摘要
由于触探施工装备能力限制，天津地区静力触探孔深度一般小于 30 m，采用静探数据一般用于估算桩长相对较短的预制桩的承载力，鲜有用静探数据估算钻孔灌注桩承载力的。本研究采用研发引进的超深静探设备，在天津平原地区触探深度可达到 50～70 m，以此为依托探索深部土层采用静探指标估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力的计算公式。通过开展项目测试，收集整理数据资料，比较按现行规范中双桥静力触探估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准值公式计算总侧阻力值与静载试验分析确定的总侧阻力值之间的偏差情况，试算拟合得到了更优的修正系数 βi计算公式，最终提出深部土层采用静探指标数据估算钻孔灌注桩极限侧阻力的计算公式，并结合工程试验结果进行了验证。
Abstract
Due to the limitations of static probing equipment, the depth of static cone penetration test (CPT) holes in Tianjin is usually less than 30 meters. CPT data are commonly used to estimate the bearing capacity of short prefabricated piles, and there are few instances of using to estimate the bearing capacity of bored piles. This study adopts a developed ultra-deep CPT equipment, with a probing depth of up to 50-70 meters in the plain area of Tianjin. Based on this, the calculation formula for estimating the vertical ultimate bearing capacity of bored pile using CPT data in deep soil layers is explored in this research. By conducting project testing, collecting and organizing data, and comparing the deviation between the total lateral resistance value calculated by the standard value formula for estimating the vertical ultimate bearing capacity of a single bored pile using the double bridge static penetration test in the current specifications and the total lateral resistance value determined by static load test analysis, a more optimal correction coefficient βi calculation formula was obtained through trial fitting. Finally, a calculation formula for estimating the ultimate lateral resistance of bored pile using CPT data and indicators was proposed for deep soil layers, and verified with engineering test results.
0 引言
