經驗法與試樁法的單樁承載力對比研究

佟 弢，肖雄丙

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津，300220）

引言

現今，在水運工程建設中，對地基變形與承載力要求較高的場地多采用樁基礎結構。對于勘察檢測工程師而言，確定本場地的樁基參數和單樁的軸向極限承載力Qk是否符合工程設計施工的要求，是工作中的重中之重。勘察和檢測工作中主要有兩種手段確定樁基參數和Qk：一是依據規范與地區經驗的規范經驗法，二是現場進行試驗的試樁法。國標規范中明確規定：“勘察報告中應對有關巖土層基樁的側摩阻力和端阻力進行提供[1]”，這就要求勘察檢測單位依據規范標準和當地的工程經驗給出適宜的參數與估算值。試樁法檢測Qk的方法主要包括單樁的靜載荷試驗與高應變試驗，其中靜載荷試驗所得數值相對比較準確可靠。

本文旨在通過對Qk的確定方法進行比較研究，提升工程整體的科學性、經濟性，服務后期樁基設計施工。

1 工程實例

1.1 工程概況

天津港某液體化工碼頭工程，位于天津南港工業區，擬使用預制樁進行施工，碼頭基礎擬使用的樁型為邊長為0.65 m 的混凝土方型樁。勘察檢測工程師在具有勘察代表性的區域中的鉆孔S95 附近的海上進行了試驗樁的靜載荷試驗，對試驗中得出的Qk實測值與勘察報告中依照規范經驗法提供的Qk估算值進行對比研究。

1.2 試樁區域內土層的性質參數[2]

試樁區域位于工業區西港池南部，獨流減河入海口南側，屬于華北平原東部濱海平原地貌，為淤泥質平原海岸。

本工程試樁區域范圍內的地形與地貌的基本特征以堆積地貌為主，顆粒組成以淤泥質土、黏性土、粉土與粉細砂等細顆粒為主。試樁區域內各土層的性質特點列表1[3]。

表1 試樁區域內各土層性質特點

勘察過程表明，試樁區域內的土層分布較規律，土的工程性質特點依次表現出上部松軟，下部可塑或中密～密實的宏觀趨勢[4]。結合本工程室內土工試驗的資料數據，勘察工程師對試樁區域內的黏性土層進行了分層OCR（超固結比）統計。結合統計結果與已有工程經驗對各土層進行了應力歷史分析，分析結果顯示：②1淤泥和②2淤泥質粘土為欠固結土層，②3粘土、②4粘性土混碎貝殼及③3粘土均為正常固結土層，④1粉質粘土為超固結土層。

勘察階段根據現場外業的鉆探資料、現場原位測試的成果及土工試驗的成果資料，對各土層的性質指標進行匯總、統計、分析，依據《碼頭結構設計規范》（JTS167-2018），結合本地區工程經驗，提供了試樁區域范圍內土層的指標和預應力方樁的樁基參數，如表2 所示。

表2 試樁區域內土層物理指標與預應力方樁樁基參數

2 規范經驗法Qk 的估算值[5]

本次工程試樁試驗在S95 鉆孔區域的附近，共布置靜載試驗樁2 根，樁號為S1、S3，樁型均為邊長為0.65 m 的混凝土方型樁，樁頂高程為+5.00 m，S1 樁端高程-25.01 m，S1 樁端高程-28.01 m,S95 鉆孔孔口高程+0.69 m。由上述數據可知，S1 樁入土25.7 m，S3 樁入土28.7 m。Qk的估算公式如下：

式中：

U—樁身截面外周長（m）；

qfi—樁周土層的極限側摩阻力標準值（kPa），本次計算取用表2 中數值；

li—樁身穿過第i 層土的長度（m）；

η—樁端的承載力折減系數，本次計算依照規范取值1.0；

qR—單樁的極限端阻力標準值（kPa），本次計算取用表2 中數值；

A—樁端外周面積（m2）。

結合表1 所示信息以及兩樁的入土深度，考慮樁側負摩阻力的影響，軸向極限承載力標準值估算值見表3。

表3 樁基Qk 估算成果表

3 靜載試驗法中Qk 的實測值[6]

