深層靜力觸探估算鉆孔灌注樁承載力研究

高　敬

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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深層靜力觸探估算鉆孔灌注樁承載力研究

高敬

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Study on the Estimation of Bearing Capacity of Bored Cast-in-situ Pile by Deep Penetration Test

GAO Jing

摘要深層靜力觸探技術(shù)能穿透較厚砂層，顯著增加測(cè)試深度，使應(yīng)用深層靜力觸探估算深長(zhǎng)灌注樁單樁承載力成為可能。結(jié)合灌注樁樁身內(nèi)力載荷試驗(yàn)和深層靜力觸探成果開展對(duì)比分析，提出新的修正系數(shù)計(jì)算公式，并對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中容許承載力計(jì)算公式的應(yīng)用給出建議。結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行檢驗(yàn)，為利用靜力觸探估算鉆孔灌注樁承載力提供一種新的途徑。

關(guān)鍵詞深層靜力觸探樁身內(nèi)力載荷試驗(yàn)灌注樁極限承載力容許承載力

1概述

隨著高速鐵路等高標(biāo)準(zhǔn)、重大工程建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁樁基工程設(shè)計(jì)占比和設(shè)計(jì)深度顯著增加，因而對(duì)工程勘察技術(shù)，特別是對(duì)原位測(cè)試技術(shù)提出了更高的要求。常規(guī)靜力觸探具有高效、資料連續(xù)、可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不易穿透硬層、測(cè)試深度較淺的不足，往往無(wú)法達(dá)到橋梁樁基工程的深度要求，用于估算深長(zhǎng)鉆孔灌注樁單樁承載力更是無(wú)從談起。

2001年，鐵三院提出深層靜力觸探的設(shè)想，經(jīng)過(guò)10余年的持續(xù)攻關(guān)，現(xiàn)已逐步發(fā)展成熟，并在工程勘察中得到應(yīng)用。深層靜力觸探是指使用深層靜力觸探設(shè)備及無(wú)纜觸探測(cè)試儀器，采用在觸探孔壁間注入潤(rùn)滑劑或下護(hù)管等工藝開展的靜力觸探試驗(yàn)[1]。實(shí)踐表明，在津冀地區(qū)較常規(guī)靜力觸探能穿透較厚砂層，測(cè)試深度增加20～40 m，最大達(dá)75 m，解決了常規(guī)靜力觸探不易穿透硬層，測(cè)試深度較淺的難題，使得將靜力觸探應(yīng)用于深長(zhǎng)鉆孔灌注樁單樁承載力估算成為可能。

結(jié)合某高速鐵路工程中鉆孔灌注樁樁身內(nèi)力載荷試驗(yàn)成果和深層靜力觸探成果，開展對(duì)比分析工作，提出了新的修正系數(shù)計(jì)算公式，并對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中容許承載力計(jì)算公式的應(yīng)用提出建議，最后結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行檢驗(yàn)。

2樁身內(nèi)力載荷試驗(yàn)

現(xiàn)行規(guī)范中單樁承載力的計(jì)算方法中都是分別計(jì)算樁側(cè)阻力和樁端阻力后再疊加，因此用試樁資料選取計(jì)算參數(shù)時(shí)，首先需確定樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的值，這項(xiàng)工作是研究單樁豎向承載力的前提和重要組成部分，也是分析樁荷載傳遞機(jī)理的基礎(chǔ)。劃分樁的端、側(cè)阻力最可靠的方法是實(shí)測(cè)法，即樁側(cè)阻力分布和樁端阻力測(cè)試。

樁側(cè)阻力分布測(cè)試是指在樁身不同高度埋設(shè)應(yīng)變測(cè)量元件，與靜載荷試驗(yàn)同步進(jìn)行，測(cè)量荷載作用下的樁身變形。假定樁身截面和彈性模量不變的條件下，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算樁身不同高度的應(yīng)力及軸力，從而得到樁身相應(yīng)段內(nèi)樁側(cè)摩阻力。樁端阻力測(cè)試是指在樁底埋設(shè)壓力盒，依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算樁端阻力。

