雙橋靜力觸探法在估算預應力混凝土管樁單樁承載力中的應用

吳偉

(蚌埠市勘察設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著城市建設的迅猛發展，高層建筑越來越多，天然基礎已不能滿足設計要求，采用樁基礎越來越多。蚌埠淮河沿岸土質較差，上部為可液化土層，高層建筑主要采用預應力混凝土管樁，特別是在近幾年，預應力混凝土管樁在蚌埠地區沿淮地段不斷推廣，并受到了一定好評，但也存在估算單樁承載力等問題，單樁承載力對工程有著很大的工程意義。本文采用雙橋靜力觸探試驗成果對預應力混凝土管樁單樁承載力進行估算，并討論其工程應用。

2 雙橋靜力觸探的概述

2.1 靜力觸探原理

靜力觸探(CPT)是用靜力將探頭以一定的速率壓人土中，利用探頭內的力傳感器，經過自動記錄儀來存儲貫入整個過程所得到的各種數據，這些數據反映了地基土的各種測量參數，如土類的判別、土的物理性質、土的強度等。再通過貫入阻力與土的工程地質特征之間的定性關系和統計相關關系，來取得土層剖面，提供地基承載力，選擇樁端持力層和估算單樁承載力等工程勘察成果。

2.2 雙橋靜力觸探基本參數

(1)探頭圓錐底截面積為15 cm2，錐尖角為60°，摩擦套筒高21.85 cm，側壁面積為300 cm2;

(2)探頭應勻速垂直壓入土中，貫入速率以1.2 m/min;

(3)探頭測力傳感器應連同儀器、電纜進行定期標定，室內探頭標定測力傳感器的非線性誤差、重復性誤差、滯后誤差、溫度漂移、歸零誤差均需要小于1%現場試驗歸零誤差應小于3%;

(4)深度記錄的誤差不該大于觸探深度的士1%;

(5)當貫入深度超過30 m，或穿過厚層軟土后再貫入硬土層時，應采取對策避免孔斜或斷桿，也可配置測斜探頭，量測觸探孔的偏斜角，校正土層界線的深度。

2.3 雙橋靜力觸探特點

雙橋靜力觸探以錐尖阻力(qc)和側壁阻力(fs)兩項指標來反映地基土實際強度及變形特性。在實際工程應用中，由于不同類型的土可能具相同的ps、qc或fs單項值，因此單靠某一個指標，是無法對土層正確分類的。使用雙橋探頭時，因為不同土質的qc和fs不可能都相同，因而可以利用qc和fs這兩個指標來區分土層類別。雙橋靜力觸探會更真實、更準確的記錄下土層詳細情況。雙橋靜力觸探既是一種原位測試手段，也是一種勘探手段，它和常規的鉆探—取樣—室內試驗等勘探程序相比，具有快速、精確、經濟和節省人力等特點。此外，在采用樁基工程勘察中，靜力觸探能準確地確定樁端持力層等特征也是一般常規勘察手段所不能比擬的。

3 預應力混凝土管樁施工特點及沉樁機理

靜壓法施工是通過靜力壓樁機的壓樁機構以壓樁機自重和機架上的配重提供反力而將樁壓入土中的沉樁工藝。由于這種方法具有無噪音、無振動、無沖擊力等優點，適應今后對綠色巖土工程的要求;同時壓樁樁型一般選用預應力管樁，該樁作基礎具有工藝簡明，質量可靠，造價低，檢測方便的特性。兩者的結合便大大推動了靜壓管樁在蚌埠地區淮河沿岸的應用，使之成為蚌埠樁基發展的主打產品。靜壓樁沉樁機理沉樁施工時，樁尖“刺入”土體中時原狀土的初應力狀態受到破壞，造成樁尖下土體的壓縮變形，土體對樁尖產生相應阻力，隨著樁貫入壓力的增大，當樁尖處土體所受應力超過其抗剪強度時，土體發生急劇變形而達到極限破壞，土體產生塑性流動(黏性土)或擠密側移和下拖(砂土)，在地表處，黏性土體會向上隆起，砂性土則會被拖帶下沉。在地面深處由于上覆土層的壓力，土體主要向樁周水平方向擠開，使貼近樁周處土體結構完全破壞。由于較大的輻射向壓力的作用也使鄰近樁周處土體受到較大擾動影響，此時，樁身必然會受到土體的強大法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁尖阻力的抵抗，當樁頂的靜壓力大于沉樁時的這些抵抗阻力，樁將繼續“刺入”下沉。反之，則停止下沉。

