邵平 李興熠

摘 要? 本文從土工試驗和工程實際以及力學(xué)原理間有機聯(lián)系的角度，針對某項目樁基建設(shè)過程中各階段所做的土工試驗，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)原理背景下深化對土工試驗的理解，對我們改進(jìn)土工試驗方法、更好地利用土工試驗成果有積極作用。

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

中圖分類號：TU41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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，而土工試驗則是巖土工程勘察的重要組成部分。當(dāng)前在土工試驗的實踐和理論研究中，土工試驗卻成了一個幾乎獨立的部分：在項目部上土工試驗部門可以不關(guān)心現(xiàn)場工作;在關(guān)于土工試驗的研究中也都主要集中在如何改進(jìn)試驗儀器、方法、數(shù)據(jù)處理方式，以得到更精確的試樣參數(shù)方面，而較少從土工試驗和其它土木范疇的聯(lián)系的角度來談土工試驗。為什么要做土工試驗？土工試驗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)致土工試驗從業(yè)人員空有豐富的試驗經(jīng)驗，卻不能從土工試驗和土木工程其它范疇間聯(lián)系的高度來反思試驗本身;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)理論的考慮而對土工試驗提出一些要求，卻往往考慮不到試驗的實際可操作性。本文就某項目的樁基建設(shè)過程，分析在各階段土工試驗如何參與工程建設(shè)、分析試驗所得到的各參數(shù)在樁基礎(chǔ)相關(guān)理論中所占的地置。

2? 項目概況

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

海底地形由南向北傾斜，地形平坦開闊，擬建場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法滿足擬建風(fēng)機的承載力要求，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? 土工試驗如何參與到工程建設(shè)和理論分析中

該項目是海上工程，海底淺層土質(zhì)不能滿足建筑物對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題?，F(xiàn)將首先要面對的問題歸納如下：

1.場地地層組成如何？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

首先確定場地地質(zhì)情況，即對場地一定深度范圍內(nèi)的土進(jìn)行分類分層。本項目根據(jù)地層巖性、時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土工試驗提出要求的地方，即要求做土的顆粒分析試驗和界限含水率試驗。顆粒分析試驗是土的常規(guī)試驗之一，對土樣進(jìn)行顆粒分析試驗，能夠定量描述土粒中各個粒組的含量，為土的工程分類和了解土的工程性質(zhì)提供依據(jù)[1]。界限含水率試驗需采用液塑限聯(lián)合測定法[2]，分別對不同深度處取出的土樣做這些試驗，取部分試驗結(jié)果如表1所示。

3.2 計算樁的承載力階段

初步了解場地內(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)時所能承受的最大軸向靜荷載，它取決于土對樁的支承力和樁身材料強度，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重要環(huán)節(jié)[3]。土對樁的支承力分為樁側(cè)摩阻力和樁端阻力兩部分，其計算方法根據(jù)不同樁型各有不同，但均要依靠土的物理性質(zhì)。為靜力法和動力法兩大類。前者根據(jù)室內(nèi)和原位土工試驗的資料，后者則根據(jù)沉樁過程中或沉樁后的現(xiàn)場動力測試的資料，然后應(yīng)用理論分析方法或者應(yīng)用工程實踐經(jīng)驗來估算單樁承載力。靜力法可分為經(jīng)驗公式法、理論計算法、現(xiàn)場靜載試驗法等。動力法可分為打樁公式法、應(yīng)力波動方程法等?！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單樁靜載試驗確定，靜力觸探等原位試驗為輔，重在突出現(xiàn)場試驗所測數(shù)據(jù)的直接性和真實性。而本文重點則放在闡明土工試驗所得參數(shù)在樁基礎(chǔ)理論計算中所扮演的角色，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外廣泛采用，用來和現(xiàn)場試驗結(jié)果相互驗證。并著重論述當(dāng)采用此種理論計算時，需要做哪些特定的土工試驗以及做這些特定的土工試驗的必要性。

此理論中單樁承載力的一般表達(dá)式如下：

（1）

式中

up——樁身周邊長度;

ca——樁-土之間的附著力，當(dāng)樁設(shè)在無粘性土中時取 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、圓形時的形狀系數(shù);

Nc*、Nq*——條形基礎(chǔ)無量綱的承載力因數(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Nc*取 0。

由上式可見，要想通過理論計算得到樁的豎向承載力值，必須先知道樁穿過各層土的厚度，以及借由土工試驗獲悉每種土類的c值和φ值，即土的抗剪強度指標(biāo)。在土工試驗中是通過做三軸試驗得到土的抗剪強度指標(biāo)的。在試驗過程中三軸儀可測量圍壓、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。試驗依據(jù)施加圍壓時排不排水和施加軸壓時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，不同的試驗方法，所測得的指標(biāo)是有差別的，應(yīng)根據(jù)工程的實際情況具體分析，以選擇基本符合實際工程受荷情況的試驗方法[4]。本工程中依據(jù)具體的情況，對飽和粘土試樣做不固結(jié)不排水試驗，對于施工中可能受到強烈擾動的土體的試樣，做固結(jié)不排水試驗以反映正常固結(jié)土和超固結(jié)土在地基快速加荷時的抗剪強度性狀，對于離樁距離較遠(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)排水試驗以模擬其緩慢受荷的真實情況。對由三軸試驗得到分別從不同深度處取得的不同土體試樣的抗剪強度指標(biāo)后，便可代入單樁豎向承載力計算公式中得到豎向承載力特征值，見表2。

3.3 計算樁基沉降的階段

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

（2）

式中：s——樁基最終計算沉降量;

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 層土的計算分層數(shù);

hj，i——樁端平面下第 j 層土的第 i 個分層厚度;

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

Ψp——樁基沉降計算經(jīng)驗系數(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)土工試驗來得到。

3.4 考慮地震作用對飽和砂土體液化的影響階段

在地震作用時，由于強烈地面運動迫使飽和砂土顆粒間發(fā)生相對位移，土顆粒結(jié)構(gòu)逐漸趨于密實，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導(dǎo)致土體喪失絕大部分承載力，對建筑將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。判定液化往往只針對砂、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，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，7、8 度時可判為不液化。

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，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，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），計算時宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除;

db —— 基礎(chǔ)埋置深度（m），不超過2m 時應(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的結(jié)果。但本項目場地地震烈度為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)

通過在樁基建設(shè)過程中所采用土工試驗結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)：

伴隨建設(shè)全過程所做的各種土工試驗，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、計算樁的承載力階段、計算樁基沉降的階段、考慮地震作用對土體影響的階段，分別采用了各種土工試驗的成果，土工試驗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工作和其它范疇的工作劃分比較明顯，但從整個土木工程背景來看，土工試驗和工程建設(shè)以及力學(xué)理論分析的聯(lián)系十分密切，其聯(lián)系均可以在一個大的整體背景下進(jìn)行闡述。分析并闡明這種有機聯(lián)系，可作為改進(jìn)土工試驗的下一個突破點。

參考文獻(xiàn)/References

[1] 李治朋，張宇亭，馬希磊，何斌.顆粒分析試驗方法的論證[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探討[J]. 山西建筑， 2007， 33（13）：81-82.

[3 ]王勇，肖正華，余雄飛.國內(nèi)外單樁承載力估算方法對比與探討[J].新疆大學(xué)學(xué)報（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：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.