双桥静力触探试验在静压桩沉桩阻力计算中的应用

双桥静力触探试验在静压桩沉桩阻力计算中的应用

黄海涛,周书中,张朝

江苏科泰岩土工程有限公司   江苏  南通  226100

摘要：通过对沉桩过程中桩土相互作用的分析，结合双桥静力触探试验，提出了一种计算沉桩阻力的估算公式。以南通地区某公建项目的桩基工程为例，估算了桩基沉桩过程中的压桩力，结果表明：估算结果与现场桩基施工实际情况相同，该成果可指导前期桩型可行性、桩基选型及施工机械配置等工作。

关键词：静压桩、双桥静力触探、沉桩阻力、桩端阻力

1引言

预制管桩的沉桩方式主要有两种：锤击法及静压法。锤击法是利用桩锤的冲击力克服土层对桩的阻力，使桩基锤至设计标高或达到持力层。锤击法沉桩施工机械质量小，易操作，主要使用于远离城市核心区或者场地上部土层较差的场地，由于其沉桩过程中易产生较大的噪音，容易造成对周边居住环境的影响；因此，在城市核心区域锤击法沉桩一般不予采用。静压法早在20世纪50年代引入我国，是通过液压机产生压力，使静压桩基以桩机自重及桩架上的配重反力将预制桩基压入设计标高的一种工艺。静压法沉桩施工噪音小，施工方式简单，沉桩质量好，因此在城市中心地区被广泛使用。

静压桩机根据其功率主要分为500~1200吨，城市高层住宅及商业建筑一般采取1000吨静压桩机可以满足设计要求。静压桩机输出的压桩力主要与机身配重及机器的老旧程度有关，一般而言，机身配重越大，输出功率就越大；机器越新，输出功率就越大。但在桩基施工过程中经常遇到沉桩不到位、无法沉至设计标高的情况或者遇到坚硬土层无法穿越的情况；这些不确定的情况都可能给桩基施工造成损失，有时甚至会导致机器损坏及人员伤亡；因此有必要在桩基施工前对沉桩过程中的压桩力有所了解。本文通过对桩侧及桩端阻力的发挥原理，结合双桥静力触探试验数据，提出了压桩力较为合理的估算方法，以南通地区长江下游三角洲冲积平原地貌单元土层为例，对沉桩阻力进行了估算，找到适合南通地区的经验公式，对本地区的桩基施工具有借鉴意义。

2压桩力的分析与估算

2.1沉桩过程中桩侧阻力特征

静压桩机施工过程中及前人的研究成果，随着桩体沉入深度的增加其动摩阻力呈现减小的趋势，即桩侧阻力存在消减效应。沉桩过程中，桩侧上部土体在桩基的影响下产生塑性变形，对桩周土体的侧摩阻力的发挥有一定的弱化作用，造成侧摩阻力降低；而在接近桩端处的土层由于桩端阻力的存在，对桩侧下部土层的塑性变形有一定的抑制作用，下部土层的侧摩阻力发挥比较明显。李雨浓等根据对静压桩试验资料的研究总结了静压桩桩侧阻力的分布模式，如图1所示。

    根据前人的研究成果，对桩身摩阻力的发挥机理已得到部分统一。假设桩基施工中，桩侧土体是各项均匀的，且摩擦力是沿桩身均匀分布的，桩侧摩阻力不可进行简单的叠加，宜分为三段处理；L1取为空穴区，部分于管桩上部；L2为滑移区，该段管桩的摩阻力与土层的塑性变形相关，与各层土的土性有关；L3为挤密区，侧摩阻力发挥明显。

2.2沉桩过程中桩端阻力特征

    双桥静力触探试验与静压桩沉桩有相似的机理，用静力触探试验可较好的模拟静压桩的受力作用。但静探探头尺寸较小，是一种拟静态的贯人试验，而桩基施工过程中需要考虑桩端处土层塑性区的开展范围，是一个动态的过程，因此不建议用来直接估算沉桩阻力；根据以往的研究成果，沉桩阻力的发挥一方面受土层埋藏深度的影响，另一方面还与土层的性质有关，当采用静力触探试验估算沉桩阻力时，需要进行综合修正。

2.3压桩力估算方法

通过上文对桩侧及桩端阻力发挥机理的探讨，结合前人的研究成果，本文建议对静压桩基压桩力Q采用下式估算：

    公式（1）

式中，qc为桩端平面处探头阻力平均值，kPa；Ap为桩端截面积，m2；u为桩身周长，m；L1为桩端上部空穴区范围，一般取6.0m；L2i及L3i为桩侧中部及下部各土层的厚度，m；f2i及f3i分别为桩侧中部及下部各土层的单位侧摩阻力，kPa；χ2i为桩侧中部土层的塑性调整系数，与土性相关；α及β分别为桩端与桩侧的综合修正系数，与土性相关。

3压桩力估算公式的参数取值分析

    根据公式（1），影响压桩力计算结果的主要参数有：探头阻力平均值、L2、L3及桩端与桩侧阻力修正系数。因此，可以借助EXCEL计算软件通过取不同参数的取值计算沉桩力，通过对比不同深度处的沉桩力与现场实测值相比较，获取适合本地区沉桩力的估算公式。

