大直径桩承载力确定方法综述

张　彬

[摘要]对大直径桩承载力的确定方法和各自的优缺点进行系统的总结。这对岩土工程师们了解和改进大直径桩承载力的确定方法有一定的帮助。

[关键词]大直径桩 承载力 综述

中图分类号:TU19文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810093-02

一、引言

由于高层建筑的迅速发展、施工技术的进步,以及修建跨越长江、黄河、海湾、海峡等特大型桥梁[1],工程建设

中采用一柱(墩)一桩的单桩结构的情况日趋增多。大直径桩的采用可以显著提高单桩的承载力,高层建筑、大跨度建筑、大型桥梁的发展都要求提高基础的承载力,为大直径桩的应用与研究提供了契机[2]。因此,大直径桩承载力的确定就成为大直径桩基设计的核心问题。

大直径桩一般设置在较好的持力层上,单桩承载力较高,可通过扩大直径来调整承载力以适应承担结构荷载的要求;由于大直径桩单项工程试桩数量较少,积累的单桩承载力试桩资料较少,而对于仅有的少量试桩又受到试验设备和经费的限制,较难取得完整的实测荷载-沉降曲线,给试验结果的分析造成了较大的困难。目前对大直径桩的承载力尚未取得统一的取值方法,进一步探讨大直径桩的受力性能,提出合理的承载力计算模式及相应的计算参数是目前急需解决的问题。

目前,大直径桩单桩承载力的确定方法大致可分为直接法和间接法两类。直接法是对桩进行现场试验,包括现场静载荷试验,动力测桩法等;间接法是通过其他手段获得单桩的端阻力和侧阻力,并由此确定单桩承载力。

本文就大直径单桩承载力的确定方法进行了综合评述。

二、大直径桩承载力确定方法

(一)静载荷试验法

静载荷试验是确定单桩承载力的基本方法,是最直接最可靠的检测方法。大直径桩的Q-S曲线关系一般呈缓变型。大直径钻孔灌注桩的极限承载力取值应由变形控制来确定,可取桩顶沉降S=40～60mm所对应的荷载值或者(0.03～0.06)D(D为桩端直径,大桩径取低值,小桩径取高值)所对应的荷载[3]。对于沉降不敏感的结构物桩基础,一般可取s=0.01D对应的荷载为承载力允许值或设计值[4]。对于沉降敏感的结构物单桩基础,宜按等变形的准则确定不同直径桩的承载力设计值。许多国家的地基基础设计规范和工程实践都将该方法置于优先的位置,并作为与其他方法的比较依据。

该方法的缺点是成本高、工程量大、时间长等。传统的单桩载荷试验方法有两种,一是堆载法,二是锚桩法。前者必须解决几百吨甚至数千吨的荷载堆放及运输问题,后者必须设置很多根锚桩及反力大梁。对于大直径桩来讲,由于其承载力非常大,工作难度更大,费用也非常大。近年静载试桩的载荷量达到21060kN[5],甚至超过100000kN[6]。

静力测桩法是一种仍在不断发展的可靠方法,今后的发展方向应该是逐渐克服其成本高、工期长、占用施工场地、试桩载荷小等缺点。

(二)动力测桩法

较早的动力测桩法是A.Hiley(1930)的打桩公式法。该法通过建立锤击(动荷载)与桩贯入度的关系式来确定桩的承载能力。D.V.Isaace(1932)提出一种解应力波波动方程的动力测桩法,后来E.A.Smith做进一步的研究,并将这种方法付诸应用[7]。现行的动力测桩技术是以应力波理论为基础发展起来的。该方法一般是在桩顶作用一动荷载,使桩产生显著的加速度和土的阻尼效应,通过量测桩-土系统的振动响应,用波动理论研究应力波沿桩土系统的传递和反射,从而判断桩身阻抗变化和确定单桩承载力。动测法可分为高应变动测法和低应变动测法两类。

1.高应变动测法

高应变动力测桩法是以较大的冲击荷载(冲击锤重一般不小于预估桩极限承载力的1%)作用于桩顶,使桩、土系统产生瞬时的高应变状态,且使桩有明显的贯入度(一般要求贯入深度不小于2.5mm)的一种动力测桩法。依据冲击方式和观测参数的不同可分为:锤贯法、打桩公式法、波动方程分析法(Smith)、CASE法、实测轴向力或振动速度曲线的拟合法(CAPWAP法和TNOWAVE法)、静-动荷载法(Statnamic法)、准静力法(Pseudo-static pile load tester 法)等等[7]。

以应力波理论为基础的高应变法,特别是采用实测波形的拟合法,目前被认为是最有效的动测法。但是分析计算中不少桩土参数仍靠经验决定。能否将参数的选值与土工常规试验参数联系起来,并改进桩端周围土体受力后性状的模拟是进一步提高高应变法精度的关键。