在開展研究之初，認(rèn)為應(yīng)著力解決傳統(tǒng)試樁資料只有極限承載力成果，只能采用經(jīng)驗(yàn)方法劃分樁側(cè)阻力和樁端阻力的不足。因此，著力于收集樁身內(nèi)力載荷試驗(yàn)成果，以提高對(duì)比分析的可靠性。依托天津及周邊地區(qū)試樁資料，收集到共計(jì)30根樁的樁身內(nèi)力載荷試驗(yàn)成果，樁長(zhǎng)35～60 m，樁徑0.6～1.5 m。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的有效性，在載荷試驗(yàn)點(diǎn)附近對(duì)應(yīng)開展深層靜力觸探試驗(yàn)，共計(jì)完成37孔。

3修正系數(shù)研究

現(xiàn)行規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)、《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10018—2003)中，應(yīng)用靜力觸探成果確定單樁極限承載力采用的計(jì)算公式基本相同，不同的是依據(jù)土性、成樁工藝等選擇的修正系數(shù)，計(jì)算公式基本形式為

(1)

式中u——樁身周長(zhǎng)/m；

li——樁身穿過(guò)的第i層土厚度/m；

Ac——樁端面積/m2；

qcp——樁底端阻計(jì)算值/MPa；

βi——第i層土的樁側(cè)阻力修正系數(shù)；

α——樁端阻力修正系數(shù)。

沿用上述基本形式估算灌注樁單樁承載力，并結(jié)合試樁資料所得的樁側(cè)阻力和樁端阻力成果，分別對(duì)側(cè)阻力、端阻力修正系數(shù)開展對(duì)比分析工作。

3.1側(cè)阻力修正系數(shù)

(2)

(3)

圖1　靜力觸探估算深長(zhǎng)灌注樁側(cè)阻力修正系數(shù)

3.2端阻力修正系數(shù)

同樣沿用現(xiàn)行規(guī)程樁極限承載力公式中端阻力修正系數(shù)α，與前文得到的樁端阻力目標(biāo)值Fcp和觸探端阻力計(jì)算值qcp建立關(guān)系，即作如下定義

(4)

將得到的端阻力修正系數(shù)α與觸探端阻計(jì)算值qcp進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到36組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并繪制數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖、擬合曲線(圖2)，擬合得到端阻力修正系數(shù)公式

(5)

圖2　靜力觸探估算深長(zhǎng)灌注樁端阻力修正系數(shù)

4容許承載力計(jì)算公式中的應(yīng)用

進(jìn)行單樁承載力設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用極限承載力或容許承載力兩種方法。當(dāng)采用極限承載力設(shè)計(jì)時(shí)，可直接將前文得到側(cè)阻力、端阻力修正系數(shù)代入公式(1)進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)采用容許承載力設(shè)計(jì)時(shí)，可依據(jù)前文成果對(duì)公式形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

因而得到，基于靜力觸探確定鉆孔灌注樁單樁容許承載力公式

(6)

5工程實(shí)例

某工程實(shí)例中，參照“樁基”規(guī)范使用鉆探成果確定灌注樁單樁極限承載力，同時(shí)應(yīng)用前文側(cè)阻力、端阻力修正系數(shù)進(jìn)行估算，將上述不同方法得到的承載力值與現(xiàn)場(chǎng)試樁成果進(jìn)行比較。

5.1工程概況及試樁成果

某樁基工程，勘察階段完成鉆探4孔，靜力觸探4孔。該工程進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，樁徑600 mm，樁長(zhǎng)31 m，完成試樁3根，測(cè)試單樁極限承載力結(jié)果為3 720 kN。分別采用現(xiàn)行規(guī)范方法、靜力觸探方法進(jìn)行計(jì)算。

