中外規范基于靜力觸探的管樁承載力計算方法對比研究

吳磊磊, 唐國喜, 胡勝來

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

樁基礎是目前廣泛采用的一種基礎形式,樁基承載力的確定相比淺基礎承載力的確定更為復雜和困難,如何將靜力觸探測試成果應用于樁基工程的勘察和設計中,一直是工程界關注的問題。

確定單樁承載力的方法通常包括以下五種:①靜載荷試驗;②動力試驗;③靜力理論公式計算;④根據規范查表;⑤根據原位測試成果計算。其中,靜載荷試驗法是公認的確定單樁承載力最可靠的方法,是評價其他間接方式的標準,但其費用高、耗費時間較長。在設計階段尚沒有進行靜載荷試驗的情況下,如何根據勘察成果較準確地確定樁的承載力,是對工程的安全性和經濟性均具有重要意義的課題。

目前,國內大多采用查規范表格取得經驗參數計算樁基承載力的方法,而國外通常采用原位測試成果進行計算。國內行業規范中的經驗參數為全國范圍的試驗數據經統計分析得到,而我國幅員遼闊,各地區地層分布及性質復雜多變,單純依靠規范中的經驗參數往往與實際存在較大偏差;地方標準中的經驗參數也僅來自收集的有限樣本,單純依靠經驗參數法也難免不夠準確。因此,在設計階段確定樁基承載力時,同時重視多種勘察手段以及地區經驗的作用是很有必要的。

對于管樁而言,靜力觸探的貫入過程與其成樁過程具有較高的相似性。較多學者嘗試采用靜力觸探成果確定管樁的承載力,均取得了較好的效果。本文試圖通過現場試驗,對中外規范基于靜力觸探參數估算管樁單樁極限承載力的經驗公式的準確性進行對比分析。

1 規范經驗公式

1.1 《鐵路工程地質原位測試規程》(TB 10018—2018)

該標準中按下式計算打入式混凝土樁的極限承載力:

(1)

(2)

α=3.975(qcp)-0.25

(3)

(4)

α=12.064(qcp)-0.35

(5)

1.2 “法國LCPC”方法

Bustamante和Gianeslli(1982)對1972年制定的用靜力觸探估算單樁承載力的方法作了修正,稱為“法國方法”,又稱“LCPC”法。該方法是Bustamante和Gianeselli基于對不同地基上和不同類型樁的197組載荷試驗結果的分析而提出的,其中靜力觸探測得的側壁摩阻力fs被忽略,單位端阻和側阻均從平均錐尖阻力qc得到。

極限樁側摩阻力qs和極限樁端阻力qp按下式計算:

qs=qc/α

(6)

qp=kcqca

(7)

式中:α和kc分別為摩擦系數和端承系數,根據樁的類型和地基土類確定;qca為等價平均錐尖阻力。

該方法用等價平均錐尖阻力qca來計算單位樁端阻力qp,它是取樁端上、下1.5D(D為管樁的直徑)范圍內的錐尖阻力qc的平均值。Bustamante &Gianeselli建議分三步來計算qca,首先計算樁端上、下1.5D范圍內的qc平均值q′ca;第二步,在樁端上、下1.5D范圍內舍棄大于1.3q′ca和樁端以上1.5D范圍內低于0.7q′ca的qc值;最后計算剩下的qc平均值,即得到qca。

圖1 等價平均錐尖阻力計算簡圖

打入式預制樁、預應力管樁被歸類為第Ⅱ組的A類,其kc值、α值分別按表1、表2取用,其中表2括號內數值為施工質量較好時采用。

表1 打入式預制樁、預應力管樁的kc值

表2 打入式預制樁、預應力管樁的α值及qs上限值

1.3 《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)

該標準中按下式計算黏性土、粉土和砂土地層中混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值:

Quk=u∑liβifsi+αqcAp

(8)

