鄧通發(fā)，曾峻雄，趙仲芳

（1.江西理工大學(xué)，a.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西贛州341000）

基于反分析方法的靜壓樁復(fù)壓力時(shí)效性研究

鄧通發(fā)1a，曾峻雄2，趙仲芳1b

（1.江西理工大學(xué)，a.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西贛州341000）

用優(yōu)化方法對(duì)前人得出的靜壓樁復(fù)壓力時(shí)效性增長(zhǎng)曲線(xiàn)進(jìn)行參數(shù)反演，確定反分析目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)工程試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證分析，認(rèn)為根據(jù)反演所得增長(zhǎng)曲線(xiàn)可用于估算其他施工方法、樁長(zhǎng)、直徑、場(chǎng)地地質(zhì)等相似條件下的靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)，其結(jié)果可為靜壓樁設(shè)計(jì)及施工提供有益參考.

靜壓樁；反分析；復(fù)壓力；時(shí)效性

0 引言

相對(duì)打樁而言，靜壓預(yù)制樁無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng),沉樁時(shí)樁身不出現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力，因而可降低樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)和減少配筋.相對(duì)灌注樁而言，靜壓預(yù)制樁無(wú)泥漿等污染，預(yù)制樁體的質(zhì)量更可靠，沉樁時(shí)還可以直接顯示壓樁力（沉樁阻力），用于更合理地確定靜壓樁的復(fù)壓力和樁長(zhǎng).基于上述優(yōu)點(diǎn)，并隨著壓樁機(jī)壓樁能力的提升，靜壓樁在沿海軟土地區(qū)以及人口密集的大城市得以廣泛應(yīng)用.

靜壓樁貫入土層時(shí)，樁位處土體被擠裂，樁周土體被重塑、擾動(dòng)，原土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，改變了其工程性質(zhì)，樁周土體的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生改變.靜壓樁沉樁后，樁周土體中產(chǎn)生的超孔隙水壓力會(huì)消散，土體再固結(jié)，其有效應(yīng)力增大；重塑土體觸變恢復(fù)，樁周土體的抗剪強(qiáng)度增加；樁周土體固結(jié)和觸變恢復(fù)，會(huì)在樁周形成一土體硬殼層，該硬殼層的抗剪強(qiáng)度高于周?chē)馏w的抗剪強(qiáng)度，在樁體受到豎向荷載作用時(shí)，該硬殼層粘附于樁體一起移動(dòng)，樁-土剪切面發(fā)生于該硬殼層外，增大了側(cè)表面摩擦面積，從而提高樁的復(fù)壓力.因此，靜壓樁復(fù)壓力具有時(shí)效性，其時(shí)效性是土體觸變恢復(fù)時(shí)效和固結(jié)時(shí)效的反映.

靜壓樁終壓時(shí)，可以很方便地獲知最終壓樁力，即知道研究靜壓樁時(shí)間效應(yīng)這一問(wèn)題中時(shí)間為零時(shí)的極限荷載；而且，靜力壓樁機(jī)一般能自行移動(dòng)，可以方便地間隔一定時(shí)間對(duì)已壓樁進(jìn)行重復(fù)施壓，獲得任意時(shí)刻的復(fù)壓力（相當(dāng)于極限荷載）.這使得研究靜壓樁復(fù)壓力時(shí)間效應(yīng)比打入樁等更方便.工程實(shí)踐中，合理估計(jì)樁的復(fù)壓力對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)省工程投資具有重要的意義.文中根據(jù)靜壓樁終壓力與復(fù)壓力數(shù)據(jù)反分析其復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)參數(shù)，研究靜壓樁復(fù)壓力的時(shí)效性[1-2].

1 靜壓樁復(fù)壓力時(shí)效性反分析

1.1 復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)

李雄等[3]根據(jù)打入樁不同時(shí)間間隔的靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式表明樁復(fù)壓力呈雙曲線(xiàn)增長(zhǎng).張明義等[4-5]進(jìn)行了樁-土滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)研究，認(rèn)為樁-土摩阻力的提高與土體的觸變恢復(fù)規(guī)律基本相同，符合雙曲線(xiàn)增長(zhǎng)規(guī)律.張明義等[4]研究了靜壓樁復(fù)壓力的時(shí)效性，復(fù)壓試驗(yàn)和靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖亦為雙曲線(xiàn).因此，靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)一般表示為：

式（1）中：ηut為靜壓樁極限復(fù)壓力提高的百分?jǐn)?shù)/%，t為樁設(shè)置后的時(shí)間/d，a、b為常數(shù).