桩的承载力估算因桩的种类、施工设备及岩土性质而千变万化，是工程地质领域非常复杂的问题，估算方法也有多种。自从 20 世纪 30 年代荷兰首次将静力触探用于推算桩的承载力以来，该法在西欧等许多国家得到推广（唐贤强等，1993；高颂东，2006）。中国从 20世纪 70年代以来也取得了一些成果。目前，有多达十几种静力触探确定桩承载力的方法（《岩土工程手册》编写委员会，1995；中华人民共和国住房和城乡建设部，2008；国家铁路局， 2018；《工程地质手册》编写委员会，2018；中交公路规划设计院有限公司，2019），这些方法多数属于地区性或某行业部门提出的经验方法，预制桩方面成果较多，灌注桩方面成果相对较少。近些年来，国内学者开展静力触探确定桩承载力的研究较多（王为民，1997；高颂东，2006；王文韬和刘元钊，2020； 赵勇刚，2021；丁剑桥，2023；刘丹和周玉凤，2023； 栾兆福，2024）。综合分析来看，国内外各种方法均认为桩的承载力分为桩端阻力和桩侧阻力，研究思路基本都是以不同方法将静力触探的锥尖阻力、侧摩阻力与桩的端阻、侧阻分别建立转换关系，各方法的区别主要是在计算桩端的取值范围、土类的分层、分类和修正系数等方面各有特点，其中关键问题是修正系数的取值。
此前，由于触探施工装备能力限制，天津地区静力触探孔深度一般小于30 m，静探数据一般只能用于估算桩长相对较短的预制桩的承载力，鲜有用静探数据估算钻孔灌注桩承载力的案例。本次与厂家联合研发引进超深静探设备，经工程试验，触探深度可达到 50～70 m，能满足天津地区大部分工程钻孔灌注桩评价深度。故以此为依托开展双桥静力触探估算钻孔灌注桩极限侧阻力的研究，旨在进一步拓展静力触探在岩土工程评价计算中的应用范围。
1 研究思路和方法
天津广大平原地区第四纪松散土层厚度大（天津市城乡建设委员会，2017），由于施工工艺及孔底沉渣等因素影响，钻孔灌注桩一般以摩擦桩为主，仅有少部分采用力学性质较优的粉土砂土层作为持力层并采取了沉渣控制工艺的桩能体现一定的端承力，但占比较低。摩擦桩的承载力主要由桩土之间的摩擦力提供，当超过极限承载力后，桩土之间产生滑动剪切，桩整体表现为刺入式破坏；体现到载荷试验曲线上为缓降型曲线，没有明显的转折点，不同于受桩身强度控制的水泥土桩的载荷试验曲线（刘奇，2022），也不同于嵌入稳定基岩、以桩端承载力为主的端承桩的破坏曲线。根据《建筑桩基检测技术规范》（JGJ 106-2014）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2014）等标准中对单桩竖向抗压静载试验的有关规定，对桩径小于800 mm的中小直径桩，一般取桩顶沉降 40 mm 所对应的荷载值作为单桩抗压极限承载力，对于桩径大于等于800 mm的桩则取桩顶位移达桩径 5%时所对应的荷载值。考虑到静载试验中桩身尚有一定的压缩变形，因此当按照规范标准确定极限承载力时，桩端实际位移一般都较小，桩端持力层端阻力难以充分发挥；尤其对清底不佳、孔底沉渣虚土较厚的普通钻孔灌注桩，破坏时端阻力未得到发挥。从目前掌握的多个天津地区项目钻孔灌注桩场外破坏性试桩静载检测资料来看，Ф600 mm钻孔灌注桩一般在桩沉降达到 17～20 mm 时达到极限承载力，Ф700 mm 钻孔灌注桩一般在桩端促进达到19～23 mm时达到极限承载力，进一步加载后桩沉降快速加大至 40 mm 以上甚至60 mm而呈现破坏，均是较明显的刺入式破坏。
国内学者对桩侧阻力的有关研究成果和综述表明，桩-土之间产生相对位移是桩侧阻力发挥的前提（陈航旭，2004；李辉等，2007；宋兵，2010）。一般把桩侧阻力达到极限值时所需要的桩土相对位移称为临界位移。较早的经验认为临界位移趋于定值，与桩径大小无关，略受土类、土性影响。20世纪 90 年代以来，国内学者研究表明，临界位移并非定值，而与桩径大小、施工工艺、土层性质有关，部分学者通过试验还发现临界位移受桩型、土层埋深等因素影响（丁建文，2005；钟闻华，2005）。其中侧阻力发挥达到极限时的桩土相对位移，即临界位移，对黏性土地基一般在8～15 mm，对砂类土，其值在21～25 mm，此后桩进一步沉降，端阻力开始发挥 （刘奎森，2010）。桩侧阻力达到极限值所需要的临界位移较桩身沉降而言是很小的，端阻力充分发挥需要的沉降位移相对侧阻力而言是比较大的（张亦静等，2006）。
本研究分析认为，天津平原地区桩身范围一般以黏性土为主，少部分区域夹不厚的砂土层，且钻孔灌注桩施工工艺多为正循环泥浆护壁成孔，孔底沉渣较厚（从多个项目的成孔检测显示灌注桩的沉渣厚度在74～88 mm），桩的承载力主要以桩土间摩擦力为主；只有采用桩端后注浆等工艺使桩端部位得到处理和加固，才能一定程度减小钻孔灌注桩孔底沉渣影响，端阻力才有一定的发挥。因此，本次研究深部土层以静探指标估算钻孔灌注桩极限侧阻力为主，对难以稳定发挥的桩端阻力作为安全储备不予计算。
