CN110029692A - 基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，包括如下：推导生成SCPTu探头和静压桩贯入软土时的柱孔极限扩孔压力、球孔极限扩孔压力以及柱孔扩张引起的超静孔隙水压力的表达式；模拟所述静压桩、所述探头与土层接触面的剪切破坏过程，进行室内环剪试验生成室内接触面环剪试验结论；根据所述室内接触面环剪试验结论以及所述柱孔极限扩孔压力、所述球孔极限扩孔压力、所述超静孔隙水压力的表达式建立基于SCPTu探头的测试值的单桩桩侧承载力时效性的表达式；根据所述单桩桩侧承载力时效性的表达式预测静压桩在饱和软土中沉桩结束后桩侧承载力随时间的变化。本发明能够反映成桩后桩侧承载力的变化，同时降低了由经验系数引起的不确定性。

Description

基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程测试领域，具体地，涉及一种基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法。

背景技术

静压桩在我国软土地区有着广泛的应用，准确、高效的确定静压桩承载力特性具有重要的意义。

目前有关静力触探和静压桩的理论研究和试验有很多，但大多是分开研究。由于静压桩在软土中贯入过程的复杂性，目前确定承载力的方法主要有经验公式法和桩的静载荷试验法。包括静力触探试验法(CPT)在内的地区性经验公式法虽然应用方便，但由于缺少理论基础，其预测值的可靠性主要取决于所建立的数据库的质量，且有明确的适用地层和桩型等约束条件，因而大大限制了其工程应用。在沉桩结束后桩周土固结的研究上，对其定量的理论描述尚不成熟，大多是基于实测数据的经验回归公式，许多参数都须由经验确定，从而增加了估算的难度和不确定性。

基于地震波孔压静力触探SCPTu是世界上最先进的原位测试手段之一，其探头在贯入过程中记录下了许多与土层力学性质相关的测量值，如锥尖阻力、侧摩阻力以及孔隙水压力，在探头停止贯入后，还能记录下相应位置处超静孔隙水压力的消散，为桩周土的固结分析提供依据。同时还可进行剪切波速测量，由此可计算出土的剪切模量，为了解土的力学性质提供了一个更为全面的方法。

桩的静载荷试验是目前公认确定承载力最可靠的方法，但该试验费时费力，成本又高，从而限制了其在工程中的大量使用。此外，这两种方法都不能单独有效的反映软土中静压桩的承载力时效性特征，造成在实际工程设计中，工程师们往往忽略了桩的承载力时效性，设计的承载力过于保守，从而大大提高了工程造价，导致了不必要的投资浪费。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法。本发明充分考虑到SCPTu探头和静压桩贯入软土时的特点，建立SCPTu探头的测试值与静压桩单桩承载力时效性之间的理论关系，并与现场实测值进行对比分析，提出一种基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，能够有效预测沉桩结束后任一时刻承载力的变化。

根据本发明提供的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，包括如下步骤：

步骤S1：推导生成SCPTu探头和静压桩贯入软土时的柱孔极限扩孔压力、球孔极限扩孔压力以及柱孔扩张引起的超静孔隙水压力的表达式；

步骤S2：模拟所述静压桩、所述探头与土层接触面的剪切破坏过程，进行室内环剪试验生成室内接触面环剪试验结论；

步骤S3：根据所述室内接触面环剪试验结论以及所述柱孔极限扩孔压力、所述球孔极限扩孔压力、所述超静孔隙水压力的表达式建立基于SCPTu探头的测试值的单桩桩侧承载力时效性的表达式；

步骤S4：根据所述单桩桩侧承载力时效性的表达式预测静压桩在饱和软土中沉桩结束后桩侧承载力随时间的变化。

优选地，所述步骤S1具体为，假定所述SCPTu探头和底端静压桩的贯入过程不排水且软土的塑性区发生大变形和应***化，采用柱孔扩张理论来模拟所述探头的锥身和所述静压桩的桩身贯入过程中应力场，采用球孔扩张理论分析所述探头的锥尖和所述静压桩的桩端的挤土受力，推导出所述柱孔极限扩孔压力和所述球孔极限扩孔压力以及柱孔扩张引起的超静孔隙水压力的表达式。

