桩基设计可视化及其数据库拓展研究探讨★

邹圣锋 石朗晶 黎桉君 张贵川

(西南大学工程技术学院土建类大学生创新训练中心，重庆 400716)

桩基设计可视化及其数据库拓展研究探讨★

邹圣锋 石朗晶 黎桉君 张贵川

(西南大学工程技术学院土建类大学生创新训练中心，重庆 400716)

针对目前工程中桩基承载力设计存在的问题进行了分析，结合工程所得数据建立桩基承载力数据库，对五种基于CPT的桩基设计方法进行比较，并将结果利用计算机编程，以程序软件的形式实现桩基设计方法的可视化，从而为桩基承载力设计方法的实际选用提供参考。

CPT，承载力，桩基设计，数据库

0 引言

桩基础作为一种重要的基础形式，在高层建筑、桥梁、港口、近海结构以及大型发电厂构筑物等工程中得到了广泛应用［1］，因此单桩基础的承载力计算对于工程设计及工程安全显得尤为重要。以静力触探试验CPT(全称Cone Penetration Test)为基础的计算方法已被应用于硅质砂地基中打入桩(或静压桩)的轴向承载力计算，但却没有一个确定的指导方法可用于帮助工程设计者选择合适的打入桩轴力计算方法［2］。

针对目前国内外研究现状，现拟通过收集实际工程中的桩基承载力数据建立一个较为庞大的数据库系统［2］，并通过利用计算机语言进行编程建立一个可视化的程序软件，从而实现各种工程地质及桩身条件下桩基承载力设计方法的可视化选择。

1 工程中桩基承载力设计现状及存在的问题

1．1 桩基承载力设计现状

自1932年静力触探试验问世以来，经过广大辛勤工作者70余年的不懈努力，国内外对静力触探的操作及其在岩土工程领域的应用已经积累了大量经验，并制定了有关规范。国外从20世纪40年代CPT的出现开始到现在一直没有放弃对CPT的改进工作［3］。介于CPT技术的不断发展，国外已经涌现出了较多的CPT方法用于桩基承载力的计算方法。而目前国内利用静力触探数据计算桩基承载力的方法可大致分为两类：直接法和理论法［4］。理论法是利用极限承载力理论、孔穴扩张理论、应变路径法等［5］。根据测试数据来间接估计土性参数(内摩擦角、抗剪强度等)从而计算出桩基承载力。这种方法根据不同的理论解释，造成计算结果有较大差异，带有一定的不确定性。而直接法则是通过现场所测得实验数据及工程应用所收集来的数据直接应用于桩基承载力的分析，由于是直接利用所得数据进行分析计算，故而相对于间接法而言直接法具有更加准确的优势。当前国内外采用的直接法，主要包括：1)JGJ 94-94建筑桩基技术规范法;2)ICP-05法(帝国理工法);3)UWA-05法(西澳大利亚法);4)NGI-04法(挪威岩土工程学会法);5)Fugro-04法(Fugro石油学会法);6)API-00法(美国石油学会法)［6］。

1．2 桩基设计存在的问题

纵观国内外工程中桩基承载力设计现状，目前仍存在如下问题：

1)桩基承载力影响因素众多，各地试验数据大相径庭。静力触探由于其自身试验的特殊性，导致试验结果影响因素众多。包括试验桩桩身条件及工程地质条件等。就桩身条件而言，桩长、桩径、侧壁摩擦系数、桩身材料等都是影响试验结果的重要因素;而就工程地质条件而言，不同的地质条件：地基土质种类(例如砂土、粘性土等)、土壤密度、内摩擦角，以及气候因素下的空隙水压等因素都会造成静力触探试验结果的不同，即使是同一位置条件、同一时刻进行的试验都很可能会出现截然不同的试验结果。因此不同地区进行的实验数据往往会出现较大的试验差现象。2)基于CPT的桩基设计方法较多，缺乏统一的标准。得益于70多年以来广大岩土工程师们的投入研究，如今国内外已经有很多种基于CPT技术的桩基承载力设计方法，并已被广泛应用于实际工程领域，而不同种设计方法往往也存在很多的不同。例如钙质土桩基场址勘察方法很多，而且各家测试结果也不尽相同。研究成果都是地区性的和经验性的，并不能照搬［7］，以致于在实际工程中会出现同一工程中采用不同的设计方法时其结果会产生较大的偏差。

正是由于缺乏统一的规范标准为设计师们在设计过程中就选择何种设计方法提供指导，直接导致了长期以来，工程师们在从事桩基设计过程中的苦恼，使得他们不得不提高设计时的安全系数，从而保证工程质量。而这一现象则必然导致工程施工中的人力物力的浪费，对于工程的经济性造成不利。

2 桩基设计可视化及其数据库拓展研究

2．1 桩基设计可视化拟实现的目标

工程调研发现，就目前的工程应用情况，要实现桩基设计的科学性和经济性，就需要有一个良好的指导规范可供设计者参考，从而在桩基设计中，选择结合工程实际较为合理的设计方法，避免不必要的浪费。只有设计方法操作简便、安全合理且经济高效才能真正将理论技术进步转变为生产力，从而广泛地投入到工程应用。

