专利名称：基于多功能孔压静力触探技术的预测桩基承载力的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于多功能CPTU的预测桩基承载力的方法，属于土木工程领域 中一种新的桩基设计方法。
背景技术：
静力触探技术(CPT)是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通 过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的 变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静 力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测 式静力触探并应用于工程勘察。现代数字式多功能孔压静力触探技术(以下简称多功能 CPTU)是20世纪80年代在国际上兴起的新型原位测试技术，与我国传统的单双桥静探相 比，具有理论系统、功能齐全、参数准确、精度高、稳定性好等优点。既可以用超孔压的灵敏 性准确划分土层、进行土类判别，又可求取土的原位固结系数、渗透系数、动力参数、结构参 数、地基承载特性等，在国外土木工程设计中已得到广泛应用。CPT可以认为是一种小尺寸的模型桩，整个CPT探头贯入可以视为模型桩的贯入 过程，桩基承载力的计算仍是静力触探最重要的应用之一。国内应用CPT试验确定桩基承 载力的方法很多，但应用这些方法估算出来的承载力与静载试验等其他一些原位测试方法 相比误差较大，在工程应用中更多的是依靠地区性经验。由于这些公式都是在孔压静力触 探出现前提出的，探头在土中的贯入过程产生的超孔压对所测锥尖阻力和侧摩阻力的影响 被忽略了，因此造成较大误差。目前国内外学者已经开始重视探头贯入过程产生的超孔压 对桩基承载力的影响，因此，应用孔压静力触探所能测得的孔压，合理地对现有公式进行修 正，提出考虑超孔压影响因素的适合工程实践的桩基承载力估算公式是很有意义的。
发明内容
技术问题本发明要解决的技术问题是针对国内现有单双桥静探技术存在的缺 陷，提出一种基于多功能CPTU预测桩基承载力的方法。技术方案由于桩型、打桩方式以及土类的不同，使得预测桩基承载力和沉降变得 十分复杂；一般地，压入桩能够将土层密实，而钻孔桩却能使同种土层疏松。因此，在桩基设 计过程中，需要考虑这些因素，常使用一些经验公式。桩的竖向承载力Qult由两部分组成桩端阻力Qb和桩侧摩擦力Qs，在砂土中，Qb占 优势；在粘土中，Qs占优势。竖向极限承载力Qult和各组成部分按下列公式计算。Qult = Qs+QbQb = qpApQs = fpAs式中，、为极限桩端阻力；Ap为桩端截面积；fp为极限桩侧摩擦力；AS为桩侧面积。很明显，在桩的不同部位，&值是不同的，因此，在实际应用中，(^为各部分桩侧摩阻力之和。允许承载力或承载力设计值Qall为Qult除上一个安全系数，有时要Qs和Qb分别 除以安全系数来计算。桩的单位端阻(qp)由修正锥尖阻力(qt)计算，桩的单位侧摩阻力(fp)由侧壁摩 阻力(fs)或修正锥尖阻力(qt)剖面得到，根据桩径和探头直径的差异对阻力值进行修正。本发明所述多功能孔压静力触探探头上半段连接探杆，采用卡车液压贯入系统将 连接探杆的探头贯入土层中，在该探头下半段设有三分量地震检波器，在三分量地震检波 器的下部设有测斜仪，摩擦筒位于测斜仪的下方，在摩擦筒的中部设有孔隙水压力传感器， 在摩擦筒的下方连接有探头，孔压过滤环位于摩擦筒与探头的连接处。探头的锥角为60°， 锥底截面积为10cm2。本发明以江苏连盐高速公路新沂河特大桥桩基工程为例，土层自上而下分别为 素填土、粘土、淤泥、粉质粘土、含砂礓粉质粘土。