4 估算預應力混凝土管樁單樁豎向極限承載力實例分析

4.1 工程地質概況

蚌埠某高層建筑工程位于在淮上區政府西路以西、政府北路以北。主要建筑物包括1 棟18 層商住樓，13 棟11 層住宅樓，27 棟3 ～6 層住宅樓，一層地下室。擬建場地地貌單元屬淮河北岸河漫灘相。主要土層為:①層耕土(Q4ml)，②層粉土(Q4al)，③層淤泥質粉質黏土(Q4al)，④層粉質黏土(Q4al)，⑤層細砂(Q3al)，⑤1層粉質黏土和細砂互層土(Q3al)，⑥粉質黏土(Q3al)，⑦層細中砂(Q3al)，⑧層全風化花崗片麻巖(Ar)，⑨層強風化花崗片麻巖(Ar)，⑩層中風化花崗片麻巖(Ar)。在勘探深度范圍內所揭露的10 個土層中，⑤層細砂和⑦層中砂強度較高。對本工程來講，建議選擇⑤層細砂或⑦層中砂強度較高作為樁端持力層。最初擬采用沉管灌注樁，經鉆探后建議采用預應力混凝土管樁(PHC 樁)。

4.2 實例計算

本場地地上部Q4沉積地層較厚且為液化土層，其含水量高、狀態差、強度低，不宜作為天然地基上的淺基礎持力層使用且工程上部荷載較大，擬采用預應力混凝土管樁，且樁外徑600 mm、內徑340 mm。分別采用雙橋靜力觸探法和經驗參數法估算單樁豎向極限承載力標準值。

(1)雙橋靜力觸探法

按《建筑樁基技術規范》(JGJ94 －2008)5.3.4 條，當根據雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值時，對于黏性土、粉土和砂土，如無當地經驗時可按下式計算:

式中:QUK——單樁豎向極限承載力標準值(kN)

QSK、QPK——分別為總極限側阻力標準值(kN)和總極限端阻力標準值(kN);

u—樁身周長(m);

li—樁周第i 層土的厚度(m);

βi—第i 層土樁側阻力綜合修正系數，黏性土、粉土:βi=10.04(fsi)－0.55;

砂土:βi=5.05(fsi)－0.45;

fsi——第i 層土的探頭平均側阻力(kPa);

α—樁端阻力修正系數，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2;

qc—樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面;以上4 d(d 為樁的直徑或邊長)范圍內按土層厚度的探頭阻力加權平均值(kPa)，然后再和樁端平面以下1 d 范圍內的探頭阻力值(kPa)進行平均;

Ap—樁端面積(m2)

根據場地內jk2，jk4，jk14，jk20 四個靜探孔的資料見圖1，采用⑦層細中砂作為樁端持力層，并進入樁端1.5 m。采用式(1)計算如下:

jk2 號孔:QUK=QSK+QPK=u∑liβifsi+αqcAp=1.884×［4.5 × 10.04 × (34.2)－0.55× 34.2 + 2.1 × 10.04 ×(15.9)－0.55×15.9 +6.5 ×10.04 ×(32)－0.55×32 +6.8 ×5.05×(93.0)－0.45×93.0+3.8×5.05×(62.0)－0.45×62.0+2.7 × 10.04 × (14.7)－0.55× 14.7 + 1.5 × 5.05 ×(177.6)－0.45×177.6+0.5×19340×0.1919］=4246 kN;

同上所得，jk4，jk16，jk20 號孔單樁豎向極限承載力標準值QUK分別為4 737 kN，4 632 kN，4 756 kN，其平均值:QUK=4593 kN。

各孔的側壁阻力和錐尖阻力及各孔詳細資料如表1、圖1所示。

表1 巖土參數標準值采用表

圖1 靜力觸探資料地質剖面圖

(2)經驗參數法計算

按《建筑樁基技術規范》(JGJ94 －2008)5.3.8 條，當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定敞口預應力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標準值時，可按下列公式計算:

當hb/d ＜5 時，λp=0.16hb/d

當hb/d≥5 時，λp=0.8

qsik—樁側第i 層土的極限側阻力標準值，如無當地經驗時，可按《建筑樁基技術規范》(JGJ94 －2008)表5.3.5 －1 取值;

qpk—極限端阻力標準值，如無當地經驗時，可按《建筑樁基技術規范》(JGJ94－2008)表5.3.5－2 取值。

Aj—空心樁樁端凈面積:管樁:Aj=π/4(d2－d21);

