從某項(xiàng)目樁基看土工試驗(yàn)和工程實(shí)際的聯(lián)系

邵平 李興熠

摘 要? 本文從土工試驗(yàn)和工程實(shí)際以及力學(xué)原理間有機(jī)聯(lián)系的角度，針對(duì)某項(xiàng)目樁基建設(shè)過(guò)程中各階段所做的土工試驗(yàn)，具體分析其在樁基建設(shè)中的作用以及其在樁基基礎(chǔ)力學(xué)理論中的位置，在大的工程建設(shè)背景和力學(xué)原理背景下深化對(duì)土工試驗(yàn)的理解，對(duì)我們改進(jìn)土工試驗(yàn)方法、更好地利用土工試驗(yàn)成果有積極作用。

關(guān)鍵詞? 土工試驗(yàn);工程實(shí)際;力學(xué)原理;聯(lián)系

中圖分類號(hào)：TU41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Relationship Between Geotechnical Test and Practical Engineering Situation – finding from the Pile Foundation Construction of a Project

Shao Ping1， Li Xingyi2

（1.Team 402， Hunan Geology and Mineral Resources Exploration and Development Bueau， Changsha Hunan 410014; 2.Hunan Provincial Communications Planning Survey & DesignInstitute Co.， Changsha Hunan 410014）

Absrcat： From the perspective of the relationship between geotechnical test combined with practical construction situation and the principle of mechanics， this paper analyzes the geotechnical tests made in each stage of pile foundation construction of a project， and analyzes its role in pile foundation construction， as well as the position of this project standing in pile foundation mechanics theory. At the same time， this paper deepens the understanding of geotechnical tests in the context of engineering construction background and mechanics background. This has a positive effect on improving the geotechnical test methods and making better use of the results of geotechnical tests.

Keywords：? geotechnical tests; practical construction situation; mechanics; relationship

1? 引言

巖土工程勘察是工程建設(shè)的重要前期工作，而土工試驗(yàn)則是巖土工程勘察的重要組成部分。當(dāng)前在土工試驗(yàn)的實(shí)踐和理論研究中，土工試驗(yàn)卻成了一個(gè)幾乎獨(dú)立的部分：在項(xiàng)目部上土工試驗(yàn)部門可以不關(guān)心現(xiàn)場(chǎng)工作;在關(guān)于土工試驗(yàn)的研究中也都主要集中在如何改進(jìn)試驗(yàn)儀器、方法、數(shù)據(jù)處理方式，以得到更精確的試樣參數(shù)方面，而較少?gòu)耐凉ぴ囼?yàn)和其它土木范疇的聯(lián)系的角度來(lái)談土工試驗(yàn)。為什么要做土工試驗(yàn)？土工試驗(yàn)是以什么樣的方式參與進(jìn)土木工程其它范疇中去的？這種脫節(jié)將導(dǎo)致土工試驗(yàn)從業(yè)人員空有豐富的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，卻不能從土工試驗(yàn)和土木工程其它范疇間聯(lián)系的高度來(lái)反思試驗(yàn)本身;也將導(dǎo)致工程建設(shè)和理論研究人員出于施工的考慮和建構(gòu)理論的考慮而對(duì)土工試驗(yàn)提出一些要求，卻往往考慮不到試驗(yàn)的實(shí)際可操作性。本文就某項(xiàng)目的樁基建設(shè)過(guò)程，分析在各階段土工試驗(yàn)如何參與工程建設(shè)、分析試驗(yàn)所得到的各參數(shù)在樁基礎(chǔ)相關(guān)理論中所占的地置。

2? 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于山東東營(yíng)市某淺海區(qū)域，擬建場(chǎng)地地形地貌屬為水下海灘，成因類型為沖積海積平原，地震動(dòng)峰值加速度值為0.15g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期取0.40s。

海底地形由南向北傾斜，地形平坦開(kāi)闊，擬建場(chǎng)址地形地貌類型為水下海灘，成因類型為沖積海積平原，海底地形由南向北傾斜，地形平坦開(kāi)闊。地層由上至下分別為：淤泥質(zhì)黏土Q4m、粘土Q4al-m、粉質(zhì)粘土Q3al-m、粉砂Q3al-m。淺部土層的承載力無(wú)法滿足擬建風(fēng)機(jī)的承載力要求，須采用樁基礎(chǔ)，樁型為鉆孔灌注樁和混凝土預(yù)制樁及鋼管樁等摩擦型樁，持力層為粉質(zhì)粘土或粉砂。

