从某项目桩基看土工试验和工程实际的联系

邵平 李兴熠

摘 要  本文从土工试验和工程实际以及力学原理间有机联系的角度，针对某项目桩基建设过程中各阶段所做的土工试验，具体分析其在桩基建设中的作用以及其在桩基基础力学理论中的位置，在大的工程建设背景和力学原理背景下深化对土工试验的理解，对我们改进土工试验方法、更好地利用土工试验成果有积极作用。

关键词  土工试验;工程实际;力学原理;联系

中图分类号：TU41 文献标识码：A

The Relationship Between Geotechnical Test and Practical Engineering Situation – finding from the Pile Foundation Construction of a Project

Shao Ping1， Li Xingyi2

（1.Team 402， Hunan Geology and Mineral Resources Exploration and Development Bueau， Changsha Hunan 410014; 2.Hunan Provincial Communications Planning Survey & DesignInstitute Co.， Changsha Hunan 410014）

Absrcat： From the perspective of the relationship between geotechnical test combined with practical construction situation and the principle of mechanics， this paper analyzes the geotechnical tests made in each stage of pile foundation construction of a project， and analyzes its role in pile foundation construction， as well as the position of this project standing in pile foundation mechanics theory. At the same time， this paper deepens the understanding of geotechnical tests in the context of engineering construction background and mechanics background. This has a positive effect on improving the geotechnical test methods and making better use of the results of geotechnical tests.

Keywords：  geotechnical tests; practical construction situation; mechanics; relationship

1  引言

岩土工程勘察是工程建设的重要前期工作，而土工试验则是岩土工程勘察的重要组成部分。当前在土工试验的实践和理论研究中，土工试验却成了一个几乎独立的部分：在项目部上土工试验部门可以不关心现场工作;在关于土工试验的研究中也都主要集中在如何改进试验仪器、方法、数据处理方式，以得到更精确的试样参数方面，而较少从土工试验和其它土木范畴的联系的角度来谈土工试验。为什么要做土工试验？土工试验是以什么样的方式参与进土木工程其它范畴中去的？这种脱节将导致土工试验从业人员空有丰富的试验经验，却不能从土工试验和土木工程其它范畴间联系的高度来反思试验本身;也将导致工程建设和理论研究人员出于施工的考虑和建构理论的考虑而对土工试验提出一些要求，却往往考虑不到试验的实际可操作性。本文就某项目的桩基建设过程，分析在各阶段土工试验如何参与工程建设、分析试验所得到的各参数在桩基础相关理论中所占的地置。

2  项目概况

该项目位于山东东营市某浅海区域，拟建场地地形地貌属为水下海滩，成因类型为冲积海积平原，地震动峰值加速度值为0.15g，相应地震基本烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期取0.40s。

海底地形由南向北倾斜，地形平坦开阔，拟建场址地形地貌类型为水下海滩，成因类型为冲积海积平原，海底地形由南向北倾斜，地形平坦开阔。地层由上至下分别为：淤泥质黏土Q4m、粘土Q4al-m、粉质粘土Q3al-m、粉砂Q3al-m。浅部土层的承载力无法满足拟建风机的承载力要求，须采用桩基础，桩型为钻孔灌注桩和混凝土预制桩及钢管桩等摩擦型桩，持力层为粉质粘土或粉砂。

3  土工试验如何参与到工程建设和理论分析中

该项目是海上工程，海底淺层土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，又不宜采取地基处理措施，故采取桩基础。围绕桩基础的建设，需解决一系列工程问题。现将首先要面对的问题归纳如下：