Apl—空心樁敞口面積;

λp—樁端土塞效應系數;

d—空心樁外徑;

d1—空心樁內徑。

同樣根據場地內jk2，jk4，jk14，jk20 四個靜探孔的資料，采用⑦層細中砂作為樁端持力層，并進入樁端1.5 m。采用式(2)計算如下:

jk2 號孔:Quk= QSK+ QPK= u∑qsikli+ qpk(Aj+λpApl)=1.884 ×(40 ×4.5 +28 ×2.1 +60 ×6.5 +56×6.8 + 40 × 3.8 + 55 × 2.7 + 80 × 1.5)+ 6500 ×(0.1919 +0.0907 ×0.40)= 4177(kN);

同上所得，jk4，jk16，jk20 號孔單樁豎向極限承載力標準值QUK分別為4 208 kN，4 308 kN，4 360 kN，其平均值:QUK=4 263 kN。

各孔的側阻力和端阻力及各孔詳細資料見表1及圖1。

4.3 結果對比與分析

經過兩種單樁承載力算法，靜力觸探法比經驗參數法值對比和分析，現總結如下;

(1)單從兩種計算過程來說，用靜力觸探資料估算混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值，方法較為簡單，計算過程不繁瑣，靜探數據為原始數據，但對樁端qc值的計算較為繁瑣。對于經驗參數法，其數據都是估算值，沒有靜探資料直接。同時靜探資料也能采取一孔一算，上述幾點比經驗參數法優越。

(2)單從計算結果來說，經驗參數法計算數值小于靜力觸探資料計算的數值。對于本工程來說，如果以靜力觸探資料計算出的數值為主，作為樁基礎的初步設計的參數，可有效地減少工程上對人力和物力的浪費。

(3)單從適應性來說，蚌埠沿淮地區的地貌單元類型為淮河河漫灘，主要土性為黏性土、粉土、砂土。靜力觸探適合該地質環境，也可更好地反映沉樁情況。

(4)從準確性來說，靜力觸探法估算的平均值比經驗參數法估算的平均值大了330 kN，高出約8%。從工程試樁結果來說，其值大于經驗參數法估算值和靜力觸探法估算值，靜力觸探法估算值更接近試樁結果。但其準確性還需要更多的資料來驗證。

(5)兩種估算結果都小于試樁結果，可能原因如下:①估算的側壁及樁端估算值保守，導致其經驗參數法估算單樁豎向極限承載力標準值偏小。②靜力觸探法中的βi選擇，在場地內⑤1層粉質黏土和細砂互層土，對于βi選擇也是值得考慮的。③靜力觸探原始數據的處理問題。靜力觸探曲線上經常會出現非常陡的“峰”或“谷”，這正反映了天然沉積土層，特別是砂層的土性、強度的變化。對于本工程來說，對于樁端qc的統計就存在不小的差別。④《規范》中的計算公式，是適合全國的，全國各地區地質條件不盡相同，各地都有特殊性，如果要想估算出更符合實際的數值，應該積累本地區的資料，在有大量的可靠資料后，對該公式進行某些修正，使之能適用本地區的各種地質條件的公式。

5 結 語

通過蚌埠沿淮地區的實際工程場地的雙橋靜探資料并按照《建筑樁基技術規范》(JGJ94 －2008)中靜力觸探的方法對預應力混凝土管樁單樁豎向極限承載力標準值進行估算，并與經驗參數法估算值進行對比與分析，雙橋靜力觸探法估算預應力混凝土管樁單樁承載力在蚌埠沿淮地區是可以適用的。同時靜力觸探適合該地質環境，且靜力觸探機理和預應力混凝土管樁的作用機理類似，可以采用雙橋靜力觸探法為基準，通過積累本地區的工程資料，對公式進行修正，建立地方經驗公式，從而提高估算單樁豎向極限承載力的準確性，從而提高工程勘察成果質量，為工程節約經濟成本。

［1］工程地質手冊編委會．工程地質手冊(第四版)［M］．北京:中國建筑工業出版社，2007．

［2］JGJ94 －2008．建筑樁基技術規范［S］．

［3］梁勇．靜力觸探試驗估算預應力混凝土管樁單樁承載力的工程應用［J］．廣西城鎮建設，2009(4):99 ～102．

［4］張俊仁．用靜力觸探資料估算單樁豎向極限承載力標準值的幾點體會［J］．吉林地質，2011，30(1):139 ～142．