年 月第 期 总 铁 道 工 程 学 报!"!!"#$!% &' #' 文章编号 旋转触探确定钻孔灌注桩极限承载力研究 陈新军 高 敬 铁道第三勘察设计院集团有限公司 天津 摘要 研究目的 旋转触探是一种新型原位测试技术 在相继完成方法设计 设备研制和试验测试和试生产后 为探索旋转触探试验在钻孔灌注桩设计中的应用 依据京津城际 京沪线等项目钻孔灌注桩桩身内力测试成果 开展利用旋转触探确定钻孔灌注桩极限承载力的研究 研究结论 提出的旋转触探特征量 旋转触探比功的概念 可应用于后续的对比分析工作 可利用旋转触探试验确定钻孔灌注桩极限承载力的估算 并根据收集的钻孔灌注桩桩身内力测试成果 对公式中修正系数进行拟合 经实例验证 应用旋转触探公式能有效估算钻孔灌注桩极限承载力 本研究成果可为桩基设计提供参考 同时对推动旋转触探新技术在岩土工程中的应用具有指导和借鉴作用 关键词 旋转触探试验 旋转触探比功 钻孔灌注桩 桩身内力测试 极限承载力中图分类号 % 文献标识码!"# $! %&'# # &!% ) * %)'%)*+,*-.,/#01'/,+ &'* *0'"0 $,* %*,2* $)*, '"%" %)',/'',* '3% *,'.')-/4* *0 '%)',*54)' '',) *'6-')',-*,* )'+'* 47'+,* *0 *-'.*) )',/'',* ' 4.)*) )'5')+ +'* )''80*5'+'1'-5',+ )'4*'-+ '43%),1'7'' 5-''+%)0) )'5,,*1',,-/*7'.'' )''0-43%,+ )'*',-4''4*-' )''*5,* 40-*5,'7',*,,*/47'+,* *0 *-'7/3%*0+*'+ % )*,' ',,5'')''*4*''/43%*+'4*'+,+ 0'+ * )'4-.* 5,,*1',,-/*%)',-0-,* 5')+ 4)'0-*5,'7',*,,*/47'+,* *0 *-'*'''+,+ ''+ )0) )'5,,*1',,-/*7'.'' )''0-43%,+ )'*',-4''4*-'%)'2' '6,5-'1'),)',-0-,* 5')+ 0-+ '4**'-/,-0-,')'0-*5,'7',*,,*/47'+,* *0 *-'%)''',) '0-, *1''4'''4*-'40+,* +'*,)',5'*5'),1'0*+,',+ '4'''4,-*,* 43%'.')-/* '')*,-'*''* +#,$,/'',* ' '*4*''/43% 7'+,* *0 *-' *',-4''4*-' 0-*5,'7',*,,*/ -. 研究背景 为适应高速铁路等重大工程勘察的需要 解决常 规静力触探不易穿透硬层 测试深度较浅的难题 我单位于 年率先提出了 旋转触探 的设想 旋转触探试验是指将一定的规格和形状的螺旋锥头按一定旋 收稿日期 作者简介 陈新军 年出生 男 教授级高级工程师 高敬 年出生 男 工程师
第 期 陈新军 高 敬 旋转触探确定钻孔灌注桩极限承载力研究 转速速和贯入速率旋转贯入土中 同时测记锥头在旋转贯入过程中所受的贯入阻力 土在破坏过程中的抵抗扭矩 排土水压力等参数 通过这些参数来研究地层工程性质的一种测试方法 旋转触探试验适用于第四系一般黏性土 砂类土等细粒土松散堆积层 具有快速 经济 测试数据连续 可穿透较硬地层等特点 在天津地区最大测试深度达到 5 可满足不同工程需要 特别是高标准铁路桥梁桩基持力层选择及地基沉降计算的需要 课题组在完成旋转触探方法设计 设备研制和现场测试后 开展了旋转触探与静力触探 钻探等的对比试验工作 总结出应用旋转触探试验划分地层 确定土名的规律 并在天津空客 总装线 邯黄线及津保线大北环铁路等勘察项目中进行了旋转触探试生产 效果良好 为探索旋转触探成果与钻孔灌注桩极限承载力的关系 课题组结合京津城际 京沪高铁等试桩资料开展了相关研究工作 /. 