预制桩单桩极限承载力的测定方法

摘要

本发明涉及预制桩单桩极限承载力的测定方法，属于预制桩单桩极限承载能力评价与理论计算方法技术领域。其解决了现有技术存在的多解性和不确定性，以及造成的试验过程复杂、耗时、成本高等问题。本发明包括如下步骤：试桩方案与参数的确定；地基承载力特征值的确定；试桩初始压力值的确定；试桩压力数据的采集与处理；单位长度桩侧摩阻力ρ

说明书

技术领域

本发明涉及预制桩单桩极限承载力的测定方法，属于预制桩单桩极限承载能力评价与理 论计算方法技术领域。

背景技术

预制桩是指在工厂或施工现场制成的各种材料、各种形式的桩(如混凝土预制桩、钢管 预制桩等)，由于其制作方便、成桩速度快、桩身质量易于控制、承载力高，并能根据需要制 成不同形状、不同尺寸的截面和长度，且不受地下水影响等特点，在我国建筑施工领域得到 了广泛采用。虽然预制桩在我国得到了大量的使用，但是传统预制桩极限承载力确定方法试 验过程相对复杂，试验结果精确度小，确定的极限承载力具有多解性和不确定性，而且常常 会浪费大量的试验时间与试验成本。

目前常用的传统极限承载力确定方法主要是通过特定的现场压桩试验综合确定。常用的 方法为静载试验法，该方法具体为在桩顶部逐级施加竖向压力，观测桩顶部随时间产生的沉 降，以确定相应的单桩竖向抗压承载力的试验方法。该方法通常通过绘制p-s曲线、s-lgt 曲线，以及其他辅助分析所需曲线，根据沉降随荷载的变化特征确定极限承载力：对于陡降 型p-s曲线，取p-s曲线发生明显陡降的起始点对应荷载值为极限承载力；对于缓变型p-s 曲线一般可取s＝40-60mm对应的荷载值为极限承载力，对于大直径桩可取s＝0.03-0.06D(D为 桩端直径，大桩径取低值，小桩径取高值)所对应的荷载值为极限承载力；对于细长桩(l/d ＞80)可取s＝60-80mm对应的荷载值为极限承载力；对于s-lgt曲线，取s-lgt曲线尾部出 现明显向下弯曲的前一级荷载值为极限承载力。

虽然上述方法在预制桩单桩极限承载力的确定上具有一定的精度，但是传统极限承载力 确定方法试验过程复杂、耗时、成本高，特别对压桩p-s曲线为缓变状态的，很难准确测定 其p-s曲线的转折点，因此所确定的极限承载力有多解性和不确定性等问题；尤其对复杂软 土等地基，不同桩位地层的地质力学条件相差较大，其不同位置桩的承载力也相差较大，所 以需要做较大量的试桩试验，因此不仅给压桩试验带来更大的困难与不确定性，而且也造成 了成本与测试时间的较大浪费。

针对上述传统方法确定预制桩单桩极限承载力的不足，本发明旨在寻求一种在试桩施工 工程中，运用试桩施工数据直接对不同桩位的预制桩的极限承载力进行测定的方法，从而直 接减少压桩试验过程与工作量，也就可直接降低压桩试验的成本及施工工期，提高桩基施工 效率等。

发明内容

针对上述传统极限承载力确定方法存在的多解性和不确定性，以及造成的试验过程复杂、 耗时、成本高等问题，本发明旨在根据侧摩阻力与桩端阻力的特点，通过确定试桩方案、压 力方案，在试桩施工阶段进行压力与位移数据的搜集与处理，运用侧摩阻力的增大与位移比 值关系确定桩侧摩阻力ρ_s(单位长度)、运用桩端压力增载位移响应比参数及土体破坏特点来 测定预制桩单桩桩端极限承载力P_d(CR)，进而确定预制桩单桩极限承载力。以达到在保证单桩 极限承载力测定准确的前提下更节省工程成本与施工工期的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：包括如下步骤：

