基于國外標準的靜載試驗數據分析方法

咼城新，王 東

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣州 510230；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220)

引言

靜載試驗是目前公認的獲得樁基承載力最直觀、準確、可靠的方法，對于項目所在地無地區經驗可以參考時，靜載試驗是獲取或驗證樁基承載力設計值的重要工作，是樁基設計的重要環節。菲律賓某碼頭項目中，需要按照要求對集裝箱岸橋后軌道梁下的樁基礎進行靜載試驗，以驗證樁基承載力值。由于合同規定主導規范為菲律賓標準和歐洲標準，因此，靜載試驗結果的分析需要同時滿足菲律賓標準和歐洲標準。本文呈現了該靜載試驗數據并用三種方法對試驗結果進行了分析和總結。另外，本文還參考歐洲標準和國外學者對于樁基礎沉降的論述，使用數值模擬軟件分析計算了樁基的沉降，與靜載試驗的沉降結果進行比較，滿足了合同和業主工程師對于樁基沉降的要求。

1 樁基參數

本項目試驗樁為集裝箱岸橋的后軌道梁的基礎，鋼管樁鋼材等級S355（歐洲標準），設計直徑1 000 mm，壁厚17.75 mm，樁長28 m，樁頂標高+2.0 m，樁底標高-26.0 m。根據后軌道梁軸線上的鉆孔揭示，軌道梁下臥土層主要為細砂及中粗砂，試樁位置由設計方與業主工程師共同確定，試驗樁編號C55。

2 靜載試驗目標值

本項目試驗樁為工程樁，因此不能做破壞性的靜載試驗來確定樁基承載力，而是需要確定一個靜載試驗目標值做驗證性試驗。根據結構計算結果，正常工況時樁基的豎向設計荷載為2 000 kN（不含分項系數），地震工況為2 750 kN。根據項目主導規范《菲律賓港務局港口工程結構標準》PPA ESPH (Philippine Ports Authority :Engineering Standard for Port and Harbor Structures)[1]中要求，靜載試驗的極限荷載應為單樁的設計荷載乘以適當的安全系數（表1，PPA ESPH 表4.1.1）：對于摩擦樁，正常工況下安全系數取2.5，地震工況下安全系數取2.0。故本項目靜載試驗的目標值為兩種工況下的最大值，經計算取為5 500 kN。

表1 PPA ESPH 規范中建議的安全系數最小值

3 靜載試驗和荷載沉降曲線

靜載試驗按照美國材料試驗協會ASTM D1143標準——軸向靜壓荷載下深地基的標準試驗方法[2]。本次驗證試驗共加載3 個循環，試驗數據整理如圖1 所示。最大加荷為5 500 kN。

圖1 靜載試驗的荷載-沉降曲線

4 靜載試驗結果分析

設計方按以下5 種方法對靜載試驗進行分析，并取最小值作為樁基承載力參考值：

1）菲律賓港務局港口工程結構標準PPA ESPH規定的極限荷載法；

2）英國（歐洲）海工標準BS EN 1997-1:2004 +A1:2013 方法：當難以從荷載-沉降曲線判定得到極限狀態時，取等于樁直徑的10 %的沉降量時所施加的荷載值為極限荷載值[3]；

3）Chin 方法，假設荷載-沉降曲線為雙曲線[4]；

4）弗萊明（Fleming）方法，假設樁身和樁底荷載分別與沉降形成兩個單獨的雙曲線[5]；

5）巴特勒（butler）和霍伊（Hoy）的斜率與切線法[6]。

但弗萊明（Fleming），巴特勒（butler）和霍伊（Hoy）方法需要破壞狀態的荷載-變形曲線才能確定極限承載力，并不適用于工程樁靜載試驗分析。因此，本項目采用PPA ESPH 方法，BS-EN 方法和Chin 方法對實驗結果進行分析。

4.1 PPA ESPH 方法

PPA ESPH 4.1.4 條規定當了什么情況下可以通過荷載沉降曲線確定極限荷載值，并將該值作為極限樁基承載力值。極限荷載不能從荷載-沉降曲線得到時，應確定屈服荷載，并從屈服荷載估算極限承載力。從荷載曲線可以看到，三個循環均出現了明顯的屈服點，屈服值為4 812.5 kN。當在靜載試驗期間發生屈服時，極限承載力為屈服荷載的1.2 倍，即4 812.5*1.2=5 775 kN。

