利用静力触探数据估算钻孔灌注桩承载力的探索

刘 丹 周玉凤

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101）

0 引言

静载试验作为目前最直接、最可靠的基桩承载力确定方法，因其造价高、工期长、实施难度大，多用于基桩工后检测，在确定桩基设计参数时仅少数重要工程会采用工前试桩和静载试验，并将试桩资料作为验证设计桩长可行性的支撑文件[1-3]。目前对于桩基桩侧土层的侧阻力、桩端土层的端阻力、深部土层的承载力的确定一般依据室内土工试验或通过标贯、动探试验数据，通过查取《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）等规范并综合地区经验获取，均是间接取值方法。根据现行《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）、《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ 11-501-2009，2016 年版）等，利用静力触探数据计算单桩竖向极限承载力标准值均针对预制桩，尚缺少针对钻孔灌注桩的公式[4-8]。目前仅上海、天津两个软土地区在利用静力触探试验数据计算钻孔灌注桩承载力的公式方面有一定的研究，其他地区此项研究相对较少[9-11]。

北京地区在20 世纪80 年代以前对三环以内、深度30 m 以上的地层进行了较多现场原位测试试验，包括静力触探、旁压试验等，对该范围内地层的物理力学参数包括桩基参数积累了丰富的研究成果和经验，但对三环以外区域，尤其是对深部地层的研究较少。通常认为深部地层尤其是深部砂卵石层的桩基参数偏于保守，但因缺乏研究，该问题一直未得到有效解决。北京地区现有压桩试验成果表明，按地勘报告提供的地层参数设计的桩基，实际沉降变形绝大部分都较小，说明与桩基设计有关的地层参数有较大的优化空间。但受制于费用、可实施性和工期等影响因素，勘察阶段一般不进行压桩试验。为此，需研究可在勘察阶段实施、费用经济、工期等方面均有较大优势的勘察手段来替代压桩试验，达到在勘察阶段就能优化桩基设计参数、准确确定桩基承载力的目的。深层静力触探仪的研制成功解决了常规静力触探不易穿透较厚砂层的难题，使得将静力触探应用于深长钻孔灌注桩单桩承载力估算成为可能[12]。

本文根据现行规范中混凝土预制桩和泥浆护壁钻（冲）孔桩的土层阻力经验值间的相对关系，开展两者极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值的对比分析，提出了适用于北京地区的利用静探数据计算钻孔灌注桩承载力的公式。工程实例表明，在深部砂层利用静力触探数据估算钻孔灌注桩承载力较经验参数查表法有很大的优势。

1 钻孔灌注桩承载力参数取值及承载力公式确定

1.1 静力触探法确定混凝土预制桩单桩极限承载力

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），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式（1）计算。

式中：fsi为第i层土的探头平均侧阻力，kPa；qc为桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4d（d为桩的直径或边长）范围内按土层厚度的探头在阻力加权平均值，再和桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均，kPa；α为桩端阻力修正系数，对于黏性土、粉土取2/3，饱和砂土取1/2；βi为第i层土桩侧阻力综合正系数，黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.55，砂土：βi=5.05(fsi)-0.45。

1.2 钻孔灌注桩承载力参数的分析确定

根据现行《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）、《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ 11-501-2009，2016 年版）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019），当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩极限承载力标准值时，都是分别计算桩侧阻力和桩端阻力后再叠加[13]，其计算公式如式（2）所示。

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值；Qsk、Qpk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值；u为桩身周长；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；li为桩周第i层厚度；qpk为极限端阻力标准值；Ap为桩端面积。

在对钻孔灌注桩单桩极限承载力公式和参数的确定中，关键是分析确定钻孔灌注桩与混凝土预制桩两者侧阻及端阻的差异及关系。钻孔灌注桩通常为一种非挤土桩，而混凝土预制桩属挤土桩，两者的桩端受力机理不完全一样，灌注桩与预制桩的桩端也有明显的不同，所以，钻孔灌注桩的桩端阻力修正系数不能与混凝土预制桩一样取一个定值，需要通过建立钻孔灌注桩与混凝土预制桩两者之间的相互关系，提出适用于钻孔灌注桩的修正系数计算公式[14-15]。

1.2.1 钻孔灌注桩桩侧阻力的分析确定

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），若无当地经验时，土的极限侧阻力标准值可按表1 取值。

