基于旁压试验的桩基承载力计算

王章

【摘要】旁压试验通过在试验深度测定土体变形和压力，进行土层指标计算。桩基工程广泛应用于工程建设中，桩基承载力的计算对工程意义重大，现行高层建筑岩土工程勘察标准中，利用旁压试验极限压力进行桩基承载力计算，实际试验中受各种外在因素影响，极限压力从旁压曲线识别较为困难，相比而言，临塑压力从旁压曲线上可读取度更高，故研究利用临塑压力进行桩基承载力计算，对工程意义重大。

【关键词】旁压;临塑压力;桩基承载力

旁压试验自1930年德国工程师Kogler提出后，已广泛应用于各类工程、各种岩土，成为重大工程岩土参数获取的主要测试手段。桩基础目前广泛应用于市政工程、水利工程及工业、民用建筑，但桩基础的受力情况较为复杂，如何合理评价基桩的承载力、提供合理的设计参数关系到工程安全及经济性，因此对桩基承载力的分析研究很有必要性。旁压试验作为一种原位测试手段，对土体扰动性相对较小，能够有效模拟土体的应变过程，因此研究利用旁压试验进行桩基承载力分析工程意义重大。

1、旁压试验原理

旁压试验是一种原位载荷手段，由旁压器、加压稳压装置、量测及控制装置等部分组成，通过自钻或者预钻，将旁压腔置于预定的试验位置，利用加压装置所产生的气压，作用于测管中的水面，并传至旁压器的测腔中，促使弹性膜发生形变膨胀，使土体产生径向变形，通過量测装置，量测应力和应变，即压力和测管水位变化（测腔体积变化），根据压力和水位变化（体积变化）曲线，通过各经验公式，进行地基土的参数指标估算。

2、规范中关于旁压的桩基承载力计算

《高层建筑岩土工程勘察标准》（以下简称“高规”）中，给出了关于旁压试验的计算单桩承载力的桩基设计参数，桩周土极限侧阻力详见下表1，极限端阻力计算公式如下：

粘性土：qps=2PL

粉  土：qps=2.5PL

砂  土：qps=3PL

表1 预制桩桩周土极限侧阻力qsis

钻孔灌注桩桩周土极限侧阻力qsis可按预制桩的70%～80%采用，极限端阻力可按预制桩的30%～40%采用。

从上述公式中可知，高规中单桩承载力计算以旁压试验中的极限压力PL为基础，进行相关参数的经验公式推断，主要考虑基桩承载力发挥时，需产生相对位移，而极限承载力的发挥，意味着桩土之间已经发生塑性破坏，因此经验参数采用了极限压力PL。

3、旁压试验参数初步分析

旁压试验是通过旁压腔的体变和压力变化，推导各项参数。压力变化通过压力测量装置，体积变化通过水位管测量。对于旁压试验，成孔质量直接关系到试验成果，要求孔壁做到圆整、竖直、光滑、孔壁尽量少扰动、试验孔径比旁压器外径大3mm～4mm。下图1为实际工程中遇到的几种情况。旁压试验过程中的土体变化大致可以分为三个阶段，第一阶段，土体恢复阶段，由于初始阶段土体受成孔影响而扰动，在加压后，土体快速压缩;第二阶段，似弹性变形阶段，当土体先期扰动影响减小后，进入弹性阶段，变形与压力呈线性变化;第三阶段，塑性变形阶段，随着压力的不断增加，土体由弹性阶段渐渐进入塑性阶段，直至破坏。从实际工程中的，各种情况旁压曲线可知，临塑压力PY，当土体从弹性到临塑过渡段完整时，可从旁压曲线上读取;当缩孔或扩孔严重时，后半段曲线不能完整显示时，无法读取临塑压力，下一阶段极限压力PL亦无法读取;极限压力一般为垂直于V轴的渐近线对应的压力，但受限于仪器自身的额定压力和体积变形量，极限压力的读取，需要根据线型进行预测，受人为主观因素影响较大。综上所述，旁压试验中，弹性到临塑段曲线相对较为完整，可以通过作图法从曲线中读取临塑压力，塑性阶段曲线受多种因素影响，大部分情况下，塑性阶段的后半段曲线无法完整显示，需通过推测曲线走向，从而获取极限压力。故考虑对采用临塑压力进行桩基承载力计算，相对来讲，可以避免对旁压曲线后续走向的推测，直接从曲线弹塑性过渡段获取临塑压力，能够提高数据可靠度。

