樁基工程中孔壓靜力觸探的應(yīng)用分析

李祖科

（湖南省第十工程有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

靜力觸探機制是通過機械把探頭壓入土層內(nèi)，同成樁機制類似，可以有效模擬沉樁過程，在屬于測孔壓探頭時，也就是孔壓靜力觸探。如今，通過原位測試結(jié)果對承載力開展評估，始終屬于一項重大課題。有研究人員基于研究原位測試結(jié)果，提出了根據(jù)壓縮模量來對沉降進行計量，且根據(jù)實測值和預(yù)測值開展驗證，獲得了計量樁基沉降的方式。有研究人員基于對現(xiàn)場試驗和模型試驗開展比較，研究了受力變形規(guī)律，獲得了堆載只對樁基影響較為突出，對深層土體影響較小的結(jié)論。有研究人員根據(jù)土體參數(shù)來對承載力進行預(yù)測，同時和曲線開展融合，給出了預(yù)測承載力的可行方式，同時經(jīng)過試驗檢測，證明此方式的有效性。有研究人員分析評估樁基承載力的方式，且比較了優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)CPTU 方法精度較高，運用比較簡單，有著較大的發(fā)展空間。文章將根據(jù)某工程觸探數(shù)據(jù)和樁基數(shù)據(jù)開展研究，對承載能力開展預(yù)測評估。

1 靜力觸探技術(shù)運用和發(fā)展

（1）靜力觸探法分類和運用狀況。靜力觸探可以分成多類，比如單橋及雙橋靜力觸探，在探頭上，可以分成密度以及孔壓靜壓探頭等。對于單橋靜力觸探來講，它最早出現(xiàn)于64 年，長期實踐中建立了較多的經(jīng)驗公式，有關(guān)規(guī)范早納入其中。相比之下，雙橋以及孔壓靜力觸探在國內(nèi)運用歷史較短，第一項技術(shù)發(fā)展較為緩慢，而第二項技術(shù)只有一些單位在運用，同時缺乏豐富經(jīng)驗，有關(guān)經(jīng)驗在20 世紀(jì)90 年代才得到承認(rèn)。

（2）測試功能和精度對比。①在劃分土層以及判斷土類上，CPTU 存在較大的分辨率。壓力值和滲透性息息相關(guān)，所形成的超孔壓較大，當(dāng)進入砂層內(nèi)時，超孔壓降低，在砂土內(nèi)，在剪脹影響下，促使壓力負值，所以在區(qū)分時有著較大的分辨率。相比之下，通過CPTU 劃分土層剖面存在顯著的優(yōu)勢，能夠節(jié)約時間、分辨率較大。實踐顯示，孔壓急劇降低的位置，往往有著很大的含砂量，土芯采取率無法實現(xiàn)百分之百，而CPTU 會精準(zhǔn)記載地基土狀況，另一方面，即便室內(nèi)實驗方式被大力推廣，但結(jié)果難以準(zhǔn)確體現(xiàn)基土實況，土體擾動顯著，無法獲得完整試樣開展實驗，此部分常常屬于最薄弱部分，屬于處理方式應(yīng)用的設(shè)計核心，而CPTU，在精度方面有著顯著優(yōu)點。②在工程性質(zhì)指標(biāo)上，CPTU 能夠精準(zhǔn)獲取固結(jié)以及滲透系數(shù)，對于沉降以及時間關(guān)系的評估，固結(jié)系數(shù)屬于不可或缺的指標(biāo)參數(shù)，一般通過消散試驗估算，據(jù)此預(yù)估滲透系數(shù)，另一方面，也能夠通過孔壓值來對抗剪強度進行預(yù)估。

（3）主要設(shè)備構(gòu)成。貫入設(shè)備包含多種型式，比如手搖，貫入能力能夠?qū)崿F(xiàn)50t；觸探桿和電纜；信號發(fā)生器，能體現(xiàn)貫入深度狀況；觸探儀，可以收集原始數(shù)據(jù)信息；探頭；軟件，涉及傳輸與處理軟件。

（4）孔壓靜力觸探效益。①運用范圍較廣，適用諸多領(lǐng)域，包括橋梁、鐵路等。②根據(jù)價格效益比分析，所需費用較低。相比之下，能夠節(jié)約勘探費。③設(shè)備較輕，方便攜帶，操作不難。④功能完善，精準(zhǔn)度高。可以精準(zhǔn)劃分土層，明確固結(jié)系數(shù)[1]。⑤勘探周期較短。能夠開展實時控制，也就是一邊收集數(shù)據(jù)，一邊處理，由此當(dāng)日獲取結(jié)果。