式中:u為樁身周長;li為樁穿越的第i層土的厚度;fsi為第i層土的探頭平均阻力;Ap為樁端面積;qc為樁端平面上、下探頭阻力,取樁端平面以上4D(D為管樁的直徑)范圍內按土層厚度的探頭平均阻力加權平均值,然后再和樁端平面以下1D范圍內的探頭阻力進行平均;α為樁端阻力修正系數,對黏性土、粉土取2/3,對飽和砂土取1/2;βi為第i層土樁側阻力修正系數,按下列公式計算:

對黏性土、粉土:

βi=10.04(fsi)-0.55

(9)

對砂土:

βi=5.05(fsi)-0.45

(10)

1.4 《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363—2019)

該標準中的計算公式與《鐵路工程地質原位測試規程》完全一致,區別在于對側摩阻力設置了限值,即當βfs>100 kPa時,取βfs為100 kPa。

2 現場試驗

某管樁工程場地為河流沖積地層,主要土層分布情況及靜力觸探測試參數平均值見表3。

表3 場地土層分布情況及各土層靜力觸探參數統計值

在該工程場地的9個靜力觸探孔位置設置了12根管樁試驗樁,編號為SZ1～SZ12,管樁型號為PHC500AB(100),除SZ9、SZ10設計樁長為15 m外,其他試驗樁的設計樁長均為12 m。試驗樁均以⑦層細砂或⑧層中砂為持力層,⑦層細砂、⑧層中砂均為密實狀態,樁端進入持力層不小于2 m。

現場施工時,為便于測試工作開展,管樁樁頂預留0.5 m左右在地面以上,SZ9、SZ12因貫入度小或樁頂損傷而終止施工。其中,9根試驗樁采用堆載法載荷試驗測試管樁單樁極限承載力,另3根樁作為對比試驗樁,采用自平衡法測試管樁單樁極限承載力,測試結果見表4。

表4 管樁單樁極限承載力靜載荷試驗結果

由載荷試驗數據可知,本工程上述試驗樁的單樁極限承載力均不小于3 000 kN,表中所列承載力的差異為受加載方式、加載荷載值的影響。

3 對比分析

選取該工程場地實施的42份雙橋靜力觸探數據,基于國內《鐵路工程地質原位測試規程》TB 10018—2018、《建筑樁基技術規范》JGJ 94—2008、《公路橋涵地基基礎設計規范》JTG 3363—2019,以及國外常用的法國LCPC法(《孔壓靜力觸探測試技術規程》T/CCES 1—2017引用該方法)等(以下分別簡稱為“鐵路規程”、“建筑樁規”、“公路橋規”和“法國LCPC”)給出的經驗公式,分別計算了各靜力觸探孔位置的打入樁單樁極限承載力,如圖2所示。

圖2 不同規范方法的管樁單樁極限承載力計算值

參與計算的樣本沿線路方向順次編號,因此,圖中曲線的變化可以近似視為管樁單樁極限承載力沿路線縱向的空間變化。

由圖2可知,36例樣本根據“建筑樁規”法預測的管樁單樁極限承載力最高,占比達85.71%;34例樣本根據“鐵路規程”法預測結果最低,占比達76.19%;25例樣本根據“法國LCPC”法預測結果居第2位,占比達59.52%。

總體而言,在該工程中,根據“建筑樁規”法預測的管樁單樁極限承載力最大,根據“鐵路規程”法預測的最小。

隨著路線方向地層的變化,上述四種經驗公式方法估算的管樁單樁極限承載力的變化趨勢總體上是一致的。

需要注意的是,在樣本1、樣本31、樣本32、樣本33處,“法國LCPC”法預測結果均顯著低于其他方法,主要和樁端位置等效平均錐尖阻力的計算方法和取值差異有關。

此外,樣本31、樣本32處管樁單樁極限承載力計算值較其他位置偏低,主要原因在于上部分布有淤泥質粉質黏土層降低了側摩阻力,以及設定的樁端位置以下一定范圍內存在黏性土透鏡體,導致端阻力降低。