图1    几种典型旁压试验图

4、工程实例分析

4.1工程地质概况

某工程位于上海市浦东新区张江地区，新建多层高层办公楼，场地属滨海平原地貌类型，根据勘察资料，试验涉及的地层主要为：①层填土、②层褐黄～灰黄色粉质粘土、③层灰色淤泥质粉质粘土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1层灰色粘土、⑤3层灰色粉质粘土夹粉土、⑤4层灰绿色粉质粘土、⑦1层草黄色砂质粉土、⑦2层灰黄色粉砂。土层分布详见表2：

4.2试验成果分析

旁压试验共布置了3个点，采用PM-2B型预钻型旁压仪，试验深度均为60m，试验间距2m～3m，试验前对仪器进行校正和率定，包括弹性膜约束力、综合体变系数率定。

根据旁压试验成果，分层统计出场地内各土层初始压力、临塑压力及极限压力，并根据高规中表8.3.13和公式8.3.13-3计算桩基设计参数，同时给出地质勘察报告中上海地区经验参数法所提桩基参数进行对照。具体详见表2：

根据上表中桩基参数，对于桩长45m，桩径700mm钻孔灌注桩，按上海地区经验参数法桩基承载力4667kN、按旁压试验计算承载力4263kN。同时收集了邻近场地的类似桩基的静载荷试验成果，承载力约4800kN，经验参数法计算的承载力与载荷试验基本一致，旁压试验承载力比静载荷试验承载力略小。由于旁压试验为快速载荷试验，且绝大数情况，试验达到终止条件时，并未达到土体的极限破坏，故通过旁压曲线作图法得出的极限压力有一定的偏差，从工程安全角度来讲，一般情况下，极限压力的取值偏于保守，所以基于极限压力计算所得的旁压试验承载力略小。

4.3临塑压力和极限压力相关性分析

本次试验共3个旁压孔，64个旁压试验点，对各试验点临塑压力和极限压力进行相关性统计分析如下：

图2    临塑压力和极限压力相关性分析图

根据统计分析结果，线性相关系数 R=0.9915，故临塑压力和极限压力具有明显的相关性，因此可考虑采用临塑压力替代极限压力进行桩基承载力计算分析。两者相关性公式如下：

Py = 0.5401PL + 75.851             （4.3-1）

4.4基于临塑压力的桩基承载力公式推导

根据苏辉等人“关于旁压试验的土体弹塑性本构模型的研究”，土体粘聚力和内摩擦角等对模型影响较大，并且主要影响弹塑性阶段，对弹性阶段基本影响。结合本文分析，综合考虑，对于旁压试验桩基承载力计算，采用临塑压力比极限压力具有更高的可靠性，且实际工程应用更方便，避免了极限压力人为取值的影响。

由于工程项目试验数据有限，尤其对于端阻试验点较少，故本次仅对临塑压力和侧阻力进行线性回归分析，端阻力通过前述公式4.3-1，结合高层规范进行换算，得出基于临塑压力的桩基参数公式如下：

粘性土：qsis = -6E-05 Py2 + 0.1251 Py – 2.5581                                                 （4.4-1）

qps = 1.080 Py+151.702              （4.4-2）

粉性、砂性土：qsis = 0.0329 Py +23.833

（4.4-3）

粉性土：qps = 1.350 Py+189.628

（4.4-4）

砂性土：qps = 1.620 Py+227.553

（4.4-5）

通過本次求得公式，利用临塑压力进行上述桩基承载力计算，得出单桩极限承载力4720kN，与静载荷试验基本一致。

结语：

旁压试验作为一种原位测试手段，高规提出了关于极限压力的桩基承载力计算，鉴于极限压力从旁压曲线上识别需推测曲线走向，对工程技术人员要求较高，而临塑压力从旁压曲线中相对较为容易识别，故本文对高规中关于旁压试验进行桩基承载力计算进行了修正，利用临塑压力进行桩基承载力计算，从一定程度上，可以减小因曲线弹塑性段不完整，极限压力无法识别的不影响，但考虑本工程试验数据较少，且未通过现场静载荷试验，未求取临塑压力和桩基设计参数的直接关系，因此实际工程应用中，应结合工程周边类似案例，参考使用。

参考文献：

[1]地基旁压试验技术标准（JGJ/T69-2019）中华人民共和国行业标准，2019.

[2]高层建筑岩土工程勘察标准（JGJ/T72-2017）中华人民共和国行业标准，2017.

[3]黄伟.旁压试验分析单桩竖向承载力[D].上海大学，2005.

[4]苏辉，顾国荣，杨石飞.基于旁压试验土体弹塑性本构模型初探[C].全国工程物探与岩土工程测试学术会议论文集，2015.

[5]工程地质手册（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.