表1 桩的极限侧阻力标准值 qsik kPa

通过表1 和混凝土预制桩的桩侧阻力综合修正系数求取方法（黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.55；砂土：βi=5.05(fsi)-0.45），可以反推出与桩的极限侧阻力标准值qsik（kPa）相对应的静力触探探头平均侧阻力fsi，绘制出钻孔灌注桩的数据散点图，进而拟合成曲线（见图1）。

图1 钻孔灌注桩桩侧阻力综合修正系数拟合曲线图

根据拟合曲线图得到的侧阻力修正系数公式见表2。

表2 桩的极限侧阻力计算公式表

北京地区黏性土、粉土桩侧阻力主要依据室内土工试验获取的含水率、稠度、孔隙比，对照规范相关表格查取而得；砂土的桩基侧阻力系依据现场标贯击数确定的密实度对照规范相关表格查取。北京地标中砂土标贯击数通常较大，远远大于30，砂土力学性质的确定应依据杆长修正后的标贯值，但砂土杆长修正公式适宜的最大深度约21 m，北京地区桥梁桩基长度一般都大于21 m，故深部砂层的侧阻力的取值也是缺乏依据的，利用静力触探可较好地解决此类问题。

1.2.2 钻孔灌注桩桩端阻力的分析确定

与求取钻孔灌注桩桩侧阻力方法一样，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中灌注桩与预制桩的桩端阻力经验值的关系，绘制出钻孔灌注桩的数据散点图，进而拟合成曲线（见图2），拟合得到钻孔灌注桩端阻力修正系数公式见式（3）。这里仅对桩长＞30 m 桩端为细砂的桩端修正系数公式进行推导，其他不同土层和桩长推导方式与其一致，可根据工程具体桩端持力层计算。

图2 钻孔灌注桩桩端阻力综合修正系数拟合曲线图

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），桩端阻力为直接给定值，北京地区有通过压桩试验获取桩端阻力的研究性试验，但采用静力触探试验手段直接获取的研究极少。本公式使得桩端阻力可通过静力触探手段根据具体地层给出有针对性的数值。

1.3 容许承载力计算公式中的应用

进行单桩承载力设计时，通常采用极限承载力或容许承载力两种方法。当采用极限承载力设计时，可直接将前文得到侧阻力、端阻力修正系数代入式（1）和式（2）进行计算，当采用容许承载力设计时，可依据前文成果根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）的经验参数表对公式形式进行转换。

另外，依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019），桩基的端阻力系依据桩端土层的承载力按公式计算而得。深部砂土层是北京地区常选用的桩端持力土层，用于计算桩端阻力的深部砂土层的承载力系根据标贯击数对照规范表格获取。北京地区公路工程中土层的承载力主要参照《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ 11-501-2009，2016 年版）中的经验值，并适当参考《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）中的建议值，整体靠近北京地标。北京地标中砂土标贯击数与承载力对照表中，砂土的标贯击数最大约39（杆长修正后），砂土杆长修正最大深度约21 m，北京地区桩端持力层深度一般都大于21 m，深部砂层的标贯击数通常都大于39，故北京地区桩基桩端持力砂土层的承载力建议值是缺乏依据的，仍需要进行研究。

2 工程实例分析

以北京某大型高架快速路为例，基于《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）推导出中砂层的钻孔灌注桩桩侧阻力和桩端阻力，计算结果见表3、表4。

表3 某工程砂土（中砂）钻孔灌注桩侧阻力计算表

表4 某工程砂土（中砂）钻孔灌注桩端阻力计算表

计算结果显示，在北京地区深部砂层，采用本文提出的方法利用静力触探试验数据计算的钻孔灌注桩桩侧阻力和桩端阻力较经验参数查表法有较大提高。

3 结论

（1）深层静力触探具有测试深度大、数据连续等优点，可以用于估算城市高架快速路深长钻孔灌注桩单桩承载力。

（2）根据现行规范混凝土预制桩和泥浆护壁钻（冲）孔桩的土层阻力经验值之间的相对关系，开展两者极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值的对比分析工作，提出了适用于钻孔灌注桩的修正系数计算公式。

（3）对于北京地区深部砂层，利用静力触探数据估算钻孔灌注桩承载力较经验参数查表法数值有较大提高。

（4）本研究处于工程实例开展初期，尚未取得桩基静载试验成果，后续将根据实际桩基静载数据对本文提出的计算公式开展相关验证工作。