桩周土力学参数测试分析方法研究.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?基金项目：国家自然科学基金资助项目（；）作者简介：卿轩（），男，工程师，硕士，主要从事工程检测和工程管理工作。文章编号：?（）?桩周土力学参数测试分析方法研究卿轩，（湖南省衡永高速公路建设开发有限公司，湖南 衡阳 ；中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 ）摘要：在地质构造复杂地段，现有勘察方法无法精确获得岩土力学参数，为了验证和优化设计，需采用现场测试的方法获得岩土侧摩阻力及端阻力。利用桥梁承台作为反力装置进行桩身周围岩土力学参数测试，采用数值建模计算，验算原设计承台受力状态，并根据计算结果，对承台设计进行优化，确保了承台受力在满足试验荷载要求的同时，其变形及强度能满足规范要求。为确保岩土力学参数测试得以顺利开展，首次利用设计承台作为反力装置，大大节约了试验成本；并基于 开发了侧摩阻力计算软件，提高了岩土力学参数测试精度和效率；该试验成果进一步优化了工程设计，节省了工程造价。关键词：锚桩法；静载试验；桩身轴力；桩侧摩阻力中图分类号：文献标志码：引言桩基础可将上部荷载传到深层稳定的土层中，从而大大减小基础的沉降和建筑物的不均匀沉降，因此在众多高层建筑、港口码头、特大桥等重要工程中，广泛采用桩基础 。极限承载力是设计桩基时主要考虑的控制性指标。实际工程中各因素对桩基极限承载特性的影响规律是复杂多变的，通过现场竖向载荷试验获得单桩极限承载特性有效且可靠 。现场试验确定单桩极限承载能力的方法分为单桩静载试验、自平衡法等，其中单桩静载试验按照试验反力的不同，又可分为锚桩反力法和堆载荷重法 。众多学者分别采用自平衡法和锚桩法对桩基承载力进行测试研究，自平衡法因加载方式与桩身实际受力状态的不同及桩土相互作用机理上的差异，与传统静载试验存在一定的区别，具体表现为在荷载水平较低时桩身轴力分布形态和桩侧摩阻力 位移曲线形态不一致 。在对桩基进行破坏性试验时，锚桩法测试结果更为直接，且操作相较堆载法更为安全。本文首次利用设计承台作为反力装置，采用数值建模计算，确保承台受力既满足试验荷载要求，又满足规范要求，大大节约了试验成本，提高了岩土力学参数测试精度和效率。工程概况本次试验桩为湖南某高速分离式立交桥试验桩基，主要测定桩基的极限承载力以及桩侧岩土力学参数。试桩资料见表 。依据勘察资料，试桩所处区域的主要地层分布参见表 。表 试桩资料一览试桩位置参考探孔桩径 桩底标高 有效桩长 单桩竖向抗压极限承载力 混凝土强度等级最大试验荷载 荷载分级备注墩 （根据规范取极限承载力 倍）最大加载值 试桩，破坏性试验期卿轩：桩周土力学参数测试分析方法研究表 地层分布地层时代土层名称承载力基本容许值 钻孔桩桩侧土摩擦力标准值 备注淤泥 流塑粉质黏土 硬壳层粉质黏土夹薄层粉砂 软塑取低值，可塑取高值砂纹淤泥质土 软塑粉砂 稍密黏土 可硬塑粉质黏土夹薄层粉砂 可塑细砂 密实砾砂 密实圆砾 密实粉砂 细砂 密实中砂 粗砂 密实圆砾 密实黏土 坚硬取高值，硬塑取低值卵石 密实强风化 粉砂质泥岩中风化 泥质胶结 钙泥质胶结砂岩强风化 中风化 泥质粉砂岩强风化 中风化 反力承台的受力验算与加固利用工程桩为锚桩，采用 墩桩基承台作为反力装置，为防止反力结构发生破坏，需要对反力结构的受力进行验算，试验反力装置如图 所示。本次验算主要通过 、软件对原承台 设计参数：横梁（计算跨径 ），混凝土强度 ，承台原纵向钢筋 的 的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力、集中图 试验反力装置示意力作用位置抗冲切、局部承压进行验算，并对裂缝宽度、桩身抗拉强度及桩身钢筋（原箍筋 的 ，桩身纵筋 的 ）抗拔进行了验算。