基于中欧规范桩基承载力的CPT法探讨
兰千钰;王彪
【摘 要】随着\"一带一路\"的深入,海外项目也越来越多,但不同国家规范和标准也不同,常常给设计人员带来困惑.港口项目中,桩基承载力是设计的重中之重,欧美发达国家通常采用CPT法来设计,而中国很少采用.针对港口桩基规范中CPT法这一空白,结合实际工程对CPT法计算桩基承载力进行研究,分析中欧规范中的差异和区别,证明了中国建筑桩基技术规范中的公式也可行,在某些情况下甚至更保守,可以为类似工程所借鉴.
【期刊名称】《港工技术》
【年(卷),期】2019(056)0z1
【总页数】3页(P72-74)
【关键词】欧标;静力触探试验;桩基承载力;CPT法;CPTU法
【作 者】兰千钰;王彪
【作者单位】中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430000;中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉 430000
【正文语种】中 文
【中图分类】TU202
引言
国内外规范和标准对于桩基承载力的计算有着很大差别，就港口工程而言，中国主要采用《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）和《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），欧洲主要基于欧标、美标和英标及日标等，桩基承载力的计算方法主要有：原位实验法、静力学法、原位测试法（静力触探法CPT、标准贯入试验法SPT、旁压试验法PMT）、经验法[2]。其中静力触探法CPT由于其方便、快捷、准确等特点，成为欧美发达国家最广泛和普遍的设计辅助手段，但我国港口工程应用较少，且我国规范缺少试验依据及未区分不同桩型。基于不同规范的区别和差异，本文结合实际工程对CPT法进行研究，为海外工程特别是欧美高端市场提供借鉴经验。
1 中国规范
单桩极限承载力Qu由总极限侧阻力Qsu和总极限端阻力Qpu组成[2]，表示为： 式中：Ui、li为桩周第i层土厚度和相应的桩身周长（m）；Ap为桩端底面积（m2）；qsui、qpu为第i层土的极限侧阻力和持力层极限端阻力（kN）。
1.1 《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）
规范规定桩基承载力应根据静载荷试验确定，同时规定凡允许不做静载荷试桩的工程，可根据具体情况采用承载力经验参数法等确定单桩轴向极限承载力[3]。但规范对于静力触探法并未深入介绍。
1.2 《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）
规范规定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，如无当地经验可按下式计算[4]：
式中：fsi为第i层土的探头平均侧阻力（kPa）；qc为桩端平面桩端平面上、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阻力加权平均值（kPa），然后再和桩端平面以下1d范围内的探头阻力进行平均；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为桩第i层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土取βi=10.4（fsi）-0.55，砂土取βi=5.05（fsi）-0.45。
注：双桥探头的圆锥底面积为15 cm2，锥角 60°，摩擦套筒高21.85 cm，侧面积300 cm2。
规范对于此部分修正系数的数据来源未解释，仅仅为经验参数，且桩端的闭塞效应为考虑。
2 欧洲规范
单桩极限承载力Qt由总极限端阻力Qs和总极限侧阻力Qb组成，表示为：
式中：Ap为桩端底面积（m2）；fpi、qp为第i层土的极限侧阻力和持力层极限端阻力（kN）；Asi为第i层桩侧底面积（m2）。
2.1 法国LCP法（Bustamante et Gianelli，1983）
LCP法建议单桩的允许承载力按下式计算[2]：
式中：qca为桩底平面静探端阻力计算值（kPa）；qcs为第s层土的静探端阻平均值（kPa）；αi为桩端阻力修正系数；βi为侧阻修正系数。