2 CPTU 的原理

對于孔壓靜力觸探（CPTU），它是在圓錐探頭中，布設(shè)透水過濾器與傳感元件，探頭貫入土體期間，能夠記載孔隙水壓力的改變，進而能夠比較精準(zhǔn)地劃分土類、預(yù)測土體特性。不僅如此，基于在某深度位置停止貫入，能夠量測消散，由此能夠估算固結(jié)系數(shù)與滲透性指標(biāo)。CPTU 橫截面如圖1 所示，主要構(gòu)件包括過濾器、套筒與傳感器等。錐頭貫入時被擠壓，空腔和傳感器銜接，利用過濾器能夠獲取孔壓。過濾器位置通常存在多種，如圓錐肩部以及底部。錐頭側(cè)面過濾器對孔壓改變較為靈敏，然而，測值的穩(wěn)定性較低，可能被損；圓錐底部過濾器孔壓較為穩(wěn)定，然而，存在一定的滯后性，特別從消散試驗來分析，會發(fā)生失真情況；圓錐肩部過濾器孔壓比較穩(wěn)定，并且由于錐頭保護，不易被損，存在較長壽命。不僅如此，如今對CPTU 的修正一般是基于錐頭阻力。所以，通行的CPTU 規(guī)范，一般使用圓錐底部過濾器。

圖1 CPTU 橫截面

式中：Qt——修正錐尖阻力；Qc——實測阻力；μ——孔隙水壓力；α——修正面積比，其值是An/Aq。

CPTU 相關(guān)面積如圖2 所示[2]。20 世紀(jì)70 年代以來，CPTU 獲得了廣泛運用與發(fā)展，且成為重要的勘察方法之一。很多國家和地區(qū)都規(guī)定了CPTU 標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范。我國在1985 年引入該項技術(shù)之后，很多科研機構(gòu)與勘察單位開展了運用與分析。特別這幾年，伴隨基建設(shè)施的不斷發(fā)展，在很多大型工程中，存在更多的CPTU運用案例。

圖2 CPTU 相關(guān)面積

3 基于CPTU 預(yù)測評估樁基承載力的方式

現(xiàn)如今，存在較多的方式能對樁基承載能力進行評估，但都是在式（2）至式（4）的基礎(chǔ)上開展評估。

式中：Qm——極限承載能力；Qp——樁端承載力；Qf——摩阻力；Ap——端部受力面積；As——樁側(cè)受力面積；qp——端部承載力；fp——樁側(cè)承載力。

CPTU 評估承載力的運用，很多研究人員對其開展了研究，且提出了評估承載力的方式。有研究人員對樁基承載力開展預(yù)測，根據(jù)CPTU 試驗對阻力系數(shù)進行反推。

式中：Qp——樁端阻力；Qe——修正值；Cq——樁端阻力有關(guān)系數(shù)。

通過孔壓靜力觸探試驗來反推樁端阻力系數(shù)：

式中：Cqe——樁基單位面積樁端阻力相關(guān)系數(shù)；Nc——CPTU 承載力系數(shù)；Nke——圓錐系數(shù)。

可通過式（7）來推算圓錐系數(shù)：

式中：Qc——錐尖阻力；Sm——抗剪強度[3]。

并且，能夠根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（5）、式（6）、式（7）反推Cq。

預(yù)制靜壓管樁外徑為500mm 時反算結(jié)果：Cq為0.5，Nke為16.4，Nc為8.2；預(yù)制靜壓管樁外徑為400mm時反算結(jié)果：Cq為0.53，Nke為18.8，Nc為10；水泥攪拌樁外徑為400mm 時反算結(jié)果：Cq為0.6，Nke為17.9，Nc為10.7；混凝土管樁外徑為600mm 時反算結(jié)果：Cq為0.4，Nke為14.7，Nc為5.9。

有研究人員根據(jù)觸探試驗及荷載試驗開展比較，給出了利用阻力凈值來對側(cè)摩阻力及樁端阻力進行計算的方式，如式（9）和式（10）所示。

可通過式（11）來推算阻力凈值：

式中：Qt——修正值；σv0——土層應(yīng)力。

根據(jù)摩擦阻力以及超孔壓能夠計算樁側(cè)摩阻力，相比于砂土，黏土孔壓較高，摩擦阻力表現(xiàn)出線性關(guān)系。有研究人員對于黏土地層，給出樁端阻力能夠根據(jù)錐尖阻力值直接獲取，同時能夠根據(jù)側(cè)摩阻推測單位側(cè)摩擦力。從研究思路上開展區(qū)分，基于CPTU 預(yù)測評估樁基承載力的方式一般包含兩類，首先，通過錐尖助力來對側(cè)摩以及樁端助力進行預(yù)測；其次，通過側(cè)摩阻以及錐尖阻力，來對側(cè)摩以及樁端阻力進行預(yù)測。

