基于旁壓試驗(yàn)的樁基承載力計(jì)算

王章

【摘要】旁壓試驗(yàn)通過(guò)在試驗(yàn)深度測(cè)定土體變形和壓力，進(jìn)行土層指標(biāo)計(jì)算。樁基工程廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，樁基承載力的計(jì)算對(duì)工程意義重大，現(xiàn)行高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)中，利用旁壓試驗(yàn)極限壓力進(jìn)行樁基承載力計(jì)算，實(shí)際試驗(yàn)中受各種外在因素影響，極限壓力從旁壓曲線(xiàn)識(shí)別較為困難，相比而言，臨塑壓力從旁壓曲線(xiàn)上可讀取度更高，故研究利用臨塑壓力進(jìn)行樁基承載力計(jì)算，對(duì)工程意義重大。

【關(guān)鍵詞】旁壓;臨塑壓力;樁基承載力

旁壓試驗(yàn)自1930年德國(guó)工程師Kogler提出后，已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程、各種巖土，成為重大工程巖土參數(shù)獲取的主要測(cè)試手段。樁基礎(chǔ)目前廣泛應(yīng)用于市政工程、水利工程及工業(yè)、民用建筑，但樁基礎(chǔ)的受力情況較為復(fù)雜，如何合理評(píng)價(jià)基樁的承載力、提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系到工程安全及經(jīng)濟(jì)性，因此對(duì)樁基承載力的分析研究很有必要性。旁壓試驗(yàn)作為一種原位測(cè)試手段，對(duì)土體擾動(dòng)性相對(duì)較小，能夠有效模擬土體的應(yīng)變過(guò)程，因此研究利用旁壓試驗(yàn)進(jìn)行樁基承載力分析工程意義重大。

1、旁壓試驗(yàn)原理

旁壓試驗(yàn)是一種原位載荷手段，由旁壓器、加壓穩(wěn)壓裝置、量測(cè)及控制裝置等部分組成，通過(guò)自鉆或者預(yù)鉆，將旁壓腔置于預(yù)定的試驗(yàn)位置，利用加壓裝置所產(chǎn)生的氣壓，作用于測(cè)管中的水面，并傳至旁壓器的測(cè)腔中，促使彈性膜發(fā)生形變膨脹，使土體產(chǎn)生徑向變形，通過(guò)量測(cè)裝置，量測(cè)應(yīng)力和應(yīng)變，即壓力和測(cè)管水位變化（測(cè)腔體積變化），根據(jù)壓力和水位變化（體積變化）曲線(xiàn)，通過(guò)各經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行地基土的參數(shù)指標(biāo)估算。

2、規(guī)范中關(guān)于旁壓的樁基承載力計(jì)算

《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高規(guī)”）中，給出了關(guān)于旁壓試驗(yàn)的計(jì)算單樁承載力的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，樁周土極限側(cè)阻力詳見(jiàn)下表1，極限端阻力計(jì)算公式如下：

粘性土：qps=2PL

粉? 土：qps=2.5PL

砂? 土：qps=3PL

表1 預(yù)制樁樁周土極限側(cè)阻力qsis

鉆孔灌注樁樁周土極限側(cè)阻力qsis可按預(yù)制樁的70%～80%采用，極限端阻力可按預(yù)制樁的30%～40%采用。

從上述公式中可知，高規(guī)中單樁承載力計(jì)算以旁壓試驗(yàn)中的極限壓力PL為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式推斷，主要考慮基樁承載力發(fā)揮時(shí)，需產(chǎn)生相對(duì)位移，而極限承載力的發(fā)揮，意味著樁土之間已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，因此經(jīng)驗(yàn)參數(shù)采用了極限壓力PL。