基于此思路，本研究采取的方法是：收集既开展了静力触探测试工作，又采用钻孔灌注桩并进行了试桩静载试验的典型工程案例资料，参照前述文献分析情况以及桩基检测规范，根据静载试验曲线及结果分析其极限抗压承载力和总侧阻力；然后利用试桩附近静探资料，参考《建筑桩基技术规范 （JGJ 94-2008）》中双桥静力触探估算预制桩单桩竖向极限承载力方法，以及《铁路工程地质原位测试规程（TB 10018-2018）》中双桥静力触探估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准值公式，分别计算相同桩型的总侧阻力；比较计算值与静载试验分析确定的总侧阻力值，根据偏差情况不断调整公式中桩侧阻力修正系数βi，并重复计算侧阻力再进行比较，如此反复试算拟合，得出基于现有资料数据拟合出的相关性最优的修正系数βi计算公式。特别说明的是，在计算后注浆灌注桩承载力时，侧阻力增强系数 βsi 作为叠加系数，按照《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》取中值并参与计算。
表1获取的试桩及对应性静探孔汇总
2 双桥静力触探估算钻孔灌注桩极限侧阻力公式
2.1 获取数据资料情况
根据本研究获取到有效的对应性静探数据和试桩静载试验资料12组（12根桩），依据静载试验和前述学者分析研究得出的指导性思想，现将各试桩判定的总侧阻力以及对应的静力触探孔号等具体信息列于表1。其中武清万达广场项目部分静探孔深度未完全揭示桩端部位密实砂土持力层的，静探指标采用总体统计平均值；试桩 SZ1-1、SZ1-3 总侧阻力参考了该组多根同类试桩结果的平均值来确定。
2.2 桩侧阻力综合修正系数βi的研究结果
参照《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》有关公式，桩侧阻力综合修正系数βi也采取βi = M（ fsi）N 的形式来表达，将黏性土、粉土作为一类，砂土作为一类，分别确定不同的M、N参数组合。按照前述研究思路和方法，先采用《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》中双桥静力触探估算预制桩单桩竖向极限承载力方法，以及《铁路工程地质原位测试规程（TB 10018-2018）》中双桥静力触探估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力标准值公式和参数计算相应桩型的承载力，作为对比；再拟定不同的 M、N 参数组合对表1所列静探孔数据资料进行相应桩型的承载力计算，其中后注浆灌注桩的竖向增强段侧阻力增强系数 βsi 作为叠加系数，按照《建筑桩基技术规范 （JGJ 94-2008）》取中值并参与计算。将每一组M、N 参数计算得到的总侧阻力Qsk算与根据静载试验确定的侧阻力 Qsk测进行线性回归分析，按照两者线性关系斜率为 1、截距为 0的目标，不断调整 M、N参数再次计算和分析；直至得到Qsk测 = 1∙Qsk算线性关系时，认为此时 M、N 参数最优。试算选取的典型 M、N 参数组合及拟合结果详见表2，并参见图1。
表2桩侧阻力综合修正系数βi表达式典型参数试算拟合
从表2和图1可以看出，每一组计算得到的总侧阻力Qsk算与根据静载试验确定的总侧阻力Qsk测均具有良好的线性关系，R2 均在 0.99 以上，但 Qsk测与 Qsk算线性斜率则有差别。按《建筑桩基技术规范 （JGJ 94-2008）》中双桥静力触探估算预制桩承载力的公式直接估算钻孔灌注桩承载力，Qsk测/Qsk算仅 0.7194，表明估算值明显偏高。按《铁路工程地质原位测试规程（TB 10018-2018）》中根据双桥静力触探估算钻孔灌注桩承载力的公式进行计算，Qsk测/ Qsk算为0.9699，估算值略高，总体偏差不大。按照第 5组参数确定桩侧阻力综合修正系数 βi，再按照《建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）》中双桥静力触探估算预制桩承载力的公式形式计算钻孔灌注桩单桩承载力，Qsk测与 Qsk算线性斜率为 1，两者总体偏差度达到最小，此时的参数M、N最优。
本次研究利用掌握的资料，根据以上研究和分析讨论，得到利用双桥静力触探数据估算钻孔灌注桩单桩竖向抗压承载力的桩侧阻力综合修正系数βi 表达式如下：