对于大直径桩,由于承载力高,很难实现真正意义上的高应变。笔者认为,高应变法比较适合于有静载荷试验结果作参考的一般工程桩的质量检验,而要想真正作为确定单桩承载力的方法还有待于发展。

2.低应变动测法

低应变动力测桩法是针对静载荷试验法的不足而提出和发展起来的一种方法。该方法是对桩顶施以能量较小的轴向动力,激发桩的振动,并通过观测和研究桩的振动响应来确定桩的完整性和承载能力。低应变动力测桩法大约于20世纪60年代末开始研究并在法国首先用于实际,此后在许多国家先后都开展了一些研究和应用。按低应变动测桩法中的激振方式及观测响应的不同,可以分为瞬态法和稳态法。低应变动测法作为桩身完整性的检测方法具有简便快捷和无损检测的优越性[7]。

但是,低应变动力测桩法的研究,尤其是理论方面的研究程度不够,以至于对桩身质量,特别是对桩的承载能力的确定还不能达到令人满意的程度。低应变法能否用来确定单桩承载力是有争论的。有些学者认为,使土产生足够大的塑性变形是直接测定桩承载力的必要条件,低应变法无法激发桩周土的阻力并加以实测,实测的仅是桩土系统的某些动力参数,所提供的桩承载力绝非实测的承载力。因此,工程界对于低应变法持否定态度的占主导地位。

动测法确定桩的承载力是一种快速的方法,但可靠性有待研究,尤其是大直径桩,用该方法确定承载力应谨慎。

(三)自平衡测试法

自平衡测试法是确定单桩承载力的一种有效方法,尤其对于大直径桩效果更明显。美国Osterberg教授于20世纪80年代中期首先开展了桩承载力自平衡法的研究[8]。目前该方法在美国被广泛应用,近年在加拿大、英国、日本及香港也逐渐推广,试桩承载力已经达到了133000kN[5]。龚维明等自1996年起对该法的关键设备荷载箱和位移量测、数据采集处理系统进行了研究开发,取得了显著的成果[9]。该方法的原理是在桩的中下部埋设一个荷载箱,沿垂直方向通过油压管加压,随着压力增大,荷载箱将自动脱离,从而调动桩侧阻力及桩端阻力的发挥,直到破坏。通过测得的两条向上、向下的Q-S曲线就可比较准确地得出桩的抗拔承载力及桩下段的抗压承载力,再经过换算,可得到单桩的抗压承载力[10] [11]。

黄锋等对Osterberg测桩法也作了研究,并提出了改进的办法,得出Osterberg法中存在的桩周土变形不连续对桩承载力的发挥影响很有限,而且Osterberg试验得到的桩的总承载力(摩阻力和端承力之和)和传统压桩试验的结果相当接近,该方法有发展前景。

对于纯摩擦桩和端承桩,该方法的应用受到一定限制。因为当桩身阻力或桩端阻力其中一方率先达到破坏后,除非依靠辅助措施和预处理等手段,否则很难继续测试;另外该方法有一个难点就是平衡点的确定,有待进一步研究。

该方法构思巧妙,装置简单,可节省人力、财力,场地占用少,对场地的适应性好,因此特别适用于堆载试验比较困难的地方,适用于承载力高的大直径桩,具有很大的发展前途。

(四)原位测试法

用原位测试法确定单桩承载力,在国外已经较普遍采用。该方法主要的特点就是采用适用于小桩的静荷载试验所得到的荷载传递资料来间接确定大桩承载力,其中最常用的有静力触探(CPT)法、标准贯入试验(SPT)法、旁压试验法等[12]。

(五)理论分析法

在工程设计中桩的承载力和沉降是两个基本参数。目前桩的沉降计算方法主要有荷载传递分析法、弹性理论法、分层总和法、剪切变形传递法、有限元分析法以及规范简化方法等[4]。

在各种分析方法中,弹性分析模型应用最为普遍。Richwien&Z.Wang

(1999)提出了考虑土的非线性的桩-土体系分析模型[13]。基于均质弹性半空间无限体的Mindlin解,Butterfield(1977)&Poulos(1968)等提出了计算单桩或群桩的荷载-沉降曲线的方法,并指出桩在均质土中的沉降解在实际应用中一般能满足要求。王杰贤等(1990)假定桩为等截面、竖直、轴心受荷、均匀土体中的摩擦桩,由桩身弹性压缩变形所引起的弹性位移和桩身传递的荷载及桩端荷载压缩土体所引起的桩身刚性位移两部分组成了桩顶的总沉降,并分析静载试验的荷载-沉降曲线,依据荷载传递规律提出了按桩-土共同作用确定单桩承载力的方法[14]。蒋建平博士(2002)分析了大直径超长桩不同桩型在不同土层中的承载机理和承载性状,考虑侧压力的侧阻力分布及极限承载力理论,提出了大直径超长桩的极限承载力理论公式。该方法仅适用于均质土中的大直径超长桩。在桩长较长(大于70m)或长径比比较大的情况下,由于端阻力很小或为0。所以该方法计算的极限承载力将端阻力忽略[15]。胡庆立博士(2002)提出了将现场小直径桩静载试验与理论分析方法相结合确定大直径桩承载性能的方法。该方法保留了现场静载试验方法的优点,克服了静载试验加载能力的限制;利用了理论分析方法的优点,而其模型参数由现场静载试验资料确定,更为真实可靠,从而保证理论分析结果的可靠性[2]。