步骤一：试桩方案与参数的确定

根据工程地质勘察资料和地基下伏基岩岩性、地质构造、地形地貌、裂隙以及上部覆盖 土层性质、厚度的变化情况，将其桩基基础区域划分为不同工程地质单元；对于每一个工程 地质单元，依据建筑基桩检测技术(JGJ106-2014)规范3.3.1条的规定，确定试桩的数量和 位置：试桩数量在同一工程地质单元至少为3根，且不宜少于总桩数的1％；当工程桩总数在 50根以内时，至少为2根。

步骤二：地基承载力特征值的确定

根据工程地质勘查资料与桩基各土层的物理力学性质指标(孔隙比e、标贯锤击数N、含 水率w、液限指数I_L、密实度D_r等参数)及本发明原理1中表1至表3，确定地基各土层及 端桩持力层承载力特征值f_a。

步骤三：试桩初始压力值的确定

依据桩基各地层基本承载力特征值f_a及建筑地基基础设计规范(GB50007-2011附录Q单 桩竖向静载试验Q.0.5)有关规定，确定试桩方案的各地层初始压桩压力值为 p₀＝(1/8～1/10)f_a。

步骤四：试桩压力数据的采集与处理

(1)桩侧摩阻力压桩阶段

根据步骤三确定的各地层初始压桩压力值p₀进行试压，以一定的单位时间间隔(Δt)与 加压压力增量ΔP_i将压力施加在桩上，并测定桩在所对应的压力值p_i＝p_i-1+Δp_i与此时间间隔 的下沉位移量S，并将每级压力值p_i＝p_i-1+Δp_i与对应的下沉位移量S记录在EXCEL表格内。

(2)端桩阻力压桩阶段

当桩端进入持力层后，根据步骤二确定持力层的地基承载力特征值f_a′，以(1)中确定 的未进入持力层时的最终压力值作为桩端进入持力层的初始压桩压力值p′_o；根据步骤三所提 供的方法，取ΔP_di＝(1/8～1/10)f_a′作为桩端每一压力阶段压力方案增加量ΔP_di；以p′_o+ΔP_di、 p′_o+2ΔP_di…p′_o+nΔP_di分阶段加压方案增加压桩压力值，并将每一压力施压阶段压桩压力增 量ΔP_di与所对应的桩端沉降位移量ΔS_i记录在EXCEL表格内。

步骤五：单位长度桩侧摩阻力ρ_s的确定

由于侧摩阻力的作用，随桩的压入与入土深度的增大，其单位位移所需的压力值将逐渐 增大，而摩阻力的产生是由于桩身与桩周土接触产生的，所以在土质与桩身表面状态相同的 情况下，其侧阻力的增大与其桩的沉降量应成线性关系，其比值应是一常量，而且每次桩身 沉降增加的侧阻力均是由于桩前端部位进入新的土质区域产生的，所以可采用式(1)求得每 一土层j(j＝1,2,…m)内单位长度桩侧摩阻力ρ_s。

${\rho }_{Sj}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{P_i-P_{i-1}}{S}---\left(1\right)$

式中：

ρ_Sj－第j土层单位长度桩侧摩阻力；

S－每次加压试验的控制沉降量；

p_i－某土层第i次试验所测的压力值；

n－某土层加压试验次数。

步骤六：桩端极限承载力P_d(CR)的测试与确定

(1)桩端压力增载位移响应比参数η_i的确定

当桩沉降达到持力层，桩端将产生桩端阻力，由于此时桩在很小的沉降量就能形成较大 的阻力，所以桩端承载力将作为这一阶段单桩承载力增加的主要来源。然而桩端的承载力与 侧摩阻力形成效果不同，是一个随土体变形而变化的变量，其取决于桩端在压入过程中端尖 的变形与破坏机理，为此定义桩端压力增载位移响应比参数ηi为单位桩端压力增载量条件下 的桩端位移增加量，其值可由式(2)确定：

η_i＝ΔS_i/ΔP_di(2)