优选地，所述步骤S2具体为，模拟静压桩和所述探头与土层接触面的剪切破坏过程，进行室内环剪试验，确定混凝土与软土和钢材与软土接触面摩擦角的变化规律，进而生成所述室内接触面环剪试验结论。

优选地，在所述步骤S3中，采用SCPTu探头测得的锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力和剪切波速四个独立参数来描述每一所述静压桩的极限承载力。

优选地，所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S301：基于太沙基一维固结方程，引入所述超静孔隙水压力分布作为初始条件，以SCPTu探头的孔压消散试验计算出的固结系数为已知参数，推导出静压桩沉桩结束后桩周土的固结解；

步骤S302：根据所述室内接触面环剪试验结论以及所述柱孔极限扩孔压力、所述球孔极限扩孔压力建立基于SCPTu探头的测试值的静压桩的极限承载力的表达式；

步骤S303：基于有效应力原理以所述静压桩的极限承载力的表达式为初始值，以桩周土的固结解计算出承载力变化值，推导出以SCPTu测试值计算软土中静压桩承载力时效性的表达式。

优选地，所述超静孔隙水压力分布的表达式Δu为：

式中：r_p为塑性区半径，r_i为柱孔半径；

I_r为刚度指数，I_r由波速孔压静力触探试验测得的剪切波速v_s计算得到：γ为土的重度，g为重力加速度；

β为软化系数，β＝0表示土体无扰动，β＝1时土体柱孔壁处结构完全破坏，0＜β＜1时；c_u为不排水抗剪强度；A_f为斯凯普顿应力参数。

优选地，所述静压桩的极限承载力Q的表达式：

式中：Q为静压桩的极限承载力，Q_s为静压桩的桩侧极限承载力，Q_b为静压桩的桩端极限承载力，f_s为探头的锥身单位侧摩阻力，q_c为探头的锥尖单位阻力τ_s为静压桩的桩身单位侧摩阻力，q_b为静压桩的桩端单位阻力，l为静压桩的埋置深度，d为静压桩的桩径，δ₁为探头的锥壁与软土之间摩擦角，δ₂为静压桩的桩壁与软土之间摩擦角，k₁、k₂为假设常量，F₁为基于球孔扩张理论推出的探头的锥尖函数，F₂为基于球孔扩张理论推出的静压桩的桩端函数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在基于SCPTu探头计算软土中单桩桩侧承载力时效性公式不仅具有严密的理论基础，还充分利用了SCPTu探头得到的所有参数，与传统的原位试验法相比，该所述单桩桩侧承载力时效性公式不但能确定单桩桩侧极限承载力，还能反映成桩后桩侧承载力的变化，同时降低了由经验系数引起的不确定性；

2、本发明与传统的桩的承载力时效性简化分析方法不同，基于SCPTu探头计算软土中单桩桩侧承载力时效性理论解不仅考虑了多土层地基中不同土层中土体刚度指数的差异对固结过程的影响，还考虑了不同土层因固结系数不同而导致的消散速率不同的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法的流程图；

图2为本发明中环剪仪的结构示意图；

图3为本发明中圆锥形探头和静压桩受力对比示意图；

图4为本发明中利用静力触探测量值推导桩的极限承载力流程图；以及

图5为本发明中模型槽内测点布置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，图1为本发明中基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法的流程图；如图1所示，本发明提供的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，包括如下步骤：

步骤S1：推导生成SCPTu探头和静压桩贯入软土时的柱孔极限扩孔压力、球孔极限扩孔压力以及柱孔扩张引起的超静孔隙水压力的表达式；

步骤S2：模拟所述静压桩、所述探头与土层接触面的剪切破坏过程，进行室内环剪试验生成室内接触面环剪试验结论；

步骤S3：根据所述室内接触面环剪试验结论以及所述柱孔极限扩孔压力、所述球孔极限扩孔压力、所述超静孔隙水压力的表达式建立基于SCPTu探头的测试值的单桩桩侧承载力时效性的表达式；