3? 土工試驗(yàn)如何參與到工程建設(shè)和理論分析中

該項(xiàng)目是海上工程，海底淺層土質(zhì)不能滿足建筑物對(duì)地基承載力和變形的要求，又不宜采取地基處理措施，故采取樁基礎(chǔ)。圍繞樁基礎(chǔ)的建設(shè)，需解決一系列工程問(wèn)題。現(xiàn)將首先要面對(duì)的問(wèn)題歸納如下：

1.場(chǎng)地地層組成如何？各層巖土的物理力學(xué)性質(zhì)如何？其中有沒(méi)有不良性地質(zhì)和特殊性土？

2.在地震情況下，飽和砂土的狀態(tài)會(huì)發(fā)生什么樣的變化？

3.選用什么型式的樁基礎(chǔ)？樁基礎(chǔ)埋深如何確定？

3.1 劃分地層階段

首先確定場(chǎng)地地質(zhì)情況，即對(duì)場(chǎng)地一定深度范圍內(nèi)的土進(jìn)行分類分層。本項(xiàng)目根據(jù)地層巖性、時(shí)代成因及其物理力學(xué)性質(zhì)特征，將勘察深度范圍內(nèi)的土體劃分為4個(gè)主要工程地質(zhì)層。那么分層是根據(jù)哪些物理力學(xué)特征？根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011和《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001規(guī)定的地基土的分類體系，在考慮按堆積年代和地質(zhì)成因的劃分的基礎(chǔ)上，按顆粒級(jí)配和塑性指數(shù)分為碎石土、砂土、粉土和粘性土四大類。這正是工程中首次對(duì)土工試驗(yàn)提出要求的地方，即要求做土的顆粒分析試驗(yàn)和界限含水率試驗(yàn)。顆粒分析試驗(yàn)是土的常規(guī)試驗(yàn)之一，對(duì)土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，能夠定量描述土粒中各個(gè)粒組的含量，為土的工程分類和了解土的工程性質(zhì)提供依據(jù)[1]。界限含水率試驗(yàn)需采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法[2]，分別對(duì)不同深度處取出的土樣做這些試驗(yàn)，取部分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3.2 計(jì)算樁的承載力階段

初步了解場(chǎng)地內(nèi)土體的物理力學(xué)性質(zhì)后，在工程上我們要了解各種型式的樁在這樣的土質(zhì)條件下能有多大的承載力。先計(jì)算單樁的豎向承載力。單樁豎向承載力是指單樁到達(dá)破壞狀態(tài)時(shí)所能承受的最大軸向靜荷載，它取決于土對(duì)樁的支承力和樁身材料強(qiáng)度，并取用兩者中的較小值。單樁承載力的估算是樁基工程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[3]。土對(duì)樁的支承力分為樁側(cè)摩阻力和樁端阻力兩部分，其計(jì)算方法根據(jù)不同樁型各有不同，但均要依靠土的物理性質(zhì)。為靜力法和動(dòng)力法兩大類。前者根據(jù)室內(nèi)和原位土工試驗(yàn)的資料，后者則根據(jù)沉樁過(guò)程中或沉樁后的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試的資料，然后應(yīng)用理論分析方法或者應(yīng)用工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)估算單樁承載力。靜力法可分為經(jīng)驗(yàn)公式法、理論計(jì)算法、現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)法等。動(dòng)力法可分為打樁公式法、應(yīng)力波動(dòng)方程法等?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》JGJ94-2008中提供的單樁豎向承載力主要通過(guò)單樁靜載試驗(yàn)確定，靜力觸探等原位試驗(yàn)為輔，重在突出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的直接性和真實(shí)性。而本文重點(diǎn)則放在闡明土工試驗(yàn)所得參數(shù)在樁基礎(chǔ)理論計(jì)算中所扮演的角色，故采取由H.G波洛斯（Poulos）等綜合有關(guān)學(xué)者而推薦的計(jì)算公式，此種以土力學(xué)原理為基礎(chǔ)的單樁承載力公式在國(guó)外廣泛采用，用來(lái)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。并著重論述當(dāng)采用此種理論計(jì)算時(shí)，需要做哪些特定的土工試驗(yàn)以及做這些特定的土工試驗(yàn)的必要性。