式中：

η_i－桩端压力增载位移响应比参数；

ΔP_di－单位时间桩端压力增载量；

ΔS_i－单位时间对应的桩端沉降位移量。

(2)桩端极限承载力P_d(CR)的确定

1)通过绘制桩端压力增载位移响应比参数η_i与压桩压力增量ΔP_di关系曲线，可知在桩端 土压缩变形阶段，η_i为一线性不变常数c；当出现塑性变形时，η_i≥c；当土体完全塑性与破 坏时，η_i将出现突变，即趋于无穷大。所以将其桩端压力增载位移响应比参数η_i发生突变的 点对应的P_d(CR)作为桩端极限承载力。

2)突变点位置的确定采用作图法，在其曲线突变较明显的位置作η_i-ΔP_di关系曲线的切 线，则其某点前后切线斜率变化最大时的相应o点即为η_i-ΔP_di关系曲线的突变点，其o点对 应的压桩压力P_d(CR)即为桩端极限承载力。

步骤七：预制桩单桩极限承载力的确定

预制桩单桩极限承载能力由最大侧摩阻力与桩端极限承载力共同组成，其值可由式(3) 确定。

$P_{cr}=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_{sj}{S}_j+P_{d\left(CR\right)}---\left(3\right)$

式中：

P_cr－预制桩单桩极限承载能力；

ρ_Sj－第j土层单位长度桩侧摩阻力；

S_j－预制桩穿越第j土层的深度；

P_d(CR)－预制桩单桩桩端极限承载力。

基本原理与依据如下：

一、根据工程地质手册(第三版)P₄₂₇给出的按查表法确定地基承载力，地基承载力基本 值(f_a)可根据物理、力学指标平均值或野外鉴别结果按表1～表3确定。

表1岩石f_a(kPa)

注：对于微风化的硬质岩石，其承载力如取用大于4000kPa时，应用工程实践经验。

表2碎石土f_a(kPa)

注：1.表中数值适用于骨架颗粒孔隙全部由中砂、粗砂或硬塑、坚硬状态的粘性土或饱 和度不大于0.5的粉土所填充。

2.当粗颗粒为中等风化或强风化时，可按其风化程度适当降低承载力，当颗粒间呈半胶 结状时，可适当提高承载力。

表3砂土f_a(kPa)

注：N为经杆长俢正后的标准贯入试验锤击数。

二、预制桩的极限承载能力一般由侧摩阻力与桩端承载力共同组成，由于侧摩阻力的作 用，随桩的压入与入土深度的增大，其单位位移所需的压力值将逐渐增大，而摩阻力的产生 是由于桩身与桩周土接触产生的，所以在土质与桩身表面状态相同、桩径一定的情况下，侧 摩阻力的大小仅与接触深度有关，其侧阻力的增大与其桩的沉降量成线性关系，其比值应是 一常量，而且每次桩身沉降增加的侧阻力均是由于桩前端部位进入新的土质区域产生的，所 以可采用式(1)求得每一土层内单位长度桩侧摩阻力ρ_s。

${\rho }_{Sj}=\frac{1}{n-1}\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{P_i-P_{i-1}}{S}---\left(1\right)$

式中：

ρ_Sj－第j土层单位长度桩侧摩阻力；

S－每次加压试验的控制沉降量；

p_i－某土层第i次试验所测的压力值；

n－某土层加压试验次数。

采用加荷试验时，随着桩顶荷载的逐级增加，桩截面的轴力、位移和桩侧摩阻力不断变 化。起初压力值较小，桩身截面位移主要发生在桩身上段，压力主要由桩侧摩阻力承担。但 压力增大到一定数值时桩端产生位移，桩端阻力开始发挥，直到桩底持力层破坏、无力支承 更大的桩顶荷载，即桩处于承载力极限状态。

当桩沉降达到持力层，则桩端产生承载力，由于此时桩在很小的沉降量就能形成较大的 承载力，所以桩端承载力将作为这一阶段单桩承载力增加的主要来源。然而桩端的承载力与 侧摩阻力的不同导致形成的效果不同，是一个随土体变形而变化的变量，其取决于桩端在压 入过程中端尖的变形与破坏机理不同。当桩端土处于弹性压缩变形阶段，位移变化量与压力 变化量为等比例增大阶段，所以桩下降位移量与压力增加值比值为一线性不变常数；当出现 塑性变形时，随着塑性变形的加剧，单位压力的条件下位移的变化量将逐渐增大，其比值也 应为逐渐大于某一常数的连续平稳变化值；当土体完全塑性破坏时，在荷载基本不变的情况 下，位移值将发生突变，所以其比值将出现重大突变。因此，可将其比值定义为桩端压力增 载位移响应比参数η_(i)。