计算公式 依据现行国家标准 行业标准以及国内外文献 利用静力触探确定灌注桩极限承载力 在选用的基本公式结构上是一致的 仅在具体系数取用方面略有不同 即采用下列公式 0 : 式中 桩身周长 5 桩身穿过的第 层土厚度 5 桩底 不包括桩靴 全断面面积 5 第 层土的侧阻平均值 ;3, 桩底端阻计算值 第 层土的极限摩阻力和桩端土的极限端承力综合修正系数 参考上述公式 构建利用旋转触探确定钻孔灌注桩极限承载力的公式 /0-. 旋转触探比功 经研究发现 选用相同规格的探头 触探过程中若探头的运行速度相同 则旋转扭矩与锥尖阻力存在相关性 且与触探的土体物理力学性质相关 也就是说在旋转触探参数中旋转扭矩和锥尖阻力并不独立 这与静力触探中的锥尖阻力和侧摩阻力的关系存在差异 因此 需要对旋转触探参数进行处理 得到能够表征岩土工程性质的旋转触探特征量 在旋转触探过程中 触探杆沿探孔轴线做直线运动 同时探头还绕探杆轴线做切削地层的回转运动 可见 在旋转触探过程中贯入力与旋转扭矩 螺旋 做 功 旋转触探过程中单位时间所做的功可用下式表示 : 式中 贯入力 贯入速度 55* 转矩 5 转速 5* 其中 为贯入力所做的功 为旋转扭矩所做的功 旋转触探特征量用 表示 代表旋转触探探头探入单位体积地层所消耗的功 即旋转触探比功 则有 : 式中 锥头底面积 5 令 则有 : 式中 旋转触探锥头阻力 3, 旋转触探锥头扭矩 5 /0/. 构建公式 应用旋转触探比功 即可反映岩土层对桩侧阻 端阻贡献大小的特征参数 从而构建相关目标公式 确定钻孔灌注桩极限承载力 0 : 式中 桩身周长 5 桩身穿过的第 层土厚度 5 桩底 不包括桩靴 面积 5 第 层土的比功平均值 3, 桩底比功计算值 3, 第 层土的极限摩阻力和桩尖土的极限承载力综合修正系数 的取值方法 参照现行 铁路工程地质原位测试规程 % 中相关规定 若桩底高程以上 为桩径 范围内平均端阻 小于桩底高程以下 范围内平均端阻 时 取 : 反之 取 : 构建应用旋转触探试验确定钻孔灌注桩极限承载力公式后 结合实测桩身内力试桩资料 开展了钻孔灌注桩极限承载力条件下侧阻力和端阻力修正系数的统计分析
铁 道 工 程 学 报 年 月 1. 分项系数研究 10-. 桩身内力试验 桩侧阻力测试是通过在桩身埋设测量传感器 测量在各级荷载作用下桩身的应变 或变形 在桩身截面和弹性模量变化不大的情况下 根据虎克定律计算桩身不同截面的应力及轴力 进而计算两层传感器之间的桩侧摩阻力 桩端阻力是通过桩底埋设压力盒来进行测试 为提高拟合数据的可靠性 依托京津城际和京沪线等项目试桩资料 共收集到 根桩静载试验资料 桩长 5 桩径 5 同时 为采集到与之相匹配的触探数据 在试桩点附近进行旋转触探试验 共完成 孔 均超过桩底一定深度 满足桩端阻力计算要求 10/. 钻孔灌注桩侧阻力修正系数拟合 对于试桩资料 在极限荷载作用下认为桩侧阻力已经充分发挥 取此级荷载下对比段桩侧阻力为目标值 对于旋转触探资料 在对应深度测试段内 先进行力学分层 得出测试端内各土层旋转触探比功平均值 并根据土层厚度加权平均后 得到对比段旋转触探比功值 对统计变量进行处理 引入侧阻修正系数 对得到的侧阻修正系数 与对比段旋转触探比功估算值 进行回归分析 共计整理得到 组对比数据 通过绘制散点图 拟合回归曲线 如图 所示 得到侧阻修正系数计算公式 相关系数 图 -. 