验算时采用的外载荷为跨中向上集中荷载 ；对应结构内力为跨中计算弯矩：，最大剪力：。正截面抗弯验算结果如图 所示。承载力不满足需求，需进行加固。图 验算成果加大截面尺寸前，局部等效应力和主应力均大于 ，且区域较大。加大横截面尺寸至 后，局 部 等 效 应 力 仍 大 于 ，但区域较小；主拉应力最大约 ，全在桩身位置，区域较小；故桩身位置仍有开裂可能，因此在承台受压相应位置配 双向拉结钢筋网片。增加桩身钢筋直径至 后，钢筋最大应变为 （混凝土开裂应变量），故桩身仍会开裂。为此采用 根 螺纹钢，通长配置预应力张拉桩身。张拉力为 时，桩身拉应力 （混凝土抗拉强度设计值）。承台设计进行如下变更（见图 ）：增大承台尺 寸 为 全 截 面 湖南交通科技 卷 ，上部纵向钢筋数量增加到 排 钢 筋；桩 基 主 筋 直 径 增 加 到 钢筋；采用预应力张拉桩身，采用 根 的螺纹钢，张拉力 。加固前后承台结构承载力对比见表 。图 承台变更设计表 承台结构承载力验算结果一览类型正截面抗弯 ()斜截面抗剪 集中力作用位置抗冲切 桩身抗力强度 试验要求值 现有结构承载能力 加固后承载能力 钢筋计埋设每个断面安装 个钢筋计（第 层桩底安装 个土压力盒），埋设在不同性质土层的界面处，以测试桩在不同土层中的分层摩阻力及桩端端阻力。参考 钻孔柱状图，从桩顶起算，各桩埋设钢筋应力计的位置如表 所示。表 地层分布部位高程 部位高程 断面 断面 断面 断面 断面 断面 断面 断面 注：共 埋 设 个 断 面，桩 顶 标 高 为 ，桩 底 。侧摩阻力计算软件开发为提高计算精度，实现计算自动化，采用 开发了侧摩阻力计算软件，软件包括文件、参数设置、现场测试数据导入、计算、成图、帮助等 个模块。参数设置包括：桩的设计参数、土层参数等；数据加载包括：应力监测数据、桩顶位移数据及加压等级数据等；现场测试数据及成图模块见图 。（）现场测试数据模块（）成图模块图 现场测试数据及成图模块 测试结果试桩静载荷试验分级荷载下沉降量实测数据见表 ，其中，试桩编号为 ，桩径 ，桩长 ，开始检测日期为 年 月 日。试桩荷载 位移曲线与试桩位移 时间曲线如图 所示，由图可知，试基桩静载试验 曲线属陡变型。本次试桩静载试验，实际加压最大荷载为 ，在最大试验荷载作用下，桩的总沉降量为 ；且本级沉降量为 ，大于前一级荷载沉降量 的 倍。根据 公路桥涵施工技术规范（）附录 第 条第 款的规定，试桩竖向极限承载力取前期卿轩：桩周土力学参数测试分析方法研究表 试桩静载试验分级荷载下实测沉降量一览级数荷载 本级位移 累计位移 本级历时 累计历时 一级荷载 ，满足设计要求。桩身轴力根据预埋的钢筋计应力数据，由钢筋的弹性模量 可计算钢筋的应变及轴力。另外由钢筋计轴力计算所得断面轴力与实际轴力进行多项式曲线拟合，可以得到实际每层断面轴力大小 。（）式中：为第 截面轴力，；为混凝土的应图 试桩荷载 位移曲线与试桩位移 时间曲线变；为钢筋的应力；、为钢筋和混凝土的弹性模量，；、为截面钢筋与混凝土截面积，。按式（）对内力实测数据整理，得到桩身轴力沿深度的分布如表 、图 所示。桩侧摩阻力各分层土体的平均桩侧摩阻力 可按式（）计算，计算过程中假定每一分层土侧摩阻力相同。表 桩身轴力随深度分布荷载 地面断面 ，断面 断面 ，断面 断面 ，断面 断面 轴力 轴力差 摩阻力 轴力 轴力差 摩阻力 轴力 轴力差 摩阻力 轴力 轴力差 摩阻力 湖南交通科技 卷图 桩身轴力随深度的分布 （）式中：为第 断面轴力，；为第 分层桩侧长度，。由式（）按桩径计算得到试桩平均桩侧摩阻力的分布（见图 ）。不考虑扩径各级荷载下不同深度桩侧平均摩阻力分布见表 。