双桥静力触探法在估算预应力混凝土管桩单桩承载力中的应用

吴伟

(蚌埠市勘察设计研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

随着城市建设的迅猛发展，高层建筑越来越多，天然基础已不能满足设计要求，采用桩基础越来越多。蚌埠淮河沿岸土质较差，上部为可液化土层，高层建筑主要采用预应力混凝土管桩，特别是在近几年，预应力混凝土管桩在蚌埠地区沿淮地段不断推广，并受到了一定好评，但也存在估算单桩承载力等问题，单桩承载力对工程有着很大的工程意义。本文采用双桥静力触探试验成果对预应力混凝土管桩单桩承载力进行估算，并讨论其工程应用。

2 双桥静力触探的概述

2.1 静力触探原理

静力触探(CPT)是用静力将探头以一定的速率压人土中，利用探头内的力传感器，经过自动记录仪来存储贯入整个过程所得到的各种数据，这些数据反映了地基土的各种测量参数，如土类的判别、土的物理性质、土的强度等。再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来取得土层剖面，提供地基承载力，选择桩端持力层和估算单桩承载力等工程勘察成果。

2.2 双桥静力触探基本参数

(1)探头圆锥底截面积为15 cm2，锥尖角为60°，摩擦套筒高21.85 cm，侧壁面积为300 cm2;

(2)探头应匀速垂直压入土中，贯入速率以1.2 m/min;

(3)探头测力传感器应连同仪器、电缆进行定期标定，室内探头标定测力传感器的非线性误差、重复性误差、滞后误差、温度漂移、归零误差均需要小于1%现场试验归零误差应小于3%;

(4)深度记录的误差不该大于触探深度的士1%;

(5)当贯入深度超过30 m，或穿过厚层软土后再贯入硬土层时，应采取对策避免孔斜或断杆，也可配置测斜探头，量测触探孔的偏斜角，校正土层界线的深度。

2.3 双桥静力触探特点

双桥静力触探以锥尖阻力(qc)和侧壁阻力(fs)两项指标来反映地基土实际强度及变形特性。在实际工程应用中，由于不同类型的土可能具相同的ps、qc或fs单项值，因此单靠某一个指标，是无法对土层正确分类的。使用双桥探头时，因为不同土质的qc和fs不可能都相同，因而可以利用qc和fs这两个指标来区分土层类别。双桥静力触探会更真实、更准确的记录下土层详细情况。双桥静力触探既是一种原位测试手段，也是一种勘探手段，它和常规的钻探—取样—室内试验等勘探程序相比，具有快速、精确、经济和节省人力等特点。此外，在采用桩基工程勘察中，静力触探能准确地确定桩端持力层等特征也是一般常规勘察手段所不能比拟的。

3 预应力混凝土管桩施工特点及沉桩机理

静压法施工是通过静力压桩机的压桩机构以压桩机自重和机架上的配重提供反力而将桩压入土中的沉桩工艺。由于这种方法具有无噪音、无振动、无冲击力等优点，适应今后对绿色岩土工程的要求;同时压桩桩型一般选用预应力管桩，该桩作基础具有工艺简明，质量可靠，造价低，检测方便的特性。两者的结合便大大推动了静压管桩在蚌埠地区淮河沿岸的应用，使之成为蚌埠桩基发展的主打产品。静压桩沉桩机理沉桩施工时，桩尖“刺入”土体中时原状土的初应力状态受到破坏，造成桩尖下土体的压缩变形，土体对桩尖产生相应阻力，随着桩贯入压力的增大，当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限破坏，土体产生塑性流动(黏性土)或挤密侧移和下拖(砂土)，在地表处，黏性土体会向上隆起，砂性土则会被拖带下沉。在地面深处由于上覆土层的压力，土体主要向桩周水平方向挤开，使贴近桩周处土体结构完全破坏。由于较大的辐射向压力的作用也使邻近桩周处土体受到较大扰动影响，此时，桩身必然会受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗，当桩顶的静压力大于沉桩时的这些抵抗阻力，桩将继续“刺入”下沉。反之，则停止下沉。