2．2 桩基数据库拓展拟实现的目标

正如前面所讨论过，国内外不同地质条件下已经做过诸多的试验和工程应用，针对不同的应用条件有了很多的试验数据可供我们收集整理并分析，且随着科技的发展，更多的工程将投入运营，这无疑又为我们提供了新的研究素材。通过收集分析已有的做过CPT的桩基实验数据，并结合不同的设计条件和设计方法建立一个较为庞大的数据库，从而消除以往凭借经验设计所带来的不足，提高数据的代表性和准确性。

然而科技的进步一方面为我们提供新的研究素材时，另一方面也会给我们造成新的难关，例如上海浦东金茂大厦桩基础的桩入土深度超过80 m［8］。因此我们需要进一步拓展所建立的数据库，为更多新问题的出现做好准备。

2．3 桩基设计可视化研究

以当前广泛采用的五种基于CPT的桩基设计方法，即API-00法、ICP-05法、NGI-04法、Fugro-04法、UWA-05法等五种方法，结合已收集到的做过CPT的桩基承载力数据，比较五种方法下设计结果的差异，与工程数据进行对比，权衡不同设计方法在不同设计条件下的桩基设计可靠度。利用计算机语言编程将所得结果汇编成为一个可视化的程序软件，从而实现如同WINDOWS系统般可以进行可视化操作的目标，便捷地进行设计方法的选择。

2．4 桩基数据库拓展研究

当有足够多桩基承载力的试验数据时，相应的安全系数就越小，桩基设计方法和承载力确定方法的精确性越高［9］。当前在业界已经有了桩基承载力的CPT数据库，然而由于收集过程的局限性。加之试验成本较高，可进行的试验数量有限，导致了目前整理出的数据库系统相对较小，在预测桩基承载力时可靠度并不是很高。因此基于预测可靠度来讲，目前的数据库亟待拓展。

此外，伴随着土木行业的大跨步发展，更多高层建筑和海洋工程的发展不断给设计师们提出难题，新的工程性质和工程地质条件必然要求有新的途径解决，而扩展桩基数据库就成了解决它必不可少的手段之一。从解决不可预知问题的角度出发，当前数据库的拓展成为了一项与时俱进、不可懈怠的工作。

3 结语

本文针对目前工程中桩基承载力设计存在的问题(缺乏设计选择方法、数据库预测可靠度低等)，以CPT技术为基础，对五种桩基设计方法进行对比，比较不同数据库的桩基承载力预测可靠度。通过收集整理已有的桩基承载力数据建立较大的桩基CPT数据库，通过大量的工程数据离散性分析，根据桩基承载力数据分布规律，得出不同工程环境条件所适宜的设计方法。并将结果利用计算机语言进行编程，以程序软件的形式实现桩基设计方法的便捷可视化选择。并不断扩充已有的数据库，保持数据库系统的时效性和准确性，为解决更多更新的工程问题提供保障。

［1］王遇国，梅志荣，张季超．单桩承载性状试验研究［J］．岩土工程学报，2010，32(1)：7-11．

［2］James A，Schneider，Xiangtao Xu，Barry M．Lehane．Database Assessment of CPT-Based Design Methods for Axial Capacity of Driven Piles in Siliceous Sands［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental，2008，134(9)：1227-1244．

［3］曾国清．CPT技术在环境岩土工程中的应用分析［J］．广东科技，2006(153)：89-90．

［4］郭进军．静力触探在桩基承载力计算应用中目前存在的问题［J］．河南科技学院学报(自然科学版)，2006，34(3)：67-70．

［5］孟高头．土体原位测试机理方法及其工程应用［M］．北京：地质出版社，1997．

［6］Lehane B M，Schneider J A，Xu X．The UWA-05 method for prediction of axial capacity of driven piles in sand［J］．Proc．，Int．Symp．Frontiers Offshore Geomech．ISFOG，2005．Perth，683-689．

［7］单华刚，汪 稔．钙质砂中的桩基工程研究进展述评［J］．岩土力学，2000，21(3)：299-308．

［8］阳吉宝，钟正雄．超长桩的荷载传递机理［J］．岩土工程学报，2010，20(6)：108-112．

［9］李典庆．打入桩承载力确定方法对安全系数的影响［J］．岩土工程学报，2006(27)：1733-1738．

Exploration on pile foundation design visualization and database expanding research★

ZOU Sheng-feng SHI Lang-jing LI An-jun ZHANG Gui-chuan

(Innovative Experiment Center for Undergraduates of Civil Engineering，College of Engineering and Technology，Southwest University，Chongqing 400716，China)

The paper analyzes current pile foundation capacity design problems．Combining with the engineering database，it establishes pile foundation bearing capacity database，compares five pile foundation design methods based on CPT，and shows the pile foundation design method with program software by applying computer programming method，which has provided some guidance for actual selection of pile foundation bearing capacity design method．

CPT，bearing capacity，pile foundation design，database

TU473．1

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.123

1009-6825(2013)10-0055-03

2013-01-29 ★：西南大学本科生创新基金(项目编号：1215006);国家级大学生创新创业训练资助(项目编号：20120635113)

邹圣锋(1991-)，男，在读本科生; 石朗晶(1991-)，男，在读本科生; 黎桉君(1992-)，男，在读本科生;

张贵川(1992-)，男，在读本科生