采用大直径钻孔灌注桩进行加固，桩径 1800mm,设计桩长56m，桩尖持力层位于含砂礓粉质粘土。根据现场采集的数据，按照中华人 民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003,并结合CAPWAPC软件分析结果， 对2根钻孔灌注混凝土桩进行了高应变检测。桩侧摩阻力(fp)与CPTU侧壁摩阻力(fs)具有相关关系，而在不同的土类中，CPTU 贯入过程中产生的孔压差别很大。本发明基于钻孔灌注桩场地CPTU试验和试验桩资料，提 出了基于超孔隙水压力和侧壁摩阻力(fs)预测桩侧摩阻力(fp)的折线法，该法考虑了不同 土类的影响。针对不同的土类，采用不同的线性关系。桩侧摩阻力(fp)的预测通过在淤泥、 淤泥质土、粘土和粉质粘土等不同土类条件下，对灌注桩试验得到如下关系，如图2所示。
r n 、,，, r , Aw,+380、，当u2 < 200kPa ,fp = ( ； )fs当200 < u2 < lOOOkPa ,fp = (~2—~)fs其中，AU2 = U2_U0由单位桩侧摩阻力(fp)沿桩周求和可以得到桩侧摩阻力(Qsu) :QSU = E fp ji d dz。d是桩的直径，粘土中，单位桩端阻直接从有效锥尖阻力得到粘土qp = qt-u2砂土中，根据Mayne (2001)建议从实用角度取qp = 0. lqt通过单位桩端阻力(qp)乘以桩底面积即可得到桩端阻力(Qbu) :Qbu = qp (Ji d2) /4。有益效果本发明所述基于多功能CPTU折线法是计算桩基承载力新方法，该方法 是在统计大量不同场地CPTU试验成果的基础之上提出的。该方法尤其适用于打入桩、静压 桩和钻孔灌注桩承载力计算。针对新沂河特大桥钻孔灌注桩折线法计算结果汇总如表1。表1CPTU折线法计算单桩承载力桩号13-1
土层素填土粘土淤泥粉质粘 土粉质粘 土含砂礓 粉质粘总计土土层深度(m)0.71.112.22.32.144静探平均锥尖 阻力(MPa)1.180.460.301.561.382.05静探平均侧阻 力(kPa)883497339115计算桩侧阻力 (kN)2646321834774731912313558计算桩端阻力 (kN)521极限承载力 (kN)桩号47-:214079含砂礓含砂礓含砂礓土层素填土粘土淤泥粉质粘 土粉质粘 土粉质粘 土总计土层深度(m)0.60.712.03.02.237.5静探平均锥尖 阻力(MPa)1.310.320.281.801.582.03静探平均侧阻 力(kPa)9096106040101计算桩侧阻力 (kN)1735551931884673799712213计算桩端阻力 (kN)518极限承载力 (kN)12731 计算结果表明，采用直接的CPTU折线法计算结果最接近高应变试验所得承载力 值，误差在5%以内。
图1是本发明采用的多功能CPTU探头原理图；其中有探头1，孔压过滤环2，摩擦筒3，测斜仪4，三分量地震检波器5，探杆6。图2是本发明由仁和Au来确定桩侧摩阻力(fp)的示意图。
具体实施例方式本发明的多功能孔压静力触探探头，其特征在于在该探头顶部连接探杆6，在该探 头下半段设有三分量地震检波器5，在三分量地震检波器5的下部设有测斜仪4，摩擦筒3 位于测斜仪4的下方，在摩擦筒3的下方连接有探头1，孔压过滤环2位于摩擦筒3与探头 1的连接处。探头1的锥角为60°，锥底截面积为10cm2。桩侧摩阻力(fp)与CPTU侧壁摩阻力(fs)具有相关关系，而在不同的土类中，CPTU 贯入过程中产生的孔压差别很大。本发明基于灌注桩场地CPTU试验和试验桩资料，提出了 基于超孔隙水压力和侧壁摩阻力(fs)预测桩侧摩阻力(fp)的折线法，该法考虑了不同土类 的影响。针对不同的土类，采用不同的线性关系。桩侧摩阻力(fp)的预测通过在淤泥、淤 泥质土、粘土和粉质粘土等不同土类条件下，对灌注桩试验得到如下关系，如图2所示。