4 估算预应力混凝土管桩单桩竖向极限承载力实例分析

4.1 工程地质概况

蚌埠某高层建筑工程位于在淮上区政府西路以西、政府北路以北。主要建筑物包括1 栋18 层商住楼，13 栋11 层住宅楼，27 栋3 ～6 层住宅楼，一层地下室。拟建场地地貌单元属淮河北岸河漫滩相。主要土层为:①层耕土(Q4ml)，②层粉土(Q4al)，③层淤泥质粉质黏土(Q4al)，④层粉质黏土(Q4al)，⑤层细砂(Q3al)，⑤1层粉质黏土和细砂互层土(Q3al)，⑥粉质黏土(Q3al)，⑦层细中砂(Q3al)，⑧层全风化花岗片麻岩(Ar)，⑨层强风化花岗片麻岩(Ar)，⑩层中风化花岗片麻岩(Ar)。在勘探深度范围内所揭露的10 个土层中，⑤层细砂和⑦层中砂强度较高。对本工程来讲，建议选择⑤层细砂或⑦层中砂强度较高作为桩端持力层。最初拟采用沉管灌注桩，经钻探后建议采用预应力混凝土管桩(PHC 桩)。

4.2 实例计算

本场地地上部Q4沉积地层较厚且为液化土层，其含水量高、状态差、强度低，不宜作为天然地基上的浅基础持力层使用且工程上部荷载较大，拟采用预应力混凝土管桩，且桩外径600 mm、内径340 mm。分别采用双桥静力触探法和经验参数法估算单桩竖向极限承载力标准值。

(1)双桥静力触探法

按《建筑桩基技术规范》(JGJ94 －2008)5.3.4 条，当根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于黏性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算:

式中:QUK——单桩竖向极限承载力标准值(kN)

QSK、QPK——分别为总极限侧阻力标准值(kN)和总极限端阻力标准值(kN);

u—桩身周长(m);

li—桩周第i 层土的厚度(m);

βi—第i 层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土:βi=10.04(fsi)－0.55;

砂土:βi=5.05(fsi)－0.45;

fsi——第i 层土的探头平均侧阻力(kPa);

α—桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2;

qc—桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面;以上4 d(d 为桩的直径或边长)范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值(kPa)，然后再和桩端平面以下1 d 范围内的探头阻力值(kPa)进行平均;

Ap—桩端面积(m2)

根据场地内jk2，jk4，jk14，jk20 四个静探孔的资料见图1，采用⑦层细中砂作为桩端持力层，并进入桩端1.5 m。采用式(1)计算如下:

jk2 号孔:QUK=QSK+QPK=u∑liβifsi+αqcAp=1.884×［4.5 × 10.04 × (34.2)－0.55× 34.2 + 2.1 × 10.04 ×(15.9)－0.55×15.9 +6.5 ×10.04 ×(32)－0.55×32 +6.8 ×5.05×(93.0)－0.45×93.0+3.8×5.05×(62.0)－0.45×62.0+2.7 × 10.04 × (14.7)－0.55× 14.7 + 1.5 × 5.05 ×(177.6)－0.45×177.6+0.5×19340×0.1919］=4246 kN;

同上所得，jk4，jk16，jk20 号孔单桩竖向极限承载力标准值QUK分别为4 737 kN，4 632 kN，4 756 kN，其平均值:QUK=4593 kN。

各孔的侧壁阻力和锥尖阻力及各孔详细资料如表1、图1所示。

表1 岩土参数标准值采用表

图1 静力触探资料地质剖面图

(2)经验参数法计算

按《建筑桩基技术规范》(JGJ94 －2008)5.3.8 条，当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定敞口预应力混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值时，可按下列公式计算:

当hb/d ＜5 时，λp=0.16hb/d

当hb/d≥5 时，λp=0.8

qsik—桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值，如无当地经验时，可按《建筑桩基技术规范》(JGJ94 －2008)表5.3.5 －1 取值;

qpk—极限端阻力标准值，如无当地经验时，可按《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008)表5.3.5－2 取值。

Aj—空心桩桩端净面积:管桩:Aj=π/4(d2－d21);

Apl—空心桩敞口面积;