3.1影响桩端阻力的土层范围

对于预制桩而言，桩端持力层的选择对桩基承载力的发挥至关重要，《建筑桩基技术规范》中规定桩端应穿过可液化土层及软弱土层，并选择较硬土层作为桩端持力层，并进入持力层一定深度，且对桩端持力层下稳定土层厚度亦有所规定，可见桩端处土层的影响范围对桩端阻力的计算结果有较大影响。总结了我国国标及地方标准中对影响桩端极限承载力的土层范围如表1所示。

表1  影响桩端极限承载力的土层范围

    为了便于分析，本文参考了文献[2]及文献[3]的研究成果，对长江三角洲地区中密~密实的砂质土，压桩临界深度，采用桩端以上8d、桩端以下4d的计算效果较好，因此采用与桩基规范及江苏省规相同的影响范围。

3.2公式参数的取值

根据桩周土体侧摩阻力的分析，可分为三段进行考虑；L1段空穴区一般适用于地表下6.0m范围内的土层；L2段为滑移区，一般长度取值范围为L2=(0.50~0.85)*(L-L1)，L为桩的入土深度；L3为挤密区，一般长度取值范围为L3=(0.15~0.5)*(L-L1)；文本通过对现场情况的分析与试算，认为在南通地区取L1=6.0m；L2=0.75(L-L1)；L3=0.25(L-L1)比较符合本地实际情况。

χ2为桩侧中部土层的塑性调整系数，与土性相关，一般认为与重塑土的抗剪强度有关，根据斯米特曼（Schmertmann）及中国地质大学的研究成果，塑性调整系数可根据双桥静力触探摩阻比计算，即：

公式（2）

式中，Rf为滑移区各土层摩阻比；

α及β分别为桩端与桩侧的综合修正系数，取值不仅需要考虑实际的沉桩特点还需要考虑桩侧土性，通过对南通地区多个桩基施工现场压桩力的计算分析并结合文献[5]，初步给出了南通地区部分土层的桩端与桩侧综合修正系数的经验值，如表2所示：

表2  桩端与桩侧综合修正系数的经验值

根据桩端与桩侧综合修正系数的取值可知，桩侧修正系数远小于桩端修正系数，说明在沉桩过程中，桩端阻力起到主导作用，而桩侧阻力发挥较小；随着管桩入土深度的增加，桩周侧摩阻力的累计值逐渐增大。针对不同的土性，粉土及砂土从稍密~密实状态，黏性土从流塑~硬塑状态，桩端修正系数也逐渐增加。

4工程算例

以南通地区某高层办公桩基工程为例，本工程采用直径600mm预应力混凝土管桩，根据岩土工程勘察报告，桩侧及桩端地质资料见表3。

表3  桩侧及桩端地质资料

根据表3及典型的土层静探曲线可知，场地内层7（粉砂）及层10（粉砂夹细砂）是比较理想的预制桩桩端持力层，但层7及层10桩端阻力均较大，沉桩有一定的困难。本工程设计桩底标高为-28.3m，试桩桩顶标高3.7m，桩长32.0m；采用直径600mm，壁厚130mm高强混凝土管桩。

根据公式（1）及公式（2）的带入迭代计算，L1=6.0m，L2=19.5m，L3=6.5m，可以估算桩基施工时各标高位置沉桩力值，根估算曲线见图2。

根据图2可知，压桩力的估算结果与双桥静力触探试验结果相吻合；例如层6及层7承载力高且层厚较大，需要穿越该层时需要较高的压桩力，根据估算结果，层6的压桩力约为4500kN左右，层7的压桩力最高值为7100kN；层10为桩端持力层，桩端土层效应发挥明显，根据估算结果沉入层10一定深度需要的压桩力最高10942kN，基本上与现场桩基施工实际情况相同。通过静力触探试验估算压桩力，可在桩基施工前期估算沉桩的可行性，并选择合适壁厚的桩型，其次可在前期模拟桩基施工过程，在不同的标高选择相应的桩基功率，并指导前期施工机械的选型。

5结论与建议

    本文通过对沉桩过程中桩土相互作用的分析，提出了一种用双桥静力触探试验计算压桩力的估算公式。并结合南通地区某公建项目的桩基工程，估算了桩基沉桩过程中的压桩力；估算值与现场桩基施工实际情况相同，该成果可指导前期桩型可行性、桩基选型及施工机械配置等工作。

参考文献：

[1]建筑桩基技术规范(JGJ 94-2008)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]储王应,王能民.静力压桩沉桩阻力分析与估算[J].岩土工程技术,2000(1):25-28.

[3]张明义.静力压入桩的研究与应用[M].北京:中国建材工业出版社,2004.

[4]蔡国军,刘松玉.基于CPTU测试的桩基承载力可靠性分析[J].岩土工程学报,2011,33(3):404-412.

[5]李雨浓,李镜培,赵仲芳.基于静力触探试验的静压桩沉桩阻力估算[J].路基工程：2010(3):67-69.