4 運用孔壓靜力觸探的意義

建筑物種類較多，核心構(gòu)筑物荷重大，占地大，涵蓋很多的巖土問題?？讐红o力觸探以其諸多優(yōu)勢，包括迅速、精準(zhǔn)劃分土層、原位檢測固結(jié)系數(shù)，在工程勘察方面有著較大的意義。一般表現(xiàn)于這些層面：①明確淺層土力學(xué)性質(zhì)。特別是預(yù)測評估承載力和液化判斷。②明確樁基參數(shù)。結(jié)合該項方法獲取的錐尖以及側(cè)摩阻力可以切實體現(xiàn)樁基承載性狀，由此獲得樁基參數(shù)。③明確固結(jié)系數(shù)。消散試驗?zāi)軌蛑苯荧@取固結(jié)系數(shù)，孔隙水壓力存在瞬時性，貫入期間暫停，壓力會伴隨時間消散，主要是徑向滲流，孔壓將實現(xiàn)平衡。④明確基坑設(shè)置參數(shù)。利用超孔壓比能夠有效計算黏聚力，由此科學(xué)明確橫向荷載。⑤滿足工程勘察潮流。伴隨設(shè)計單位走出國門，參加國際大型項目的設(shè)計，在項目勘察以及設(shè)計階段盡快和國際接軌尤為關(guān)鍵，這需要健全勘察理念；另外在勘察方式上也應(yīng)該進行優(yōu)化，作為重要的觸探技術(shù)，CPTU 已被更多的國家與地區(qū)認(rèn)可[4]。所以，靈活應(yīng)用CPTU 對增強設(shè)計單位的競爭力，發(fā)揮較大的推動作用。

5 樁基工程中CPTU 方法的運用

某一工程樁基，項目地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，從土層結(jié)構(gòu)來分析，上層屬于淤泥土，中層屬于黏性土，持力層屬于風(fēng)化巖，樁基直徑大小是1.2m。為了評估預(yù)測此樁基的承載力，在其周圍兩米范圍內(nèi)開展了CPTU 試驗，將試驗結(jié)果當(dāng)作預(yù)測承載力的數(shù)據(jù)。此次研究借鑒已有的預(yù)測方式，根據(jù)測試結(jié)果及樁基資料來研究樁基阻力。

（1）超孔壓和阻力的關(guān)系。根據(jù)觸探結(jié)果以及樁基資料研究超孔壓與阻力的關(guān)系，超孔壓和阻力的關(guān)系如圖3 所示，超孔壓與阻力之比的相關(guān)性比較良好。

圖3 超孔壓和阻力的關(guān)系

（2）單位面積樁端阻力系數(shù)反算。根據(jù)錐尖阻力值能夠獲得樁端阻力：

式中：Qp——樁端阻力；Cq——阻力系數(shù)；Qe——錐尖阻力有效值[5]。

同時在這一地層中，樁端阻力與錐尖阻力存在對應(yīng)關(guān)系，所以阻力系數(shù)能夠根據(jù)錐尖阻力開展推算：

式中：Qp——樁端阻力；Aq——截面積。

根據(jù)式（1）至式（13）與該項目的樁基資料，能夠?qū)ψ枇ο禂?shù)開展反算，具體如下：①樁號1，Qp為1899kN，樁 徑 為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為20.5MPa，Cq為0.075。②樁號2，Qp為1901kN，樁徑為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為20.5MPa，Cq為0.076。③樁號3，Qp為1781kN，樁徑為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為17.6MPa，Cq為0.082。④樁號4，Qp為1779kN，樁徑為1.25m，Ap為1.2272m2，Qe為17.6MPa，Cq為0.082。根據(jù)以上結(jié)果可以得知，樁端阻力系數(shù)介于0.075～0.082。

（3）相關(guān)問題探討。①探頭飽和。探頭內(nèi)若存在氣體，在貫入期間，孔隙水壓力無法切實傳到過濾器，由此造成數(shù)據(jù)失真，所以試驗之前，探頭飽和非常關(guān)鍵。核心包含這幾點：要把探頭放在飽和器內(nèi)抽真空，時長要超過30min，關(guān)掉真空泵、運行進水閥之后，要讓無氣水進到容器中同時淹沒探頭，時長要超過12h。不僅如此，在探頭與探桿銜接期間，要使用保護措施，防止和空氣接觸。②貫入速度影響。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，在進行CPTU 測試時，貫入速度應(yīng)是（2±0.5）cm/s。這一速度下，針對粗粒土，相當(dāng)于排水條件，針對細粒土，類似不排水條件，針對中等粒徑土，類似局部排水條件。各種排水條件的影響體現(xiàn)于孔壓值，所以，確保貫入速度穩(wěn)定，屬于精準(zhǔn)劃分地層的核心所在。

6 結(jié)論

本文根據(jù)具體工程中的觸探數(shù)據(jù)，對承載力開展評估預(yù)測，且比較了修正值、樁端阻力，獲取了該項目樁基承載力經(jīng)驗公式參數(shù)，同時獲得如下結(jié)論：①因為CPTU 的試驗機制更適用成樁過程開展模擬，同時操作規(guī)程基本上不被人為因素干擾，相比于原位測試，CPTU測試更為穩(wěn)定，基于CPTU 的樁基承載力的結(jié)果也更為精準(zhǔn)。②本文基于前人研究，對某一樁基項目開展了CPTU 試驗，同樁基資料相融合，給出了樁基承載力預(yù)測，為此樁基項目的改善提供了借鑒數(shù)據(jù)，利于平衡該項目的經(jīng)濟性。③因為數(shù)據(jù)數(shù)量的約束，針對該工程的樁基承載力評估，只給出了初步計算模型，還有待深入完善以及驗證。