旋转触探比功估算钻孔灌注桩侧阻修正系数回归曲线 101. 钻孔灌注桩端阻力修正系数拟合 对于试桩资料 取极限荷载作用下桩端阻力为目标值 对于旋转触探成果 依据 之设定 确定底 触探比功计算值 然后对统计变量进行处理 引入端阻修正系数 对得到的端阻修正系数 与触探端阻计算值 进行回归分析 共计整理得到 组对比数据 通过绘制散点图 拟合回归曲线 如图 所示 得到端阻修正系数计算公式 相关系数 图 /. 旋转触探比功估算钻孔灌注桩端阻修正系数回归曲线. 工程实例 通过某工程实例 依据现行 建筑桩基技术规范 " 采用原位测试和经验参数法估算灌注桩极限承载力 然后应用上文所提出的旋转触探公式进行估算 最后结合现场试桩资料对不同估算方法的结果进行评价 0-. 工程概况 拟建工程中间部分为 层 高 5 两侧为 层及 层 高 5 结构形式为框架结构 无地下室 基础形式拟采用桩基础 场地地貌上属于滨海相冲积平原 较为平整 勘察工作完成勘探孔 孔 其中钻探 孔 双桥静力触探 孔 勘探场地地层情况如下 本场区地表以下 5 范围内 地基土按成因及时代可分为 层 按土的物理力学特征可分为 个亚层 0/. 现行规范方法估算单桩极限承载力 依据现行 建筑桩基技术规范 " 条相关规定估算灌注桩极限承载力 设定桩径 55 桩长 5 综合钻探化验指标和双桥静力触探成果 确定钻孔灌注桩的极限侧阻力标准值 ; 与桩的极限端阻力标准值 ; 如表 所示 估算极限承载力 如表 所示 得单桩极限承载力为 ;
第 期 陈新军 高 敬 旋转触探确定钻孔灌注桩极限承载力研究 表 -. 场地土地层特征表 层号顶板埋深 5 土质特征 ; ;3, ; ;3, 杂填土 黏土 粉质黏土 粉土 粉土 粉质黏土 粉质黏土 粉土 粉质黏土 粉土 粉质黏土 粉土 粉砂 粉质黏土 粉土 细砂 粉质黏土 表 /. 钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准值计算 项目桩型 桩顶高程 5 桩底有效高程 5 桩长 5 桩径 55 估算结果 ; 钻孔灌注桩 01. 应用旋转触探估算单桩极限承载力 完成旋转触探孔 孔 3% < 3% < 深度分别为 5 和 5 应用前节回归公式 估算灌注桩极限承载力 1-. 桩侧阻力以旋转触探采样间隔 5 划分土层单元 得到桩侧土旋转触探比功计算值 代入公式 计算极限摩阻力综合修正系数 力 按下式计算钻孔灌注桩极限承载力状态下桩侧阻 0 式中 取 5 取 5 桩径的周长 经计算 在桩长 5 范围内 应用旋转触探估算极限承载力状态下桩侧阻力 旋转触探 3% < 孔桩侧阻力为 ; 旋转触探 3% < 孔桩侧阻力为 ; 1/. 桩端阻力依据上文 节中 取值方法的设定 得到桩端土旋转触探比功计算值 代入公式 计算极限端阻力综合修正系数 按下式计算钻孔灌注桩极限承载力状态下桩端阻力 如表 所示 0 旋转触探孔号 表 1. 基于旋转触探的桩端阻力计算表 桩端旋转触探比功计算值 ;3, 桩端阻力 ; 3% < 3% < 11. 灌注桩极限承载力按下式计算钻孔灌注桩极限承载力 0 0 : 0 依据旋转触探 3% < 孔 得到钻孔灌注桩极限承载力为 ; 依据旋转触探 3% < 孔 得到钻孔灌注桩极限承载力为 ; 0. 试桩实测 该工程选择单桩竖向抗压静载荷试验作为检测方法 桩径 55 桩长 5 共计试桩三根 测得单桩抗压极限承载力为 ; 0. 效果评价 上述估算成果均与试桩实测极限承载力对比 如表 所示 应用桩基规范公式估算单桩极限承载力误差为 = 偏向安全 应用旋转触探公式估算单桩极限承载力 两孔误差分别为 == 且偏向安全 本课题旋转触探公式确定钻孔灌注桩极限承载力效果较好 表. 