3、旁壓試驗(yàn)參數(shù)初步分析

旁壓試驗(yàn)是通過(guò)旁壓腔的體變和壓力變化，推導(dǎo)各項(xiàng)參數(shù)。壓力變化通過(guò)壓力測(cè)量裝置，體積變化通過(guò)水位管測(cè)量。對(duì)于旁壓試驗(yàn)，成孔質(zhì)量直接關(guān)系到試驗(yàn)成果，要求孔壁做到圓整、豎直、光滑、孔壁盡量少擾動(dòng)、試驗(yàn)孔徑比旁壓器外徑大3mm～4mm。下圖1為實(shí)際工程中遇到的幾種情況。旁壓試驗(yàn)過(guò)程中的土體變化大致可以分為三個(gè)階段，第一階段，土體恢復(fù)階段，由于初始階段土體受成孔影響而擾動(dòng)，在加壓后，土體快速壓縮;第二階段，似彈性變形階段，當(dāng)土體先期擾動(dòng)影響減小后，進(jìn)入彈性階段，變形與壓力呈線(xiàn)性變化;第三階段，塑性變形階段，隨著壓力的不斷增加，土體由彈性階段漸漸進(jìn)入塑性階段，直至破壞。從實(shí)際工程中的，各種情況旁壓曲線(xiàn)可知，臨塑壓力PY，當(dāng)土體從彈性到臨塑過(guò)渡段完整時(shí)，可從旁壓曲線(xiàn)上讀取;當(dāng)縮孔或擴(kuò)孔嚴(yán)重時(shí)，后半段曲線(xiàn)不能完整顯示時(shí)，無(wú)法讀取臨塑壓力，下一階段極限壓力PL亦無(wú)法讀取;極限壓力一般為垂直于V軸的漸近線(xiàn)對(duì)應(yīng)的壓力，但受限于儀器自身的額定壓力和體積變形量，極限壓力的讀取，需要根據(jù)線(xiàn)型進(jìn)行預(yù)測(cè)，受人為主觀(guān)因素影響較大。綜上所述，旁壓試驗(yàn)中，彈性到臨塑段曲線(xiàn)相對(duì)較為完整，可以通過(guò)作圖法從曲線(xiàn)中讀取臨塑壓力，塑性階段曲線(xiàn)受多種因素影響，大部分情況下，塑性階段的后半段曲線(xiàn)無(wú)法完整顯示，需通過(guò)推測(cè)曲線(xiàn)走向，從而獲取極限壓力。故考慮對(duì)采用臨塑壓力進(jìn)行樁基承載力計(jì)算，相對(duì)來(lái)講，可以避免對(duì)旁壓曲線(xiàn)后續(xù)走向的推測(cè)，直接從曲線(xiàn)彈塑性過(guò)渡段獲取臨塑壓力，能夠提高數(shù)據(jù)可靠度。

圖1? ? 幾種典型旁壓試驗(yàn)圖

4、工程實(shí)例分析

4.1工程地質(zhì)概況

某工程位于上海市浦東新區(qū)張江地區(qū)，新建多層高層辦公樓，場(chǎng)地屬濱海平原地貌類(lèi)型，根據(jù)勘察資料，試驗(yàn)涉及的地層主要為：①層填土、②層褐黃～灰黃色粉質(zhì)粘土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④層灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1層灰色粘土、⑤3層灰色粉質(zhì)粘土夾粉土、⑤4層灰綠色粉質(zhì)粘土、⑦1層草黃色砂質(zhì)粉土、⑦2層灰黃色粉砂。土層分布詳見(jiàn)表2：

4.2試驗(yàn)成果分析

旁壓試驗(yàn)共布置了3個(gè)點(diǎn)，采用PM-2B型預(yù)鉆型旁壓儀，試驗(yàn)深度均為60m，試驗(yàn)間距2m～3m，試驗(yàn)前對(duì)儀器進(jìn)行校正和率定，包括彈性膜約束力、綜合體變系數(shù)率定。

根據(jù)旁壓試驗(yàn)成果，分層統(tǒng)計(jì)出場(chǎng)地內(nèi)各土層初始?jí)毫Α⑴R塑壓力及極限壓力，并根據(jù)高規(guī)中表8.3.13和公式8.3.13-3計(jì)算樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)給出地質(zhì)勘察報(bào)告中上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法所提樁基參數(shù)進(jìn)行對(duì)照。具體詳見(jiàn)表2：