此理論中單樁承載力的一般表達(dá)式如下：

（1）

式中

up——樁身周邊長(zhǎng)度;

ca——樁-土之間的附著力，當(dāng)樁設(shè)在無(wú)粘性土中時(shí)取 0;

ks——樁側(cè)土的側(cè)壓力系數(shù);

σv——樁側(cè)土的豎向應(yīng)力;

φa——樁-土之間的摩擦角，當(dāng)樁設(shè)在正常固結(jié)粘性土中時(shí)取 0;

l——這一層土層的厚度;

γ——樁端平面以上土的重度;

b、h ——樁端寬度（直徑）、樁的入土深度;

ξc、ξq——樁端為方形、圓形時(shí)的形狀系數(shù);

Nc*、Nq*——條形基礎(chǔ)無(wú)量綱的承載力因數(shù)，僅與土的內(nèi)摩擦角有關(guān)，當(dāng)樁設(shè)在超固結(jié)粘性土中時(shí)Nc*取 0。

由上式可見(jiàn)，要想通過(guò)理論計(jì)算得到樁的豎向承載力值，必須先知道樁穿過(guò)各層土的厚度，以及借由土工試驗(yàn)獲悉每種土類的c值和φ值，即土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。在土工試驗(yàn)中是通過(guò)做三軸試驗(yàn)得到土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的。在試驗(yàn)過(guò)程中三軸儀可測(cè)量圍壓、軸壓、試樣中孔隙壓力、軸向壓縮量以及排水狀態(tài)下土樣的排水量。試驗(yàn)依據(jù)施加圍壓時(shí)排不排水和施加軸壓時(shí)排不排水可分為不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水三種，不同的試驗(yàn)方法，所測(cè)得的指標(biāo)是有差別的，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況具體分析，以選擇基本符合實(shí)際工程受荷情況的試驗(yàn)方法[4]。本工程中依據(jù)具體的情況，對(duì)飽和粘土試樣做不固結(jié)不排水試驗(yàn)，對(duì)于施工中可能受到強(qiáng)烈擾動(dòng)的土體的試樣，做固結(jié)不排水試驗(yàn)以反映正常固結(jié)土和超固結(jié)土在地基快速加荷時(shí)的抗剪強(qiáng)度性狀，對(duì)于離樁距離較遠(yuǎn)或其受荷方式主要是緩慢增加的靜力荷載的土體的試樣，做固結(jié)排水試驗(yàn)以模擬其緩慢受荷的真實(shí)情況。對(duì)由三軸試驗(yàn)得到分別從不同深度處取得的不同土體試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)后，便可代入單樁豎向承載力計(jì)算公式中得到豎向承載力特征值，見(jiàn)表2。

3.3 計(jì)算樁基沉降的階段

本工程為海上風(fēng)電場(chǎng)，數(shù)量較多的風(fēng)機(jī)屆時(shí)將整齊排列在淺海區(qū)域，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011中推薦的不考慮樁間土的壓縮變形對(duì)沉降的影響的樁沉降計(jì)算公式，采用單向壓縮分層總和法按下式計(jì)算樁基礎(chǔ)的最終沉降量：

（2）

式中：s——樁基最終計(jì)算沉降量;

m——樁端平面以下壓縮層范圍內(nèi)土層總數(shù);

m——樁端平面以下第j層土第i個(gè)分層在自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)

力作用段的壓縮模量;

nj——樁端平面下第 j 層土的計(jì)算分層數(shù);

hj，i——樁端平面下第 j 層土的第 i 個(gè)分層厚度;

σj，i ——樁端平面下第 j 層土第 i 個(gè)分層的豎向附加應(yīng)力;