步骤S4：根据所述单桩桩侧承载力时效性的表达式预测静压桩在饱和软土中沉桩结束后桩侧承载力随时间的变化。

在本实施例中，所述SCPTu的含义为波速孔压静力触探原位试验。

在本实施例中，所述步骤S1具体为，根据SCPTu探头和静压桩贯入软土时的特点，假定SCPTu探头和静压桩的贯入过程不排水，并考虑软土的塑性区发生了大变形和应***化的特点，采用柱孔扩张理论来模拟所述探头的锥身和所述静压桩的桩身贯入过程中应力场的变化，采用球孔扩张理论分析所述探头的锥尖和所述静压桩的桩端的挤土受力情况，推导出所述柱孔极限扩孔压力和所述球孔极限扩孔压力以及柱孔扩张引起的超静孔隙水压力的表达式。

在本实施例中，所述超静孔隙水压力分布的表达式Δu为：

式中：r_p为塑性区半径，r_i为柱孔半径；

I_r为刚度指数，I_r由波速孔压静力触探试验测得的剪切波速v_s计算得到：γ为土的重度，g为重力加速度

β为软化系数，β＝0表示土体无扰动，β＝1时土体柱孔壁处结构完全破坏，0＜β＜1时；c_u为不排水抗剪强度，c_u随不同的损伤程度在塑性范围内沿径向变化；A_f为斯凯普顿(Skempton)应力参数。

在本实施例中，所述步骤S2具体为，模拟静压桩和所述探头与土层接触面的剪切破坏过程，进行室内环剪试验，确定混凝土与软土和钢材与软土接触面摩擦角的变化规律，进而生成所述室内接触面环剪试验结论。

在本实施例中，采用如图2所示的环剪仪进行室内环剪试验。在图2中，1为上盒，2为下盒，上盒1中装载软土，下盒2中装载混泥土和刚试样。图3为本发明中圆锥形探头和静压桩受力对比示意图，在图3中左侧为探头，右侧为静压桩，如图3所示，采用柱孔模拟的锥身和桩身贯入时的受力，采用球孔模拟的锥尖和桩端的受力，进行力的平衡分析。

对SCPTu探头和静压桩进行受力对比分析，结合上面推导的柱孔极限扩孔压力和球孔极限扩孔压力和室内接触面环剪试验结论，建立基于SCPTu探头的测试值的静压桩的极限承载力的表达式，即采用SCPTu探头测得的锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力和剪切波速四个独立参数来描述每一所述静压桩的极限承载力。

在本实施例中，所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S301：基于太沙基一维固结方程，引入所述超静孔隙水压力分布作为初始条件，以SCPTu探头的孔压消散试验计算出的固结系数为已知参数，推导出静压桩沉桩结束后桩周土的固结解；

步骤S302：根据所述室内接触面环剪试验结论以及所述柱孔极限扩孔压力、所述球孔极限扩孔压力建立基于SCPTu探头的测试值的静压桩的极限承载力的表达式；

步骤S303：根据有效应力原理和所述静压桩的极限承载力的表达式推出描述静压桩承载力时效性的表达式。

在本实施例中，静压桩承载力时效性的表达式Q_s(t)为：

其中，i层土序号，c_i为第i层土水平向固结系数，可由波速孔压静力触探的孔压消散试验求得，分别为零阶和一阶第一类贝塞尔函数，表示J₀(ρ)的正零点。此外D_i＝(0.069A_f-0.023)；r_pc2i为桩端贯入第i层时桩周土中形成的塑性区半径，r_pc1i为锥端贯入第i层时锥周土中形成的塑性区半径，c_ui为桩侧第i层土不排抗剪强度，b为桩的半径，a为圆锥探头的半径，p_0i为第i层土体中的初始应力，t为时间，f_si为第i层土锥身单位侧摩阻力，l_i为桩侧第i层土厚度，其中r_i为桩径，r^*为超静孔隙水分布半径，β为软化系数，E₂和E₃为广义超几何函数，A_f为Skempton破坏状态下的孔隙水压力系数。