某工程估算单桩极限承载力与实测试桩对比 对比项计算方法 桩侧阻力 ; 桩端阻力极限承载 ; 力 ; 误差 = 试桩实测 桩基规范方法 旋转触探公式. 结论 3% < 3% < 提出旋转触探特征量 旋转触探比功的概念 并应用于后续的对比分析工作 该参数将旋转触探测得的锥头阻力 锥头扭矩 转速 贯入速度有机的结合起来 综合反映了地层的物理力学性质 对进行旋转触探技术的应用研究有很大意义 提出了利用旋转触探试验确定灌注桩极限承载力的估算方法 并根据收集到的钻孔灌注桩桩身内力测试成果 对公式中修正系数依土类分别进行了拟合 经实例验证 应用旋转触探公式估算单桩极限承载力误差较小 且偏向安全 说明该方法能有效估算钻孔灌注桩极限承载力
铁 道 工 程 学 报 年 月 本文研究成果可为桩基设计提供参考 同时对推动旋转触探新技术在岩土工程中的应用具有指导和借鉴作用 参考文献 %! %% &%0, # &%$ $ 2$! 33$ 4 2 2!!& /5-5-561 7-5680 唐贤强 叶启民 静力触探 北京 中国铁道出版社 : ;0! & 20!,# &%' % -810 唐贤强 谢瑛 谢树彬 等 地基工程原位测试技术 北京 中国铁道出版社 : %' 07% 4%$ 20!,# &%' % -880 陈新军 袁广义 无缆静力触探新技术 $ 土木工程与高新技术 中国土木工程学会第十届年会论文集 北京 中国建筑工业出版社!% :%%#0, #!&%!'! 33! $ $, # 7-5 %2 &$!! #0! % %$ & /55/0 赵凤林 陈新军 一种基于旋转触探的参数采集及处理微机系统 铁道工程学报 4!%0!"%# &! $& $& # * 0 *%,# # /5---5 --- 7--0 高秀梅 原位测试技术在空客 总装线项目勘察中的应用 铁道工程学报 %0"" % "'%1/5*0*%,# # /5---/ - 7/50 陈新军 杨怀玉 赵凤林 应用旋转触探试验划分地层及确定土类定名方法研究 工程勘察!% : %#% 40%$# "$! '# # & %$ *0 %# /5-/- 7/50 编辑 曹淑荣 上接第 页 53 <% * 0% %'$$!%%!>%!# &%", %$, "$ *0 %# $/55 1-6 7,# $2!%% *0-10 *%,# #/556-//1 7 王光亚 抽水地面沉降模型研究的回顾与展望 工 /60 程地质学报 增刊 王秀艳 刘长礼 深层粘性土渗透释水规律的探讨 岩 %#0&" $ " 土工程学报 2 2$ <$ %'$ % %#<%!0%&'# &%" * 0*% # /55 "!## *0!*% 16 7/0 /551115 71-/0 陈鹏 李正媛 刘妙龙 等 地下水位对定点形变观测干扰 $0<, $004 的抽水实验 大地测量与地球动力学 2$$!$ &%2$ 20, :=*#! & < #% <% 2 0-860 " &%" " 张光辉 费宇红 聂振龙 海河平原东部地区地面沉降机 %' #%$,< 理与趋势 中国地质灾害与防治学报 )'*0*%$# $ $#/55168 710 %% 4 :% 0 李恩建 董红军 霍墚 抽水对地壳形变观测影响的研究 2 $$<$%'$ 防灾技术高等专科学校学报 & * 0! *% < % % <0 %$# >$$!/55--1 7-60 %, %" 邢忠信 李和学 张熟 等 沧州市地面沉降研究及防治 * 0 *%! & 对策 地质调查与研究 %/55-76/0 <% % 0% 编辑 曹淑荣