Ψp——樁基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

由上式可看出，要算樁基沉降量，必要的參數(shù)是關(guān)于土層分布的相關(guān)信息和每層土在自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)力作用段的壓縮模量。而每層土的自重應(yīng)力和土的壓縮模量仍需要根據(jù)土工試驗(yàn)來(lái)得到。

3.4 考慮地震作用對(duì)飽和砂土體液化的影響階段

在地震作用時(shí)，由于強(qiáng)烈地面運(yùn)動(dòng)迫使飽和砂土顆粒間發(fā)生相對(duì)位移，土顆粒結(jié)構(gòu)逐漸趨于密實(shí)，孔隙水壓力急劇增加，使得土顆粒間有效應(yīng)力迅速減小直至消失，局部或全部的砂土顆粒處于懸浮狀態(tài)，從而導(dǎo)致地下水位以下的飽和砂土發(fā)生液化[5]。地震作用下土體的液化會(huì)導(dǎo)致土體喪失絕大部分承載力，對(duì)建筑將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。判定液化往往只針對(duì)砂、粉土，按《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定，飽和的砂土或粉土（不含黃土）， 當(dāng)符合下列條件之一時(shí)，可初步判別為不液化或可不考慮液化影響：

1、地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世（Q3）及其以前時(shí)，7、8 度時(shí)可判為不液化。

2、粉土的粘粒（粒徑小于 0.005mm的顆粒）含量百分率，7 度 8 度和 9 度分別不小于 10、13和16時(shí)，可判為不液化土。

3、淺埋天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時(shí)，可不考慮液化影響：

du? >d0 +db? -2

dw? >d0 +db -3

du+dw > 1.5d0 + 2db ? 4.5

式中：

dw—— 地下水位深度（m），宜按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用;

du—— 上覆蓋非液化土層厚度（m），計(jì)算時(shí)宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除;

db —— 基礎(chǔ)埋置深度（m），不超過(guò)2m 時(shí)應(yīng)采用2m;

d0—— 液化土特征深度（m），可按《巖土工程勘察規(guī)范》中表 4.3.3 采用。

從上述規(guī)范給出的土體液化判定方法可看出，在這一階段仍需要土工試驗(yàn)的結(jié)果。但本項(xiàng)目場(chǎng)地地震烈度為Ⅶ度，飽和粉土地質(zhì)年代為Q3，且上覆土層厚度為38.2-79.8米，因此，可不進(jìn)一步進(jìn)行液化差別。

4? 小結(jié)

通過(guò)在樁基建設(shè)過(guò)程中所采用土工試驗(yàn)結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)：

伴隨建設(shè)全過(guò)程所做的各種土工試驗(yàn)，既為樁基的建設(shè)查清了地質(zhì)情況，也為樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及理論分析提供了各種需求。在樁基建設(shè)中的劃分地層階段、計(jì)算樁的承載力階段、計(jì)算樁基沉降的階段、考慮地震作用對(duì)土體影響的階段，分別采用了各種土工試驗(yàn)的成果，土工試驗(yàn)得以以具體的不同的方式分別參與到工程建設(shè)中和理論分析中去。

目前工程中土工試驗(yàn)工作和其它范疇的工作劃分比較明顯，但從整個(gè)土木工程背景來(lái)看，土工試驗(yàn)和工程建設(shè)以及力學(xué)理論分析的聯(lián)系十分密切，其聯(lián)系均可以在一個(gè)大的整體背景下進(jìn)行闡述。分析并闡明這種有機(jī)聯(lián)系，可作為改進(jìn)土工試驗(yàn)的下一個(gè)突破點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)/References

[1] 李治朋，張宇亭，馬希磊，何斌.顆粒分析試驗(yàn)方法的論證[J].水道港口，2012，33（06）：540-543.

[2] 呂永高，欒法忠.土的液限和塑限含水量試驗(yàn)探討[J]. 山西建筑， 2007， 33（13）：81-82.

[3 ]王勇，肖正華，余雄飛.國(guó)內(nèi)外單樁承載力估算方法對(duì)比與探討[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（04）：488-491.

[4] 羅相杰，宋勇軍主編;張海龍副主編.土工試驗(yàn)：北京理工大學(xué)出版社，2012.05.

[5] 地震引起的地基土液化分析.