图 不考虑扩径各级荷载下不同深度桩侧平均摩阻力分布表 不同深度桩侧平均摩阻力及端阻力分布部位测试极限摩阻力 测试极限端阻力 该深度下对应的土层（依据钻孔 ）该深度下对应的土层（依据钻孔 ）该深度下对应的土层（依据施工记录）土层 黏土 淤泥 粉质黏土 淤泥质粉质黏土黏土土层 淤泥 黏土 淤泥质粉质黏土 黏土 黏土 粉砂土层 黏土 粉砂 黏土 砂纹淤泥质土 细砂粉砂土层 粉砂 细砂 粉细砂粉砂土层 粉砂 黏土 砂纹淤泥质土 砾砂 细砾 粉砂 卵石土层 黏土 圆砾细砾卵石土层 圆砾细砾卵石土层 圆砾细砾卵石 曲线拟合在试验中要观测 个有函数关系的物理量，根据 个量的许多组观测数据来确定它们的函数曲线，这 就 是 试 验 数 据 处 理 中 的 曲 线 拟 合 问题 ，。设测量中不存在系统误差，或者已经修正，则 的观测值 围绕着期望值（；，）摆动，其分布为正态分布，则 的概率密度为：（）槡 （；，）（）式中：是分布的标准误差。取似然函数最大来估计参数 ，应使：（，）取最小值。对于 的分布来说，称之为最小二乘法准则。由此得到方程组：期卿轩：桩周土力学参数测试分析方法研究 （；）（；）(，)（）从而得到拟合的曲线方程。根据最小二衬曲线拟合原理，并结合本文最终得到的拟合曲线结果，变量 （；）的期望值基本接近与 ，认为本次拟合结果基本是可接受、较为准确的。图 为桩身轴力随深度分布曲线拟合图，拟合度在 以上，满足拟合要求。图 桩身轴力随深度分布曲线拟合 结论）采用工程桩及承台作为反力装置时，应在施工前，对结构受力进行力学验算，根据验算结果对工程桩及承台进行优化设计，防止试验时对工程桩及承台产生永久性破坏。）基于 开发了桩基侧摩阻力计算软件，采用优化的最小二乘法进行曲线拟合，可大大提高计算精度及数据处理效率。）对于桩基础的极限承载力测试试验，采用经过验算的承台及工程桩法能够提供较好的反力保证，确保试验安全；通过并行数据采集系统，能得到准确的桩身轴力及桩侧摩阻力值，可为桩基础的设计计算提供更为准确的岩土参数，达到优化设计、节省工程造价的目的。参考文献：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：陈张峰黄土地区摩擦型桩静载试验中锚桩对试桩承载力的影响 西安：西安建筑科技大学，赵宝俊，王一晨，朱传超 自锚式悬索桥桥塔群桩基础的抗推性能研究 公路工程，（）：许超大直径旋挖钻孔灌注桩载荷试验及承载性能方针分析 长安：长安大学，陈小钰，张明义，白晓宇，等 深厚回填土中嵌岩灌注桩承载性状现场试验研究 中南大学学报（自然科学版），（）：闫楠，白晓宇，水伟厚，等 大直径超长冲孔灌注桩竖向抗压承载特性原位测试研究 中南大学学报（自然科学版），（）：周洪波，黄胜生锚桩法单桩静载试验中群桩相互作用及误差分析 岩土力学：，（），穆保岗，肖强，龚维明自平衡法和锚桩法在高铁工程中的对比试验分析 解放军理工大学学报（自然科学版），（）：张先林自平衡试桩法与传统锚桩试桩法工程实例对比 岩土工程技术，（）：刘捷，顾章川，俞先江锚桩法静载桩基检测在港口工程试桩中的应用 铁道建筑，：闻建军，刘喜平锚桩静载试验法考虑锚桩影响的讨论 陕西工学院学报，（）：赵晓东单桩试桩应力应变的数值模拟分析 太原：太原理工大学，张多利，金龙学 桩基静载荷测试仪计量时需注意的几个要点 计量与测试技术，（）：康景文，毛坚强，许建，等 填土场地桩基负侧摩阻力设计计算方法试验研究 岩土力学，（）：代先尧，李长冬，王凯 软土地基桩侧负摩阻力研究综述 安全与环境工程，（）：柴源灌注桩成孔工艺对桩侧摩阻力影响的试验研究 兰州：兰州大学，王卫东，吴江斌，王向军，等 上海地区桩基侧摩阻力与端阻力取值的研究 岩土工程学报，（）：