1.场地地层组成如何？各层岩土的物理力学性质如何？其中有没有不良性地质和特殊性土？

2.在地震情况下，饱和砂土的状态会发生什么样的变化？

3.选用什么型式的桩基础？桩基础埋深如何确定？

3.1 划分地层阶段

首先确定场地地质情况，即对场地一定深度范围内的土进行分类分层。本项目根据地层岩性、时代成因及其物理力学性质特征，将勘察深度范围内的土体划分为4个主要工程地质层。那么分层是根据哪些物理力学特征？根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011和《岩土工程勘察规范》GB50021-2001规定的地基土的分类体系，在考虑按堆积年代和地质成因的划分的基础上，按颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类。这正是工程中首次对土工试验提出要求的地方，即要求做土的颗粒分析试验和界限含水率试验。颗粒分析试验是土的常规试验之一，对土样进行颗粒分析试验，能够定量描述土粒中各个粒组的含量，为土的工程分类和了解土的工程性质提供依据[1]。界限含水率试验需采用液塑限联合测定法[2]，分别对不同深度处取出的土样做这些试验，取部分试验结果如表1所示。

3.2 计算桩的承载力阶段

初步了解场地内土体的物理力学性质后，在工程上我们要了解各种型式的桩在这样的土质条件下能有多大的承载力。先计算单桩的竖向承载力。单桩竖向承载力是指单桩到达破坏状态时所能承受的最大轴向静荷载，它取决于土对桩的支承力和桩身材料强度，并取用两者中的较小值。单桩承载力的估算是桩基工程的一个重要环节[3]。土对桩的支承力分为桩侧摩阻力和桩端阻力两部分，其计算方法根据不同桩型各有不同，但均要依靠土的物理性质。为静力法和动力法两大类。前者根据室内和原位土工试验的资料，后者则根据沉桩过程中或沉桩后的现场动力测试的资料，然后应用理论分析方法或者应用工程实践经验来估算单桩承载力。静力法可分为经验公式法、理论计算法、现场静载试验法等。动力法可分为打桩公式法、应力波动方程法等。《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中提供的单桩竖向承载力主要通过单桩静载试验确定，静力触探等原位试验为辅，重在突出现场试验所测数据的直接性和真实性。而本文重点则放在阐明土工试验所得参数在桩基础理论计算中所扮演的角色，故采取由H.G波洛斯（Poulos）等综合有关学者而推荐的计算公式，此种以土力学原理为基础的单桩承载力公式在国外广泛采用，用来和现场试验结果相互验证。并着重论述当采用此种理论计算时，需要做哪些特定的土工试验以及做这些特定的土工试验的必要性。

此理论中单桩承载力的一般表达式如下：

（1）

式中

up——桩身周边长度;

ca——桩-土之间的附着力，当桩设在无粘性土中时取 0;

ks——桩侧土的侧压力系数;

σv——桩侧土的竖向应力;

φa——桩-土之间的摩擦角，当桩设在正常固结粘性土中时取 0;

l——这一层土层的厚度;

γ——桩端平面以上土的重度;

b、h ——桩端宽度（直径）、桩的入土深度;

ξc、ξq——桩端为方形、圆形时的形状系数;

Nc*、Nq*——条形基础无量纲的承载力因数，仅与土的内摩擦角有关，当桩设在超固结粘性土中时Nc*取 0。

由上式可见，要想通过理论计算得到桩的竖向承载力值，必须先知道桩穿过各层土的厚度，以及借由土工试验获悉每种土类的c值和φ值，即土的抗剪强度指标。在土工试验中是通过做三轴试验得到土的抗剪强度指标的。在试验过程中三轴仪可测量围压、轴压、试样中孔隙压力、轴向压缩量以及排水状态下土样的排水量。试验依据施加围压时排不排水和施加轴压时排不排水可分为不固结不排水、固结不排水和固结排水三种，不同的试验方法，所测得的指标是有差别的，应根据工程的实际情况具体分析，以选择基本符合实际工程受荷情况的试验方法[4]。本工程中依据具体的情况，对饱和粘土试样做不固结不排水试验，对于施工中可能受到强烈扰动的土体的试样，做固结不排水试验以反映正常固结土和超固结土在地基快速加荷时的抗剪强度性状，对于离桩距离较远或其受荷方式主要是缓慢增加的静力荷载的土体的试样，做固结排水试验以模拟其缓慢受荷的真实情况。对由三轴试验得到分别从不同深度处取得的不同土体试样的抗剪强度指标后，便可代入单桩竖向承载力计算公式中得到竖向承载力特征值，见表2。