r、,，, , ,AW2 +380、，当u2 < 200kPa :fp = ( ^ )fs当 200 < u2 < lOOOkPa -Jp = (~2—~)fs其中，Au = u2-u0由单位桩侧摩阻力(fp)沿桩周求和可以得到桩侧摩擦力(Qsu)Qsu = E fp d dz。粘土中，单位桩端阻直接从有效锥尖阻力得到粘土qp = qt-u2砂土中，根据Mayne (2001)建议从实用角度取qp = 0. lqt通过单位桩端阻力(qp)乘以桩底面积即可得到桩端阻力(Qbu) :Qbu = qp (Ji d2) /4。
权利要求
一种基于多功能孔压静力触探探头，其特征在于在该探头上部连接探杆(6)；在该探头下半段的上部设有三分量地震检波器(5)，在三分量地震检波器(5)的下部设有测斜仪(4)，摩擦筒(3)位于测斜仪(4)的下方，在摩擦筒(3)的下方连接有探头(1)，孔压过滤环(2)位于摩擦筒(3)与探头(1)的连接处。
2.根据权利要求1所述的基于多功能孔压静力触探探头，其特征在于探头(1)的锥角 为60°，锥底截面积为10cm2，摩擦筒表面积为150cm2。
3.根据权利要求1所述的基于多功能孔压静力触探探头，其特征在于孔压过滤环(2) 厚度为5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。
4.根据权利要求1所述的基于多功能孔压静力触探探头，其特征在于探头(1)和探杆 (6)直径相同，为35. 7mm。
5.一种如权利要求1所述的基于多功能孔压静力触探探头的预测桩基承载力的方法， 其特征在于采用折线法预测桩基承载力，单位桩端阻力qp由修正锥尖阻力qt计算，单位桩 侧阻fp由侧壁摩阻力fs和超孔隙水压力Au2相关关系得到；单位桩侧阻fp的预测通过在 淤泥、淤泥质土、粘土或粉质粘土等不同土类条件下，对灌注桩试验得到如下关系，当 u2 < 200kPa ,fp = ( 225Q )fs当 200 < u2 < lOOOkPa :fp = (—^~)fs其中，Au2 = u2-u0由单位桩侧摩阻力fp沿桩周求和可以得到桩极限侧阻力Qsu :QSU = E fp ji d dz ；d是桩的直径，粘土中，单位桩端阻直接从有效锥尖阻力得到粘土 qp = qt_u2砂土中，根据Mayne (2001)建议从实用角度取qp = 0. lqt通过单位桩端阻力qp乘以桩底面积即可得到桩极限端阻力Qbu :Qbu = qp(^ d2)/4 ；因此，桩极限承载力: =QSu+Qbu式中，Qult为桩极限承载力，Qsu为桩极限侧阻力，Qbu为桩极限端阻力。
全文摘要
基于多功能孔压静力触探探头及预测桩基承载力的方法涉及一种基于多功能CPTU的预测桩基承载力的方法，触探探头部连接探杆(6)；在该探头下半段的上部设有三分量地震检波器(5)，在三分量地震检波器(5)的下部设有测斜仪(4)，摩擦筒(3)位于测斜仪(4)的下方，在摩擦筒(3)的下方连接有探头(1)，孔压过滤环(2)位于摩擦筒(3)与探头(1)的连接处。预测桩基承载力的折线法，桩的单位端阻(qp)由修正锥尖阻力(qt)计算，桩的单位侧摩阻力(fp)由侧壁摩阻力(fs)和超孔隙水压力(Δu2)相关关系(折线法)得到，并将计算结果与高应变试验资料进行比较，给出了采用多功能CPTU测试参数如何进行桩基工程设计的具体公式。采用该方法，具有原位、快速、准确、经济等特点。
文档编号E02D33/00GK101979783SQ201010501620
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者刘松玉, 蔡国军 申请人:东南大学