3.1 試驗方法

本次海上的樁基靜載試驗依據使用錨樁法進行，需要前期進行沉樁工作的包括試驗樁、錨樁及基準樁。主梁和次梁架分別設在錨樁上，兩者呈工字型排布。

本次軸向靜載荷試驗設備主要由提供反力設備、加卸載設備以及測量讀數設備構成，如圖1 所示。

圖1 試驗設備圖

本次試樁試驗為海上進行，使用快速法對所加荷載進行保持，每一次加載的持續時間為60 min。在增加荷載的過程中，每次荷載的增量相等，本次試驗預估的最大加載量取設計荷載5 000 kN，每次的荷載增量為設計荷載的十分之一,本次試驗中取500 kN，首次的荷載增量取1 000 kN；在卸載的過程中，每次的卸載量相等，每次的卸載量為加載時的兩倍，本次試驗中取1 000 kN。

本次試驗沉降量的測讀時間均是每次加載之后與卸載之后的第5、15、30、60 min。[7]

3.2 試驗成果

本次工程兩試驗樁設計載荷要求≥5 000 kN，對S1 樁加荷至設計荷載5 000 kN，在S3 樁處繼續加荷至8 000 kN 進行對比，S1、S3 樁的靜載試驗Q-S曲線見圖2。

圖2 樁基靜載試驗Q-S 曲線

由上可以得知，兩條Q-S 曲線都較為平緩，并未呈現較為明顯的折點或陡降，在達到預定荷載之后，兩樁的樁身均未發生破壞，單樁的軸向承載力均滿足設計荷載≥5 000 kN 的試驗要求，試驗成果列表見表4。

表4 樁基靜載試驗成果表

4 對比分析

結合上述表3、表4 成果數據可以得知，S1 樁的軸向承載力估算值與試驗中得到的結果相差553 kN，占估算值整體的12.4 %。S3 樁的估算值與試驗值相差較大，考慮到兩樁樁身均未發生破壞，其單樁的軸向承載力仍有發揮的空間，為了深入研究其中的差異原因，本次試樁試驗增加了樁身軸力測試，在兩樁的樁身位置布置了應變式傳感器裝置。在本次靜載試驗的過程中，在試驗樁身受最大載荷的條件下，測試試驗樁的側摩阻力qf與樁端阻力qR，利用現場試驗數據與本次勘察報告中使用規范經驗法提出的樁基參數進行進一步對比研究。在S1 受最大載荷5 000 kN 與S3 受最大荷載8 000 kN的條件下，兩試驗樁的qf與qR的實測值見表5。

表5 樁身軸力實測值一覽表

由表5 成果對比表2，我們不難得出結論：試驗樁的qf與qR仍有發揮的空間。前文的應力歷史分析表明：上部樁側黏性土呈欠固結～正常固結狀態，底部黏性土為超固結土。對比S1 樁與S3 樁qf與qR的實測數值，結合樁側土的應力歷史[8]，對qf的實測值進行分析，S3 樁在達到設計荷載5 000 kN后，繼續加載至8 000 kN，上部黏性土與粉土，受附加應力的影響，局部繼續排水固結，對樁身的負摩阻力顯著增大，導致繼續加載時樁側的qf呈降低的趨勢，對于樁底附近土層，固結度較高，土質較密實，受附加應力固結作用不明顯，繼續加載時樁側的qf呈增長的趨勢；對qR的實測值進行分析，粉細砂層工程地質性質較好，整體呈密實狀，在繼續加載時的端阻力提升明顯。

5 結語

水運港口工程中單樁的軸向承載力Qk是影響樁基礎設計施工安全性與經濟性的決定性參數。結合本次工程實例，詳細闡明了單樁軸向承載力數值在經驗規范法與試樁法中存在較大差異。勘察檢測工作中，使用經驗規范法估算Qk時，針對不同的土層，除規范中的數值和地區經驗外，還應根據其應力歷史，對樁基參數進行調整。在勘察過程中，不應局限于鉆探與土工試驗，應豐富和加強原位測試手段，使用多種原位測試、野外鉆探及土工試驗相結合的方式進行勘察工作。需把勘察與試樁工作互相結合起來，明確靜載荷試驗成果在樁基礎設計施工中的重要性，多對勘察報告中經驗規范法與檢測工作中試樁法得出的數值進行對比分析研究。