η_i＝ΔS_i/ΔP_di(2)

式中：

η_i－桩端压力增载位移响应比参数；

ΔP_di－单位时间桩端压力增载量；

ΔS_i－单位时间对应的桩端沉降位移量。

通过绘制桩端压力增载位移响应比参数η_i与压桩压力增量ΔP_di关系曲线，我们就可以确 定其桩端压力增载位移响应比参数η_i发生突变的点对应的P_d(CR)即为桩端极限承载力；

由以上可知，预制桩单桩极限承载力由最大侧摩阻力与桩端极限承载力共同组成，根据 上述侧摩阻力与桩端极限阻力求解方法，可由式(3)确定预制桩单桩极限承载力：

$P_{cr}=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_{sj}{S}_j+P_{d\left(CR\right)}---\left(3\right)$

式中：

P_cr－预制桩单桩极限承载能力；

ρ_Sj－第j土层单位长度桩侧摩阻力；

S_j－预制桩穿越第j土层的深度；

P_d(CR)－预制桩单桩桩端极限承载力。

本发明的有益效果是：本发明通过确定试桩方案、压力方案，在试桩施工阶段进行压力 与位移数据的搜集与处理，运用侧摩阻力的增大与位移比值关系确定桩侧摩阻力ρ_s(单位长 度)、运用桩端压力增载位移响应比参数及土体破坏特点来测定预制桩单桩桩端极限承载力 P_d(CR)，进而确定预制桩单桩极限承载力。以达到在保证单桩极限承载力测定准确的前提下更 节省工程成本与施工工期的目的。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是试桩方案桩位平面示意图。

图3是预制桩承载力位置分布图。

图4是绘制桩端压力增载位移响应比参数η_(i)随压桩压力ΔP_di关系曲线。

具体实施方式

为更好的说明本发明，本发明结合山东某桩基工程加以详细论述其可能性，以证明其实 际意义与价值。

如图1所示，本发明包括如下步骤：

步骤一：试桩方案与参数的确定

根据工程地质勘察资料，以及本工程桩基区域面积较小，特将本工程基础区域划分为一 个地质单元。

依据建筑基桩检测技术规范(JGJ106-2014)3.3.1条规定、3.3.2条规定以及场地工程地 质条件与工程结构特点，本桩基工程拟选择S94#、S99#、S109#三根试桩进行试桩试验，S94#、 S99#、S109#桩桩径均为600mm，桩深40m，见图2。本实例针对S94#试桩进行详细说明。

步骤二：地基承载力特征值的确定

根据工程地质勘察资料，可确定工程场地各土层性质，通过室内试验可测得各个土层的 物理性质，其中包括孔隙比e、标贯锤击数N、含水率w、液限指数I_L、密实度D_r等参数， 根据工程地质手册(第三版)表4-4-5至表4-4-9所提供数据，可预估地基承载力特征值f_a。

f_a＝6904KPa

步骤三：试桩初始压力值的确定

依据该地层基本承载力特征值f_a及建筑地基基础设计规范GB50007-2011附录Q单桩竖 向静载试验Q.0.5“单桩竖向静载荷试验，每级加载量宜为预估极限荷载的(1/8-1/10)”的规 定，确定试桩压力增加方案的初始抗压桩压力值：

p₀＝1/10f_a＝1/10×6904KPa×0.8m×0.8m＝248.54KN

步骤四：试桩压力数据的采集与处理

(1)桩侧摩阻力压桩阶段

根据步骤二确定的本设计试桩压力增加方案初始抗压桩压力值p₀，可测定单位时间间隔 Δt＝1h内的单桩沉降量S＝2.8m。以同样时间间隔(Δt)将该桩压至其变形为S，相应测试 此时对应S的压力值p_i＝p_i-1+Δp_i，本实例取其某一层土为研究对象，具体数据见表4。