(六)荷载-沉降曲线数学拟合方法

数学拟合方法主要包括灰色预测法、双曲线拟合法和指数曲线拟合法。它们的基本原理都是在拟合工程桩在较小荷载作用下桩顶的荷载-沉降曲线的基础上,将拟合所得荷载-沉降曲线外推获得完整的荷载-沉降曲线。

韩晓林等对准静载试验的原始荷载序列{p(0)(i)}和沉降序列{s(0)(i)},建立了灰色预测GM(1,1)模型[16]。但该方法的精度仍然值得商榷,只有当数据进入较明显的塑性阶段时才可利用该模型预测极限承载力。

(七)神经网络映射方法

Anthony应用BP神经网络建立了打桩特征、桩特征与桩极限承载力的关系。通过对打桩记录的大量学习,使神经网络具有较好的预测桩极限承载力的能力。其不足之处就是没有考虑土的类型和成桩工艺对单桩承载力的影响,还有待更进一步的探讨。

应用神经网络映射法确定大直径桩的承载力,本质上就是数值外推或内插的过程。神经网络法的基本原理决定了该方法需要大量的样本。各地区土的成因及地层条件复杂,要想得到可靠的结果必须采集大量的数据,工作量相当大。

(八)经验法

我国《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)、铁路桥涵设计规范(TBJ2

-96)和日本《建筑结构设计规范》以及北京、上海、天津等城市的地区规范都对大直径单桩承载力的计算给出了相应的经验算法[4]。

经验方法必须有足够的地区经验才能作为工程设计的依据。对于大直径桩当然也应该谨慎使用。

三、小结

静载荷试验法是最直接最可靠的方法,但要克服其成本高,工期长等缺点。动测法确定大直径桩的承载力的可靠性有待研究。自平衡法确定单桩承载力对于大直径桩很适用。一些理论分析法根据不同的假设提出不同的解决方法。其他确定大直径桩承载力的方法也都有各自的适用性及弊端。

由于大直径桩工程应用的迅速发展,以及设计要求的提高,使得单桩承载力计算方法有待进一步完善。上述各种方法用于大直径桩的承载力预测都具有一定的适用性,也有自身的缺点。在确定大直径桩承载力时,一定要分析具体情况选择合适的方法,并用多种方法综合确定。

参考文献:

[1]孔祥金、任永利,大直径桩的现状与远景,西部探矿工程,2000,2:29-30.

[2]胡庆立,竖向荷载作用下大直径桩的承载性能研究,哈尔滨工业大学博士论文,2002.

[3]中国建筑科学研究院,JGJ94-94建筑桩基基础设计规范,北京:中国建筑工业出版社,1995.

[4]林天健、熊厚金、王利群,桩基础设计指南,中国建筑工业出版社,1999,226-283.

[5]蔡长庚,广东静载试桩堆载达2106吨,岩土工程界,2000,3(3):7.

[6]张旷成、张镇、丘建金,深圳地区的地质条件和建筑桩基工程,桩基设计施工与检测,北京:中国建筑工业出版社,2001,1-10.

[7]雷林源,桩基动力学,北京:冶金工业出版社,2000,1-2.

[8]Jori Osterberg.New device for load testing driven piles and Drilled Shaft Separates Friction and End Bearing.Piling and Deep Foundations.Netherlands:1989,421-427.

[9]龚维明、翟晋、薛国亚,桩承载力自平衡测试法的理论研究,工业建筑,2002,32(1):37-40.

[10]顾爱锋、刘金洪、龚维明,人工挖孔桩承载力的自平衡测试法,岩土工程的实践与发展,见:岩土工程系列研讨会论文集,上海交大出版社,宁波,1999,189-191.

[11]龚维明、蒋永生、翟晋,桩承载力自平衡测试法,岩土工程学报,2000,22(5):532-536.

[12]《桩基工程手册》编写委员会,桩基工程手册,中国建筑工业出版社,1995,1-222.

[13]W.Richwien,Z.Wang.Displacement of a Pile under Axial Load.Geotechnique,1999,49(4):537-541.

[14]王杰贤、高永贵,按桩-土共同作用确定单桩的承载力,中国土木工程学会第五届土力学及基础工程学术会议论文选集,北京,1990,400-406.

[15]蒋建平,水下大直径超长桩理论分析与工程应用,南京大学博士论文,2002.

[16]韩晓林、王五平,桩基承载力检测的准静载灰色方法,岩土工程学报,2000,22(1):131-132.