该方法是基于 96根各种类型的桩的载荷试验结果与静力触探数据对比提出来的。桩端阻仅考虑上下3/2D范围内的平均值，且对qc-h曲线进行概率论统计，桩侧阻系数由土的类别、性质、桩材、成桩方式等因素决定。
2.2 De Ruiter和Beringen法（俗称欧洲法）
De Ruiter和Beringen法[5]对粘土和砂土提出了不同的计算方法。砂土桩侧阻力由公式得出，桩端承载力主要由桩尖以下 0.7D～4D范围内的锥尖阻力决定；黏土在考虑固结和超固结情况下，通过不排水抗剪强度Su计算出桩侧阻力和桩端阻力。该方法适用于地质条件相对简单，桩径较小的状况[6]。
2.3 CPTU法
Eslmami和 Fellenius[7]收集了 102个竖向承载桩场地的CPT和 CPTU数据，发展了基于 CPTU计算单桩承载力的直接 CPTU方法。和传统 CPT方法不同，桩端阻采用探头点阻力的几何平均值，通过一个相关系数来确定。这个关系如下：
式中：a为探头有效面积比；u2为锤肩位置量测的孔压（kPa）；Ct为桩尖相关系数，研究表明可以为1；qE为锤尖阻力的几何平均值（kPa）（在影响区的经过孔压修正和调整的有效锤尖阻力）；qt为经孔压修正的锤尖阻力（kPa）；qc为实测的锤尖阻力（kPa）。
表1 摩阻力相关系数土类Cs范围/%Cs平均值/%灵敏性软粘土 7.37～8.64 8.0粘土 4.62～5.56 5.0硬粘土 2.06～2.80 2.5粘土混砂 0.87～1.34 1.0
桩单位侧阻fp与平均有效锤尖阻力建立经过修正后的关系，因为侧壁摩阻力fs比qt变异性更大，fs值不直接采用，而是采用相关系数修正后的值：
式中：Cs为由土分类图确定的土类的函数（见表1）。
3 安全系数
中国《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）[3]第 3.2.6条规定：当作用组合中以构件自重力、固定设备重力、填料重力作用为主时，其分项系数不小于1.3；第4.2.7条规定：打入桩单桩抗力分项系数为1.55；故其安全系数约为1.55×1.3≈2；第5.2.2条规定：安全系数k=2。欧洲规范[8]对此没有特别的规定，这种情况下参照英国国家附录进行修正，推荐桩基承载力安全系数为 2～3，在地质情况复杂或永久作用占比重较大取上限，反之取下限。
4 工程实例
欧洲某港口项目根据钻探、静力触探和土工试验结果，整个场地以低塑性粉土与细砂互层土为主；随着深度增加，土体稠度或密实度有轻度增长。利用土工试验分类参数和原位测试结果，将整个勘区地层划分为八个单元，具体如下：①砂质粉土、①-1细中砂、②细中砂、③砂质粉土、③-1细中砂、④细中砂、④-1砂质粉土、⑤粉质黏土、⑤-1细中砂、⑤-2砂质粉土、⑥细中砂、⑥-1粉质黏土、⑦砂质粉土、⑦-1粉质黏土、⑧细砂[6]（典型CPT指标见表1）。在工程特性上，因粗、细颗粒土互层沉积，物理力学性质差异性大，土体工程力学强度高低和软硬程度呈交替变化趋势；同时各层土体中都分布有厚度不一、层数不等的泥炭，属极软弱土层。
码头结构采用高桩梁板式结构，桩基础考虑采用φ1 200 mmδ24的钢管桩，根据地勘报告和设计要求，钢管桩需进入第⑧细砂层。为了比较中欧规范关于CPT法对桩基承载力的适应性，选取2个典型钻孔分别就各自规范进行计算，计算结果如图1。
图1 中欧规范下桩基承载力的比较
对比每种 CPT法可知，中国规范计算结果最小，CPTU法计算结果最大。深入研究发现：对于桩端阻，各种方法计算结果差别不大；对于桩侧阻，中国规范直接采用实测fs值，而法国法、欧洲法、CPTU法采用修正后的值，带有一定的经验性，故偏差较大。在无静载试验或者其他参数的情况下，中国规范相对安全。
5 结语
1）根据计算结果可知，中国规范相对于欧洲规范[8]偏于保守，最大误差可以达到15 %左右，故中国规范在海外工程中仍可以借鉴。但中国规范中采用的双桥探头与国际通用探头规格不一致，须进行相应转换，转换关系尚缺乏相关理论基础，有待进一步工程实例验证。
2）中欧规范都是基于经验参数或者试验参数，仍须收集更多的试验数据，对公式进一步修正，使得规范具有更广的适用性。在端阻力的计算过程中，不同方法规定的影响区域不一致，在港口工程外海复杂多变的地质环境下，建议采用桩端以上1.5D至桩端以下0.7D较为合理。