表4某层土试桩压力数据

压力时间 1h 2h 3h 4h 5h p_i248.54 398.56 546.33 699.17 848.06

注：每单位时间的沉降量s均相等。

(2)端桩阻力压桩阶段

当桩沉降达到持力层，桩端将产生桩端阻力，其桩端沉降位移量数据如表5所示。

表5桩端沉降位移量

ΔP_di200 400 600 800 1000 1200 ΔS_i398 402 553 610 721 1502 η 1.99 2.01 2.76 3.05 3.61 7.51

注：取ΔP_di＝200kN。

步骤五：单位长度桩侧摩阻力ρ_s的确定

由于其侧阻力的增大与其桩的沉降量应成线性关系，其比值为一常量，而且每次桩身沉 降增加的侧阻力均是由于桩前端部位进入新的土质区域产生的，所以可采用式(1)求得每一 土层内单位长度桩侧摩阻力ρ_s。

$\begin{array}{c}{\rho }_{Sj}=\frac{1}{n-1}\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{P_i-P_{i-1}}{S}\\ =\frac{1}{5-1}(\frac{398.56-248.54}{2.8}+\frac{546.33-398.56}{2.8}+\frac{699.17-546.33}{2.8}+\frac{848.06-699.17}{2.8})=53.53KN\end{array}---\left(1\right)$

由此可确定各个土层的侧阻力值(单位长度)，具体数据见表6。

表6各个土层的侧阻力值(单位长度)

参数土层 1 2 3 4 5 H 3.52 6.61 14.00 8.46 7.41 ρ_sj32.21 41.36 53.53 47.55 44.77

步骤六：桩端极限承载力P_d(CR)的测试与确定

根据表5数据可由式(2)计算求得则该试桩桩端压力增载位移响应比参数η_i，计算结果 见表5。

η_i＝ΔS_i/ΔP_di(2)

图4中，由桩端压力增载位移响应比参数η_i变化规律可知，当土体完全塑性与破坏时，η_i将出现突变，即趋于无穷大。所以其桩端压力增载位移响应比参数η_i发生突变的点对应的 P_d(CR)即为桩端极限阻力。由响应比参数η_(i)随压桩压力ΔP_di关系曲线，我们可知突变点位于 在其曲线突变较明显的位置即ΔP_di＝1000kN所对应的点前后作η_i-ΔP_di关系曲线的切线。通过 采用作图法，在其950～1050kN范围内以1/10区间范围(即10kN所对应的区间段，其精度可 达到0.1)作为划分区段，对每一个区间的边界点做切线，其切线斜率变化数值如下表7：

表7切线斜率变化数值

区间 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Δα 2.5 3.3 4.2 45.3 12.5 3.2 2.7 2.5 2.3 1.4

可得在则P_d(CR)＝980KN～990KN之间对应的切线斜率变化最大，所以该区间段中心所对 应的压力值作为桩端极限阻力：

P_d(CR)＝985KN。

步骤七：预制桩单桩极限承载力的确定

预制桩单桩极限承载能力由最大侧摩阻力与桩端极限承载力共同组成，见图3，由步骤 四、五所确定的侧阻力与端桩阻力，可由式(3)确定地基预制桩极限承载力。

$\begin{array}{c}{P}_{cr}=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_{sj}{S}_j+P_{d\left(CR\right)}\\ =3.52\times 32.21+6.61\times 41.36+14.00\times 53.53\\ +8.46\times 47.55+7.41\times 44.77+985\\ =2855.21KN\end{array}---\left(3\right)$

本发明所阐述的方法，相比传统设计方法，采用在试桩施工工程中就直接对不同桩位的 预制桩的极限承载力进行一定的测定，不仅直接减少压桩试验过程与工作量，也可直接降低 压桩试验的成本及施工工期，提高桩基施工效率等，同时解决了压桩p-s曲线为缓变状态时 很难准确确定测定其p-s曲线的转折点的问题。因此该方法设计原理可靠，具有结果确定精 度高、易于实施的特点，且节约成本，工程应用性强，应用范围广。当然，上述内容仅为本 发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述 举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应 归属于本发明的发明涵盖范围内。