λp—桩端土塞效应系数;

d—空心桩外径;

d1—空心桩内径。

同样根据场地内jk2，jk4，jk14，jk20 四个静探孔的资料，采用⑦层细中砂作为桩端持力层，并进入桩端1.5 m。采用式(2)计算如下:

jk2 号孔:Quk= QSK+ QPK= u∑qsikli+ qpk(Aj+λpApl)=1.884 ×(40 ×4.5 +28 ×2.1 +60 ×6.5 +56×6.8 + 40 × 3.8 + 55 × 2.7 + 80 × 1.5)+ 6500 ×(0.1919 +0.0907 ×0.40)= 4177(kN);

同上所得，jk4，jk16，jk20 号孔单桩竖向极限承载力标准值QUK分别为4 208 kN，4 308 kN，4 360 kN，其平均值:QUK=4 263 kN。

各孔的侧阻力和端阻力及各孔详细资料见表1及图1。

4.3 结果对比与分析

经过两种单桩承载力算法，静力触探法比经验参数法值对比和分析，现总结如下;

(1)单从两种计算过程来说，用静力触探资料估算混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值，方法较为简单，计算过程不繁琐，静探数据为原始数据，但对桩端qc值的计算较为繁琐。对于经验参数法，其数据都是估算值，没有静探资料直接。同时静探资料也能采取一孔一算，上述几点比经验参数法优越。

(2)单从计算结果来说，经验参数法计算数值小于静力触探资料计算的数值。对于本工程来说，如果以静力触探资料计算出的数值为主，作为桩基础的初步设计的参数，可有效地减少工程上对人力和物力的浪费。

(3)单从适应性来说，蚌埠沿淮地区的地貌单元类型为淮河河漫滩，主要土性为黏性土、粉土、砂土。静力触探适合该地质环境，也可更好地反映沉桩情况。

(4)从准确性来说，静力触探法估算的平均值比经验参数法估算的平均值大了330 kN，高出约8%。从工程试桩结果来说，其值大于经验参数法估算值和静力触探法估算值，静力触探法估算值更接近试桩结果。但其准确性还需要更多的资料来验证。

(5)两种估算结果都小于试桩结果，可能原因如下:①估算的侧壁及桩端估算值保守，导致其经验参数法估算单桩竖向极限承载力标准值偏小。②静力触探法中的βi选择，在场地内⑤1层粉质黏土和细砂互层土，对于βi选择也是值得考虑的。③静力触探原始数据的处理问题。静力触探曲线上经常会出现非常陡的“峰”或“谷”，这正反映了天然沉积土层，特别是砂层的土性、强度的变化。对于本工程来说，对于桩端qc的统计就存在不小的差别。④《规范》中的计算公式，是适合全国的，全国各地区地质条件不尽相同，各地都有特殊性，如果要想估算出更符合实际的数值，应该积累本地区的资料，在有大量的可靠资料后，对该公式进行某些修正，使之能适用本地区的各种地质条件的公式。

5 结 语

通过蚌埠沿淮地区的实际工程场地的双桥静探资料并按照《建筑桩基技术规范》(JGJ94 －2008)中静力触探的方法对预应力混凝土管桩单桩竖向极限承载力标准值进行估算，并与经验参数法估算值进行对比与分析，双桥静力触探法估算预应力混凝土管桩单桩承载力在蚌埠沿淮地区是可以适用的。同时静力触探适合该地质环境，且静力触探机理和预应力混凝土管桩的作用机理类似，可以采用双桥静力触探法为基准，通过积累本地区的工程资料，对公式进行修正，建立地方经验公式，从而提高估算单桩竖向极限承载力的准确性，从而提高工程勘察成果质量，为工程节约经济成本。

［1］工程地质手册编委会．工程地质手册(第四版)［M］．北京:中国建筑工业出版社，2007．

［2］JGJ94 －2008．建筑桩基技术规范［S］．

［3］梁勇．静力触探试验估算预应力混凝土管桩单桩承载力的工程应用［J］．广西城镇建设，2009(4):99 ～102．

［4］张俊仁．用静力触探资料估算单桩竖向极限承载力标准值的几点体会［J］．吉林地质，2011，30(1):139 ～142．