3.3 计算桩基沉降的阶段

本工程为海上风电场，数量较多的风机届时将整齐排列在浅海区域，按照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中推荐的不考虑桩间土的压缩变形对沉降的影响的桩沉降计算公式，采用单向压缩分层总和法按下式计算桩基础的最终沉降量：

（2）

式中：s——桩基最终计算沉降量;

m——桩端平面以下压缩层范围内土层总数;

m——桩端平面以下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力加附加应

力作用段的压缩模量;

nj——桩端平面下第 j 层土的计算分层数;

hj，i——桩端平面下第 j 层土的第 i 个分层厚度;

σj，i ——桩端平面下第 j 层土第 i 个分层的竖向附加应力;

Ψp——桩基沉降计算经验系数。

由上式可看出，要算桩基沉降量，必要的参数是关于土层分布的相关信息和每层土在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量。而每层土的自重应力和土的压缩模量仍需要根据土工试验来得到。

3.4 考虑地震作用对饱和砂土体液化的影响阶段

在地震作用时，由于强烈地面运动迫使饱和砂土颗粒间发生相对位移，土颗粒结构逐渐趋于密实，孔隙水压力急剧增加，使得土颗粒间有效应力迅速减小直至消失，局部或全部的砂土颗粒处于悬浮状态，从而导致地下水位以下的饱和砂土发生液化[5]。地震作用下土体的液化会导致土体丧失绝大部分承载力，对建筑将产生灾难性的后果。判定液化往往只针对砂、粉土，按《岩土工程勘察规范》规定，饱和的砂土或粉土（不含黄土）， 当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或可不考虑液化影响：

1、地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7、8 度时可判为不液化。

2、粉土的粘粒（粒径小于 0.005mm的颗粒）含量百分率，7 度 8 度和 9 度分别不小于 10、13和16时，可判为不液化土。

3、浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：

du  >d0 +db  -2

dw  >d0 +db -3

du+dw > 1.5d0 + 2db ? 4.5

式中：

dw—— 地下水位深度（m），宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用;

du—— 上覆盖非液化土层厚度（m），计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除;

db —— 基础埋置深度（m），不超过2m 时应采用2m;

d0—— 液化土特征深度（m），可按《岩土工程勘察规范》中表 4.3.3 采用。

从上述规范给出的土体液化判定方法可看出，在這一阶段仍需要土工试验的结果。但本项目场地地震烈度为Ⅶ度，饱和粉土地质年代为Q3，且上覆土层厚度为38.2-79.8米，因此，可不进一步进行液化差别。

4  小结

通过在桩基建设过程中所采用土工试验结果我们可以发现：

伴随建设全过程所做的各种土工试验，既为桩基的建设查清了地质情况，也为桩基础的设计及理论分析提供了各种需求。在桩基建设中的划分地层阶段、计算桩的承载力阶段、计算桩基沉降的阶段、考虑地震作用对土体影响的阶段，分别采用了各种土工试验的成果，土工试验得以以具体的不同的方式分别参与到工程建设中和理论分析中去。

目前工程中土工试验工作和其它范畴的工作划分比较明显，但从整个土木工程背景来看，土工试验和工程建设以及力学理论分析的联系十分密切，其联系均可以在一个大的整体背景下进行阐述。分析并阐明这种有机联系，可作为改进土工试验的下一个突破点。

参考文献/References

[1] 李治朋，张宇亭，马希磊，何斌.颗粒分析试验方法的论证[J].水道港口，2012，33（06）：540-543.

[2] 吕永高，栾法忠.土的液限和塑限含水量试验探讨[J]. 山西建筑， 2007， 33（13）：81-82.

[3 ]王勇，肖正华，余雄飞.国内外单桩承载力估算方法对比与探讨[J].新疆大学学报（自然科学版），2008（04）：488-491.

[4] 罗相杰，宋勇军主编;张海龙副主编.土工试验：北京理工大学出版社，2012.05.

[5] 地震引起的地基土液化分析.