根據上述標準的經驗公式方法計算所得的管樁單樁極限承載力,與現場靜載荷試驗結果對比情況見表5。

表5 管樁單樁極限承載力計算值與試驗值對比

SZ1～SZ12按照“鐵路規程”法的單樁極限承載力計試比分布情況如圖3所示。

圖3 “鐵路規程”法的管樁極限承載力計試比頻數分布直方圖

由圖3可知,鐵路規程法計算結果75%分布在測試值±10%偏差范圍內,83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內。因此,就測試值而言,“鐵路規程”法計算結果準確性高。此外,負偏差比例為75%,其中58.3%的偏差位于-10%以內,且3例正偏差樣本均受加載值的限制,實際未達極限狀態,因此采用鐵路規程法計算管樁單樁極限承載力具有較高的安全度。

SZ1～SZ12按照“法國LCPC”法的單樁極限承載力計試比分布情況如圖4所示。

圖4 “法國LCPC”法的管樁極限承載力計試比頻數分布直方圖

由圖4可知,“法國LCPC”法計算結果41.7%的偏差位于±10%以內,83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內。因此,就測試值而言,“法國LCPC”法計算結果準確性較高。此外,正偏差比例為66.7%,該方法總體偏于高估管樁單樁極限承載力。然而,考慮到較多試驗樁均受加載值的限制,實際未達極限狀態,因此采用鐵路規程法計算管樁單樁極限承載力預計具有較高的安全度。

SZ1～SZ12按照“建筑樁規”法的單樁極限承載力計試比分布情況如圖5所示。

圖5 “建筑樁規”法的管樁極限承載力計試比頻數分布直方圖

由圖可5知,建筑樁規法計算結果50%分布在測試值±10%偏差范圍內,83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內。因此,就測試值而言,法國LCPC法計算結果準確性較高。此外,因75%的偏差為正,故該方法總體偏于高估管樁單樁極限承載力。

SZ1～SZ12按照“公路橋規”法的單樁極限承載力計試比分布情況如圖6所示。

圖6 “公路橋規”法的管樁極限承載力計試比頻數分布直方圖

由圖6可知,公路橋規法計算結果呈近似正態分布,66.7%位于測試值±10%偏差范圍內,83.3%分布在測試值±20%偏差范圍內。就測試值而言,公路橋規法計算結果準確度高。

因此,就實際測試值而言,按偏差分布情況對計算的準確性進行排序為:鐵路規程法>公路橋規法>建筑樁規法>法國LCPC法。

需要注意的是,本工程管樁的現場靜載荷試驗中,其中9根樁未加載至極限狀態,因此所列出的單樁極限承載力仍可能是偏于保守的。

此外,試驗樁的樁端持力層為密實砂層,樁長也相對較短,端阻力占比較大,因此樁端土層的端阻力、樁側土層的側摩阻力均能得到較好的發揮。對于長樁以及樁端持力層非密實砂的情況,荷載傳遞機制以及土層的承載力發揮作用會存在差異,采用上述規范方法基于靜力觸探參數估算管樁單樁承載力的準確程度需要另行分析評價。

4 結束語

本文結合現場試驗,對中外規范基于靜力觸探參數估算管樁單樁極限承載力的準確性進行了驗證和分析,得到如下結論:

(1) “鐵路規程”“法國LCPC”“建筑樁規”“公路橋規”法預測管樁單樁極限承載力均具有較高的準確度,偏差總體在±20%范圍內。

(2) 根據本次對比試驗的結果,“鐵路規程”法的預測精度最高,但因多數試驗樁并未加載至極限狀態,故“鐵路規程”法預測結果偏于安全。

(3) 上述不同方法預測結果的差異主要來源于等效樁端阻力的計算方法的不同,以及側摩阻力是否設置限值。

(4) 對比分析結果適用于樁端持力層為密實砂層且樁長較短的情況,其他條件下仍需進一步開展研究工作。