基于CPTU測試確定PHC樁單樁承載力分析

王小衛，何玲

（江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司，江蘇 南京 210019）

1 引言

文獻[1]單樁豎向極限承載力計算方法一般有4類：靜載試驗法、經典經驗公式法、原位測試法和規范法。經典經驗公式法和規范法由于區域地質條件、強度參數、沉樁質量等差異性，導致計算單樁承載力可靠性低；現場靜載試驗是傳統的確定承載力的方法，費時費力費錢；因此研究更為便捷可靠經濟的原位測試技術來確定單樁承載力是工程界的迫切需要。文獻[2]靜力觸探試驗可以看作是一小直徑樁的載荷試驗。對比結果表明，用靜力觸探成果估算單樁極限承載力是行之有效的。孔壓靜力觸探（CPTU）作為一種新型的原位測試技術[3-6]，可以提供3個連續讀數（錐尖阻力、側壁摩阻力、孔隙水壓力）用來確定樁基承載力[7]，國內學者[8-10]進行了大量研究,并推出了地方性規程[11]。

本文基于南京長江沖積漫灘的深厚砂土層場地孔壓靜力觸探（CPTU）試驗，對單樁承載力進行計算。為檢驗CPTU測試在計算單樁承載力上的可靠性和優越性，用規范法（CPT法）計算單樁承載力，以靜載荷試驗得到的樁基承載力作為參考值，對比分析CPTU法、規范法（CPT法）、經驗參數法三者在計算單樁承載力可靠性。CPTU測試為確定PHC管樁單樁承載力提供一種可靠的新途徑，值得推廣和應用。

2 孔壓靜力觸探（CPTU）測試

2.1 測試場地概況

孔壓靜力觸探（CPTU）測試場地屬于長江沖積漫灘地貌。第四紀覆蓋層厚度46m左右，主要由淺部流塑狀態粘性土和深厚砂土組成。場地土層指標及預制樁設計參數見表1。

場地地層參數預制樁設計參數 表1

2.2 CPTU測試原理及設備

孔隙水壓力靜力觸探（CPTU）通過在常規靜力觸探（CPT）探頭上安裝位于探頭錐肩的u2位置孔壓傳感器元件（圖1），除可測錐尖阻力qc、側壁摩阻力fs外，還可測試地下水位以下各土層的孔隙水壓力u及超孔隙水壓力消散過程。根據測得的超孔隙水壓力消散曲線,可以推求土的工程性質參數,對土層進行有效應力分析及計算，也可以推求無黏性土的有效內摩擦角、狀態參數、相對密實度等。

最早的電測式孔壓靜力觸探由挪威土工研究所（NGI）的Janbu和Senneset（1974）研制成功[13]。本次測試所用孔壓靜力觸探儀為東南大學自主研發的多功能數字式孔壓靜力觸探系統（SEU@CPTU-1型）（圖2）與國產的車載貫入系統。系統配有數字式孔壓探頭與數據采集儀。探頭標準：錐角60。，錐底直徑35.7mm，錐底截面積為10cm2，側壁摩擦桶長度133.7mm，孔壓測試元件厚度5mm，位于錐肩位置（u2位置）。

圖1 CPTU探頭示意圖

2.3 CPTU測試曲線

依據規程[11]對測試數據進行整理并繪制錐尖阻力與深度關系曲線（qt～z），側壁摩阻力與深度關系曲線（ft～z），摩阻比與深度的關系曲線（Rt～z），孔隙水壓力與深度關系曲線（u2～z）。圖2、圖3為場地孔壓靜力觸探曲線與測試分層。

圖2 1#孔孔壓靜力觸探曲線與測試分層

圖3 2#孔孔壓靜力觸探曲線與測試分層

3 單樁承載力確定

計算樁單樁豎向抗壓承載力選擇樁型均為PHC-500（110）A-C80 型，樁徑 500mm，Z1 樁長 36m,Z2樁長34m。

3.1 基于CPTU測試計算單樁承載力

按規程[11]提供的方法對單樁承載力進行計算。

式（1）～（3）中：Qall為單樁容許承載力（kN）；K 為安全系數，一般取K=2；qp為單位樁端承載力（MPa）；kc為端承系數，根據樁類型和錐尖阻力確定；kc為樁端附近等價平均錐尖阻力；qca為第i層土的單位樁側摩阻力（MPa）；αLCPC為摩阻力系數，根據樁類型和錐尖阻力確定。1#、2#確定的樁基設計參數見表2，單樁承載力計算結果見表3。

3.2 規范法（CPT法）計算單樁承載力

考慮到土層性質橫向變異性和觸探孔在貫入過程中對周圍土體的擠密壓縮作用，常規靜力觸探（CPT）測試孔距離CPTU測試孔距離控制在1～2m內。測試選用單橋靜力觸探儀，探頭標準：錐角60。，錐底直徑43.7mm，錐底截面積為15cm2，側壁摩擦桶長度70mm。根據測試結果繪制比貫入阻力與深度關系曲線（pz～z）。圖4為靜力觸探曲線與測試分層。

按規范[12]提供的方法對單樁承載力進行計算。1#孔、2#孔計算單樁承載力計算結果見表4。

1#孔CPT測試計算Z1單樁承載力 表4

4 CPTU計算單樁承載力可靠性分析

4.1 靜載荷試驗確定單樁承載力

在孔壓靜力觸探（CPTU）測試點附近選取2根基樁做靜載荷足尺試驗，2根φ500mm的PHC樁，樁端埋深約36m，以③2a細砂為樁端持力層，沉樁采用靜壓法，靜載加載方式采用堆載-慢速維持荷載法。試樁概況見表5。

試樁概況表 表5

本次豎向抗壓靜載荷試驗采用堆載-慢速維持荷載法，SZ1、SZ2試樁的曲線見圖5，試樁的最大加載量、累計沉降量、殘余沉降量、極限承載力等匯總見表6。

圖5 試樁曲線

試樁結果匯總表 表6

4.2 計算結果與試樁結果對比

靜載荷試驗是目前公認最直接最準確確定樁基承載力的方法。因此，把基于新型孔壓靜力觸探(CPTU)測試計算單樁承載力結果、規范法（CPT）計算結果與靜載荷試驗結果進行對比，確定其誤差大小。表7為CPTU/CPT計算樁基承載力誤差統計。

由表7可知：利用CPTU測試計算單樁承載力的相對偏差-0.17%～2.68%，總體小于利用CPT測試計算的單樁承載力，CPTU測試計算單樁承載力與靜載荷試驗結果比較吻合。

CPTU/CPT計算樁基承載力誤差統計 表7

5 結語

采用CPTU方法擁有較高的精確性，且經濟、簡單易于操作，克服了取土試驗中土樣擾動。CPTU測試過程與樁基沉樁過程相似，利用規程[11]提供的計算單樁承載力的方法與靜載荷試驗結果基本吻合。CPTU是一種在工程實踐中值得推廣的方法。