 589 kN。这里将动力检测结果与静载试验分析结果进行比较，如表3 所示。

表3 动力检测结果与静载试验分析结果的比较

得到静载试验/动力检测比值之后，通过将一系列动力检测获得的极限荷载乘以该比值，就得到了该桩的静载试验预估值，从而根据该预估值推算出桩的极限承载力。表4 列出了这一系列动力检测桩的极限承载力推算值。

表4 由动力检测结果推算得到的桩基承载力

结合本项目情况，和静载试验桩C55 不同的是，C14 号桩所需的极限桩承载力为5 210 kN，C33 桩和C44 桩所需的极限桩承载力为5 300 kN。通过动力检测获得的极限荷载以及通过静载试验/动力检测比值推算出的这些桩的极限承载力均大于所需的极限承载力。因此，本项目的桩基具有足够的承载力，满足设计要求。

6 沉降结果

肯·弗莱明（Ken Fleming）等人编著的教材《桩基工程》（Piling Engineering）[7]中指出：“根据以往的经验，经常在工程实践中指定设计荷载下的沉降限值，例如，设计荷载下最大沉降量为10 mm。”

汤姆林森和伍德沃德（M Tomlinson and J Woodward）编著的教科书《桩基的设计和施工》[8]中写道，欧洲标准7（Euro code 7）并未就沉降计算和评估做出明确规定与说明，但要求通过计算作用效应的设计值Ed 并将其与作用效应的设计限值Cd 进行比较来确定正常使用极限状态。第7.6.4.1节规定，在桩端嵌入中密和密实土层的情况下，承载能力极限状态的设计安全要求通常足以满足结构的正常使用极限状态。对于单个桩基，欧洲标准7 中承载能力极限状态的分项系数的组合将产生一个介于2 和3 之间的整体安全系数，通常可以满足将沉降限制在10 mm 以内的工程实践要求。

在本项目所签订的《业主要求》第2 卷第3 章技术要求中，规定了在设计荷载作用下，第一/二次加载循环的沉降不超过15 mm。

从图1 中可以看到，当荷载小于4 800 kN 时，桩基变形处于线性弹性阶段。当荷载达到2 000 kN（设计荷载）时，桩沉降约为3 mm，远小于业主要求中的15 mm 允许沉降。

在2 000 kN 的正常工作工况设计荷载下，数值模拟软件ROBOT 分析计算得到的最大沉降为 7 mm，与现场静载试验实测值处于同一数量级，并小于业主要求的15 mm。

7 结语

本文基于一个按照美国材料试验协会标准实施的静载试验得到的荷载沉降曲线，分别用菲律宾港务局港口工程结构标准的建议方法、英国（欧洲）海工标准的建议方法和国外学者Chin 提出的方法等三种不同的方法分别分析了试验数据，并与动力检测结果进行了对比研究，分析结果表明桩基承载力满足设计要求。本文还参考欧洲标准和国外教材对于桩基础沉降的论述，使用数值模拟软件分析计算了桩基的沉降，与静载试验的沉降结果进行比较。这些研究与总结对于熟悉其他国家的规范对静载试验的规定和描述，加深对静载试验的理解，加强对国外规范的应用能力带来一定的帮助，本文的分析方法也为日后海外项目的静载试验分析提供了一些选择和参考。