第 i层土桩侧阻力综合修正系数 βi：黏性土、粉土，βi = 9.75（ fsi）-0.62；砂土，βi = 5.52（ fsi）-0.50 ；其中 fsi 为第i层土的探头平均侧阻力（kPa）。
2.3 双桥静力触探估算钻孔灌注桩侧阻力公式
综合上述分析研究，汇总得出适宜天津平原地区的双桥静力触探估算钻孔灌注桩单桩竖向侧阻力公式如下。
图1不同桩侧阻力修正系数βi试算侧阻力与静载确定侧阻力关系拟合
（1）普通钻孔灌注桩
对普通泥浆护壁钻孔灌注桩，总极限侧阻力计算公式如下：
(1)
式（1）中，Qsk为总极限侧阻力标准值（kN）；u为桩身周长（m）；li为桩周第i层土的厚度（m）；fsi为第i 层土的探头平均侧阻力（kPa）；βi为第 i层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土，βi = 9.75（ fsi）-0.62 ；砂土，βi = 5.52（ fsi）-0.50；
注：双桥探头的圆锥底面积为 15 m2，锥角 60°，摩擦套筒高21.85 m，侧面积300 m2。
（2）后注浆钻孔灌注桩
对采用桩端后注浆工艺的钻孔灌注桩，总极限侧阻力计算公式如下：
(2)
式（2）中，Qsk 为总极限侧阻力标准值（kN）；Qfsk 为非竖向增强段的极限侧阻力标准值（kN）；Qgsk 为后注浆竖向增强段的极限侧阻力标准值（kN）；u为桩身周长（m）；li为后注浆非竖向增强段每层土的厚度（m）；lgi 为后注浆竖向增强段内每层土的厚度 （m）；竖向增强段按照现行《建筑桩基技术规范（JGJ 94）》确定；fsi为第i层土的探头平均侧阻力（kPa）；βsi 为后注浆侧阻力增强系数，按现行《建筑桩基技术规范（JGJ 94）》取值；βi 为第 i 层土桩侧阻力综合修正系数，黏性土、粉土，βi = 9.75（ fsi）-0.62；砂土，βi = 5.52（ fsi）-0.50；
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。
3 公式验证分析
根据天津地区的多个工程项目的试桩及验桩资料，对上节给出的双桥静力触探估算钻孔灌注桩单桩竖向极限侧阻力公式进行验证。现根据试桩附近静探孔资料，将按前文公式估算单桩极限侧阻力以及静载试验结果列于表3。
根据表3结果绘制公式计算值/试验值的比值频数直方图及分布曲线（图2），由以上图表可以看出，公式计算值/试验值的比值总体在1.0左右，基本呈正态分布，其中比值0.95～1.00的占比最高，表明采用本研究提出的静力触探估算钻孔灌注桩极限侧阻力公式，计算结果可靠，总体上对天津平原地区具有适用性。需要说明的是，不同施工工艺对钻孔灌注桩的成桩质量及极限承载力存在影响（太永丽等，2023）。为进一步探讨本文提出的桩侧阻力计算公式对天津地区普通钻孔灌注桩和后注浆钻孔灌注桩两种常用工艺桩型的适用性和准确性，对公式计算值/试验值的比值进行分类分析，可以得出，7组后注浆钻孔灌注桩的比值平均值约 1.00，而13 组普通钻孔灌注桩的比值平均值约 0.96。以上结果表明，本文提出的公式对能够加固改善桩端沉渣和一定范围内桩侧泥皮的后注浆工艺估算精度更高，对普通泥浆护壁钻孔灌注桩的估算结果总体略偏小和偏保守；鉴于工程实践中普通泥浆护壁钻孔工艺难以对泥皮和沉渣实现稳定可靠的质量控制，估算结果是偏安全的。
表3公式估算值与静载试验结果对照分析
图2公式计算值/试验值的比值频数直方图及分布曲线
4 结论
本研究基于天津地区多个工程项目资料，通过反复试算拟合出相关性最优的修正系数 βi 计算公式，进而提出双桥静力触探估算钻孔灌注桩竖向极限侧阻力公式，现将有关认识总结如下：
（1）深部土层以静探指标估算钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力时以极限侧阻力为主，对于超长普通钻孔灌注桩，由于孔底沉渣较厚且难以清除干净，其无法稳定发挥的桩端阻力可作为安全储备，单桩极限抗压承载力计算时可不予计算。
（2）验证结果表明，公式计算值/试验值的比值为 0.84～1.06，基本呈正态分布，计算值与静载试验值相当或稍小，本文提出的静力触探估算钻孔灌注桩极限侧阻力公式对天津平原地区具有安全适用性。
（3）本文提出的公式对不同工艺钻孔灌注桩极限侧阻力的估算精度有所差异，对后注浆工艺估算精度更高；未来可进一步积累数据资料对不同工艺灌注桩承载力估算进行深化研究。