在本实施例中，图4为本发明中利用静力触探测量值推导桩的极限承载力流程图，如图4所示，所述静压桩的极限承载力Q的表达式：

式中：Q为静压桩的极限承载力，Q_s为静压桩的桩侧极限承载力，Q_b为静压桩的桩端极限承载力，f_s为探头的锥身单位侧摩阻力，q_c为探头的锥尖单位阻力τ_s为静压桩的桩身单位侧摩阻力，q_b为静压桩的桩端单位阻力，l为静压桩的埋置深度，d为静压桩的桩径，δ₁为探头的锥壁与软土之间摩擦角，δ₂为静压桩的桩壁与软土之间摩擦角，k₁、k₂为假设常量，F₁为基于球孔扩张理论推出的探头的锥尖函数，F₂为基于球孔扩张理论推出的静压桩的桩端函数。

在图4中，Ψ_c1为模拟圆锥探头锥身的柱孔极限扩张压力；Ψ_c2为模拟桩身的柱孔极限扩张压力；Ψ_s1为模拟圆锥探头锥尖的球孔极限扩张压力；Ψ_s2为模拟桩端的球孔极限扩张压力；σ_γγ1Wie作用于锥身水平应力，σ_γγ2为作用于桩身水平应力；分别为基于球孔扩张理论推出的锥尖和桩端函数；F₁ ^-1为F₁的反函数。

在本实施例中，当将静压桩的桩壁视作不透水界面，将软土视为弹性材料，并将问题简化为平面应变轴对称问题。由于桩端承载力时效性的变化基本没有变化，故忽可以略不计，将软土中静压桩承载力时效性的理论解简化为桩侧承载力时效性的理论解。

当对本发明中基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法进行室内模型槽试验，分析不同材质、不同桩径的静压桩在不同贯入速率下的监测数据，对比分析相应状态下的理论计算值，初步验证理论解的可靠性。具体为，设计一个外径和高均为1米的柱状模型槽，充填软土颗粒，加水充分饱和。如图5所示，在槽内分别沿深度和径向方向30～60cm的范围，按距均匀设计测点，布置土压力盒和孔压计各6个。制备直径分别为20mm、30mm和40mm的混凝土模型桩和直径为30mm的钢质模型锥各一根，桩长均为600mm。根据桩和圆锥的贯入特点，选择1m/s和2m/s的速度将模型桩压入土中，分析各测点的径向应力和超静孔隙水压力的变化，验证上述理论推导中应力分布、材质、几何尺寸等对桩的承载力的影响，修正贯入速率的影响。

当对本发明进行现场不同间歇期桩的载荷试验，将理论计算值与实测值进行对比分析，进一步验证理论解的可靠性和实用性。具体为，挑选典型软土场地，进行原位试验方案设计。布置3个地质钻孔，每孔孔深30米，主要目的为揭示现场地层和取原状样；在地层稳定区域布置6个波速孔压静力触探试验孔，每孔试验深度30米，除常规CPTu试验外，还进行分层波速试验和孔压消散试验；在每个波速孔压静力触探试验孔位中心分别压入一根30米长静压桩，在这六根桩沉桩结束后的0天、3天、7天、30天、90天、240天依次进行不同间歇期桩的静载荷试验，将试验值和理论值对比分析，进一步验证桩的承载力时效性理论解合理性。

在本实施例，本发明通过建立SCPTu测试值与静压桩的单桩承载力时效性理论关系，提出一种基于波速孔压静力触探试验确定软土中单桩承载力时效性的方法，改变了传统经验方法的地域性、不确定性等缺点。与此同时，本发明改变过去将原位测试仅作为提供土性参数的功能定位，充分利用SCPTU探头高效、快捷、采集土性信息丰富的优点，将现场测试数据即时输入理论关系式这个“转换器”中，即可得到相应桩位上的单桩承载力时效性信息，使SCPTu探头起到承载力即时“测力计”的作用，这是对传统原位试验功能的全新拓展。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：推导生成SCPTu探头和静压桩贯入软土时的柱孔极限扩孔压力、球孔极限扩孔压力以及柱孔扩张引起的超静孔隙水压力的表达式；