根據(jù)上表中樁基參數(shù)，對(duì)于樁長(zhǎng)45m，樁徑700mm鉆孔灌注樁，按上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法樁基承載力4667kN、按旁壓試驗(yàn)計(jì)算承載力4263kN。同時(shí)收集了鄰近場(chǎng)地的類(lèi)似樁基的靜載荷試驗(yàn)成果，承載力約4800kN，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算的承載力與載荷試驗(yàn)基本一致，旁壓試驗(yàn)承載力比靜載荷試驗(yàn)承載力略小。由于旁壓試驗(yàn)為快速載荷試驗(yàn)，且絕大數(shù)情況，試驗(yàn)達(dá)到終止條件時(shí)，并未達(dá)到土體的極限破壞，故通過(guò)旁壓曲線(xiàn)作圖法得出的極限壓力有一定的偏差，從工程安全角度來(lái)講，一般情況下，極限壓力的取值偏于保守，所以基于極限壓力計(jì)算所得的旁壓試驗(yàn)承載力略小。

4.3臨塑壓力和極限壓力相關(guān)性分析

本次試驗(yàn)共3個(gè)旁壓孔，64個(gè)旁壓試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)各試驗(yàn)點(diǎn)臨塑壓力和極限壓力進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析如下：

圖2? ? 臨塑壓力和極限壓力相關(guān)性分析圖

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù) R=0.9915，故臨塑壓力和極限壓力具有明顯的相關(guān)性，因此可考慮采用臨塑壓力替代極限壓力進(jìn)行樁基承載力計(jì)算分析。兩者相關(guān)性公式如下：

Py = 0.5401PL + 75.851? ? ? ? ? ? ?（4.3-1）

4.4基于臨塑壓力的樁基承載力公式推導(dǎo)

根據(jù)蘇輝等人“關(guān)于旁壓試驗(yàn)的土體彈塑性本構(gòu)模型的研究”，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角等對(duì)模型影響較大，并且主要影響彈塑性階段，對(duì)彈性階段基本影響。結(jié)合本文分析，綜合考慮，對(duì)于旁壓試驗(yàn)樁基承載力計(jì)算，采用臨塑壓力比極限壓力具有更高的可靠性，且實(shí)際工程應(yīng)用更方便，避免了極限壓力人為取值的影響。

由于工程項(xiàng)目試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，尤其對(duì)于端阻試驗(yàn)點(diǎn)較少，故本次僅對(duì)臨塑壓力和側(cè)阻力進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，端阻力通過(guò)前述公式4.3-1，結(jié)合高層規(guī)范進(jìn)行換算，得出基于臨塑壓力的樁基參數(shù)公式如下：

粘性土：qsis = -6E-05 Py2 + 0.1251 Py – 2.5581? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4.4-1）

qps = 1.080 Py+151.702? ? ? ? ? ? ? （4.4-2）

粉性、砂性土：qsis = 0.0329 Py +23.833

（4.4-3）

粉性土：qps = 1.350 Py+189.628

（4.4-4）

砂性土：qps = 1.620 Py+227.553

（4.4-5）

通過(guò)本次求得公式，利用臨塑壓力進(jìn)行上述樁基承載力計(jì)算，得出單樁極限承載力4720kN，與靜載荷試驗(yàn)基本一致。

結(jié)語(yǔ)：

旁壓試驗(yàn)作為一種原位測(cè)試手段，高規(guī)提出了關(guān)于極限壓力的樁基承載力計(jì)算，鑒于極限壓力從旁壓曲線(xiàn)上識(shí)別需推測(cè)曲線(xiàn)走向，對(duì)工程技術(shù)人員要求較高，而臨塑壓力從旁壓曲線(xiàn)中相對(duì)較為容易識(shí)別，故本文對(duì)高規(guī)中關(guān)于旁壓試驗(yàn)進(jìn)行樁基承載力計(jì)算進(jìn)行了修正，利用臨塑壓力進(jìn)行樁基承載力計(jì)算，從一定程度上，可以減小因曲線(xiàn)彈塑性段不完整，極限壓力無(wú)法識(shí)別的不影響，但考慮本工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，且未通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)，未求取臨塑壓力和樁基設(shè)計(jì)參數(shù)的直接關(guān)系，因此實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工程周邊類(lèi)似案例，參考使用。

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