4.2 BS EN 1997-1:2004+A1:2013 方法

該方法規定當難以從荷載-沉降曲線判定得到極限狀態時，取等于10 %樁徑直徑的沉降量時所施加的荷載值為極限荷載。試驗樁直徑為1 000 mm，直徑的10 %為100 mm。3 個循環過程中達到試驗目標值5 500 kN 時的最大沉降也僅為29 mm。由此可以推斷，對于本次靜載試驗，當沉降量達到 100 mm 時，所需施加的荷載大于5 500 kN，因此該方法推算得出的極限承載力值大于5 500 kN。

4.3 Chin 方法

Chin 假設荷載-沉降的曲線關系是雙曲線，縱坐標△/P 相對于橫坐標△的曲線是線性的，該線性關系的反斜率就是極限荷載。依據該方法，分析得到△/P 與△的線性關系式為Y=0.1465X+0.9949（圖2）。線性關系的反斜率為6 825 kN，可以得出樁基的極限軸向承載力為6 825 kN。

圖2 循環1 的荷載沉降曲線

匯總上述3 種方法的分析結果如下表，可以看出本項目樁基承載力大于5 500 kN，承載力滿足設計要求。

表2 靜載試驗分析結果匯總

5 動力檢測與靜載試驗的比較

本項目還對C55 號工程樁進行了高應變動力檢測，動力檢測得到的極限荷載值為5 589 kN。這里將動力檢測結果與靜載試驗分析結果進行比較，如表3 所示。

表3 動力檢測結果與靜載試驗分析結果的比較

得到靜載試驗/動力檢測比值之后，通過將一系列動力檢測獲得的極限荷載乘以該比值，就得到了該樁的靜載試驗預估值，從而根據該預估值推算出樁的極限承載力。表4 列出了這一系列動力檢測樁的極限承載力推算值。

表4 由動力檢測結果推算得到的樁基承載力

結合本項目情況，和靜載試驗樁C55 不同的是，C14 號樁所需的極限樁承載力為5 210 kN，C33 樁和C44 樁所需的極限樁承載力為5 300 kN。通過動力檢測獲得的極限荷載以及通過靜載試驗/動力檢測比值推算出的這些樁的極限承載力均大于所需的極限承載力。因此，本項目的樁基具有足夠的承載力，滿足設計要求。

6 沉降結果

肯·弗萊明（Ken Fleming）等人編著的教材《樁基工程》（Piling Engineering）[7]中指出：“根據以往的經驗，經常在工程實踐中指定設計荷載下的沉降限值，例如，設計荷載下最大沉降量為10 mm。”

湯姆林森和伍德沃德（M Tomlinson and J Woodward）編著的教科書《樁基的設計和施工》[8]中寫道，歐洲標準7（Euro code 7）并未就沉降計算和評估做出明確規定與說明，但要求通過計算作用效應的設計值Ed 并將其與作用效應的設計限值Cd 進行比較來確定正常使用極限狀態。第7.6.4.1節規定，在樁端嵌入中密和密實土層的情況下，承載能力極限狀態的設計安全要求通常足以滿足結構的正常使用極限狀態。對于單個樁基，歐洲標準7 中承載能力極限狀態的分項系數的組合將產生一個介于2 和3 之間的整體安全系數，通常可以滿足將沉降限制在10 mm 以內的工程實踐要求。

在本項目所簽訂的《業主要求》第2 卷第3 章技術要求中，規定了在設計荷載作用下，第一/二次加載循環的沉降不超過15 mm。

從圖1 中可以看到，當荷載小于4 800 kN 時，樁基變形處于線性彈性階段。當荷載達到2 000 kN（設計荷載）時，樁沉降約為3 mm，遠小于業主要求中的15 mm 允許沉降。

在2 000 kN 的正常工作工況設計荷載下，數值模擬軟件ROBOT 分析計算得到的最大沉降為 7 mm，與現場靜載試驗實測值處于同一數量級，并小于業主要求的15 mm。

7 結語

本文基于一個按照美國材料試驗協會標準實施的靜載試驗得到的荷載沉降曲線，分別用菲律賓港務局港口工程結構標準的建議方法、英國（歐洲）海工標準的建議方法和國外學者Chin 提出的方法等三種不同的方法分別分析了試驗數據，并與動力檢測結果進行了對比研究，分析結果表明樁基承載力滿足設計要求。本文還參考歐洲標準和國外教材對于樁基礎沉降的論述，使用數值模擬軟件分析計算了樁基的沉降，與靜載試驗的沉降結果進行比較。這些研究與總結對于熟悉其他國家的規范對靜載試驗的規定和描述，加深對靜載試驗的理解，加強對國外規范的應用能力帶來一定的幫助，本文的分析方法也為日后海外項目的靜載試驗分析提供了一些選擇和參考。