步骤S2：模拟所述静压桩、所述探头与土层接触面的剪切破坏过程，进行室内环剪试验生成室内接触面环剪试验结论；

步骤S3：根据所述室内接触面环剪试验结论以及所述柱孔极限扩孔压力、所述球孔极限扩孔压力、所述超静孔隙水压力的表达式建立基于SCPTu探头的测试值的单桩桩侧承载力时效性的表达式；

步骤S4：根据所述单桩桩侧承载力时效性的表达式预测静压桩在饱和软土中沉桩结束后桩侧承载力随时间的变化。

2.根据权利要求1所述的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为，假定所述SCPTu探头和底端静压桩的贯入过程不排水且软土的塑性区发生变形和应***化，采用柱孔扩张理论来模拟所述探头的锥身和所述静压桩的桩身贯入过程中应力场，采用球孔扩张理论分析所述探头的锥尖和所述静压桩的桩端的挤土受力，推导出所述柱孔极限扩孔压力和所述球孔极限扩孔压力以及柱孔扩张引起的超静孔隙水压力的表达式。

3.根据权利要求1所述的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为，模拟静压桩和所述探头与土层接触面的剪切破坏过程，进行室内环剪试验，确定混凝土与软土和钢材与软土接触面摩擦角的变化规律，进而生成所述室内接触面环剪试验结论。

4.根据权利要求1所述的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用SCPTu探头测得的锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力和剪切波速四个独立参数来描述每一所述静压桩的极限承载力。

5.根据权利要求2所述的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括如下步骤：

步骤S301：基于太沙基一维固结方程，引入所述超静孔隙水压力分布作为初始条件，以SCPTu探头的孔压消散试验计算出的固结系数为已知参数，推导出静压桩沉桩结束后桩周土的固结解；

步骤S302：根据所述室内接触面环剪试验结论以及所述柱孔极限扩孔压力、所述球孔极限扩孔压力建立基于SCPTu探头的测试值的静压桩的极限承载力的表达式；

步骤S303：基于有效应力原理以所述静压桩的极限承载力的表达式为初始值，以桩周土的固结解计算出承载力变化值，推导出以SCPTu测试值计算软土中静压桩承载力时效性的表达式。

6.根据权利要求1所述的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，其特征在于，所述超静孔隙水压力分布的表达式Δu为：

式中：r_p为塑性区半径，r_i为柱孔半径；其中，

I_r为刚度指数，I_r由波速孔压静力触探试验测得的剪切波速v_s计算得到：γ为土的重度，g为重力加速度；

β为软化系数，β＝0表示土体无扰动，β＝1时土体柱孔壁处结构完全破坏，0＜β＜1时；c_u为不排水抗剪强度；A_f为斯凯普顿应力参数。

7.根据权利要求5所述的基于SCPTu探头测试值确定软土中单桩承载力时效性的方法，其特征在于，所述静压桩的极限承载力Q的表达式：

式中：Q为静压桩的极限承载力，Q_s为静压桩的桩侧极限承载力，Q_b为静压桩的桩端极限承载力，f_s为探头的锥身单位侧摩阻力，q_c为探头的锥尖单位阻力τ_s为静压桩的桩身单位侧摩阻力，q_b为静压桩的桩端单位阻力，l为静压桩的埋置深度，d为静压桩的桩径，δ₁为探头的锥壁与软土之间摩擦角，δ₂为静压桩的桩壁与软土之间摩擦角，k₁、k₂为假设常量，F₁为基于球孔扩张理论推出的探头的锥尖函数，F₂为基于球孔扩张理论推出的静压桩的桩端函数。