5.2現(xiàn)行規(guī)范方法

本文通過(guò)對(duì)已使用游客中心的游客進(jìn)行階梯式訪談，獲取“屬性-結(jié)果”“結(jié)果-價(jià)值”的關(guān)系矩陣，并生成結(jié)構(gòu)價(jià)值圖。根據(jù)該圖，提出游客對(duì)于游客中心的價(jià)值感知具有層次性的假設(shè)，即“游客對(duì)于屬性層價(jià)值感知顯著影響結(jié)果層價(jià)值感知”和“游客對(duì)于結(jié)果層的價(jià)值感知顯著影響游客對(duì)于價(jià)值層的感知”。其次，通過(guò)問(wèn)卷形式收集數(shù)據(jù)，運(yùn)用因子分析提取各層次感知價(jià)值維度，采用多元回歸就“屬性-結(jié)果層”與“結(jié)果-價(jià)值層”的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，并且通過(guò)可視化描述，建立大峽谷游客中心感知價(jià)值層次模型。與已有關(guān)于游客感知價(jià)值的研究相比，本研究探討了感知價(jià)值間的關(guān)系，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

參照“樁基”規(guī)范5.3條確定單樁極限承載力。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果，確定樁周土的極限側(cè)阻力、樁端土的端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，代入公式(1)，經(jīng)計(jì)算，得出灌注樁極限承載力為2 944 kN。

5.3深層靜力觸探方法

應(yīng)用側(cè)阻力、端阻力修正系數(shù)公式，選取該工程靜力觸探孔2孔(DCPT1、DCPT2)，估算單樁極限承載力。

(1)單樁極限樁側(cè)阻力

按照靜力觸探劃分土層，分別統(tǒng)計(jì)靜力觸探側(cè)阻力平均值，代入公式(3)，計(jì)算單樁極限摩阻力修正系數(shù)。代入公式(1)的前半部分，得到單樁極限樁側(cè)阻力值。

應(yīng)用靜力觸探估算單樁樁側(cè)阻力，觸探孔DCPT1、DCPT2計(jì)算結(jié)果分別為3 465.98 kN、3 449.49 kN。

(2)單樁極限樁端阻力

依據(jù)“原位”規(guī)程第10.5.20條規(guī)定取值，確定樁底端阻力計(jì)算值，代入公式(5)，計(jì)算單樁極限端阻力修正系數(shù)。代入公式(1)的后半部分，得到觸探孔DCPT1、DCPT2單樁極限樁端阻力值分別為39.60 kN、54.50 kN(表1)。

表1　單樁極限樁端阻力計(jì)算

(3)灌注樁極限承載力

將前文計(jì)算結(jié)果相加得到單樁極限承載力。經(jīng)計(jì)算，觸探孔DCPT1、DCPT2單樁極限承載力分別為3 505.58 kN、3 503.99 kN。

5.4效果評(píng)價(jià)

上述成果均與試樁實(shí)測(cè)單樁極限承載力對(duì)比(表2)，依據(jù)樁基規(guī)范方法確定單樁極限承載力誤差為20.8%，偏向安全；應(yīng)用本文經(jīng)驗(yàn)公式估算單樁極限承載力誤差分別為5.76%、5.80%，偏向安全。比較后認(rèn)為，本文提出的計(jì)算公式確定單樁極限承載力效果較好。

表2　不同估算方法與實(shí)測(cè)試樁對(duì)比

6結(jié)論

(1)深層靜力觸探較常規(guī)靜力觸探能穿透較厚砂層，顯著增加測(cè)試深度，解決常規(guī)靜力觸探不易穿透硬層、測(cè)試深度較淺的難題，為應(yīng)用深層靜力觸探估算鉆孔灌注樁單樁承載力提供了一種新的途徑。

(2)選用樁身內(nèi)力測(cè)試成果進(jìn)行對(duì)比分析工作，避免了傳統(tǒng)試樁資料只有極限承載力成果，只能采用經(jīng)驗(yàn)方法劃分樁側(cè)阻力和樁端阻力的不足，提出基于深層靜力觸探估算鉆孔灌注樁承載力的修正系數(shù)公式。

(3)對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中容許承載力計(jì)算公式的應(yīng)用給出了建議。

(4)經(jīng)工程實(shí)例檢驗(yàn)，基于深層靜力觸探估算鉆孔灌注樁承載力誤差較小，且偏向安全，研究成果可為

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中圖分類號(hào)：TU413.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0052-03

作者簡(jiǎn)介：高敬(1983—)，男，2009年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院研究生院巖土工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-12-31