于是，可推算出不同時(shí)刻靜壓樁的極限復(fù)壓力，即

式（2）中：Qut為靜壓樁在復(fù)壓時(shí)刻的極限復(fù)壓力/kN，Q0為靜壓樁施工時(shí)的最終壓樁力/kN，ηut由式（1）確定.

1.2 反分析目標(biāo)函數(shù)的確定和檢驗(yàn)

用優(yōu)化方法[6-7]進(jìn)行靜壓樁復(fù)壓力時(shí)效性增長(zhǎng)曲線(xiàn)參數(shù)反演，實(shí)質(zhì)就是尋找一組待反演的參數(shù)，使根據(jù)反演所得的靜壓樁復(fù)壓力時(shí)效性增長(zhǎng)曲線(xiàn)計(jì)算的復(fù)壓力與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)壓得到的實(shí)測(cè)值逼近.將公式（1）代入公式（2），并進(jìn)行整理

實(shí)際工程中，由于靜壓樁樁周土體的觸變恢復(fù)和固結(jié)，其復(fù)壓力一般表現(xiàn)為增大的特性，也就是說(shuō)，靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)函數(shù)，即公式（1）為單調(diào)遞增函數(shù).并且，公式（1）中，t→∞此，反演參數(shù)應(yīng)為正值.目標(biāo)函數(shù)取為

式（5）中，x為待反演參數(shù)，x=[a b]T；Si（x）為由終壓力和復(fù)壓力變換來(lái)的新參量；為靜壓樁第i個(gè)復(fù)

壓力的實(shí)測(cè)值；N為復(fù)壓數(shù)；ni為第i根樁復(fù)壓次數(shù).

采用反分析預(yù)測(cè)靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)規(guī)律的擬合效果可以用均方根誤差RMSE(Root mean square error)、模型效率EF(Modelling efficiency)進(jìn)行檢驗(yàn)[8-10]，計(jì)算公式為式（6）、（7）.

RMES（%）表示觀測(cè)值yi和預(yù)測(cè)值間差異相對(duì)于觀測(cè)值平均數(shù)yˉ的百分比（分子）,其大小反映所用模型擬合時(shí)的相對(duì)誤差.RMES（%）值越小,表示模擬越精確.

EF是評(píng)價(jià)模擬精確度的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)值.顯然EF越接近1越好,取值范圍為[0,1].

2 工程實(shí)例驗(yàn)證

分別取文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)靜壓樁終壓力和復(fù)壓力數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2.

表1 實(shí)測(cè)填土靜壓管樁最終壓樁力及復(fù)壓數(shù)據(jù)

表2 實(shí)測(cè)深厚軟土靜壓開(kāi)口管樁最終壓樁力及復(fù)壓數(shù)據(jù)

由于該反演問(wèn)題是帶約束條件的線(xiàn)性最小二乘問(wèn)題，用Matlab求解反演參數(shù).采用表1、表2中1#、2#、3#樁的實(shí)測(cè)最終壓樁力與不同時(shí)間的復(fù)壓力進(jìn)行參數(shù)反演，得到對(duì)應(yīng)的復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn).靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的比較如圖1、圖2所示，RMSE分別為6.98%、4.79%，EF分別為0.936、0.978擬合效果較好.

圖1 填土靜壓管樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)

圖2 深厚軟土靜壓管樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)

為再次驗(yàn)證基于反分析確定靜壓樁復(fù)壓力的可行性.在江西贛州某粉質(zhì)粘土靜壓樁工程中，根據(jù)兩組實(shí)測(cè)終壓力和復(fù)壓力數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）進(jìn)行參數(shù)反演，得到對(duì)應(yīng)的復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）.用反演參數(shù)對(duì)應(yīng)的靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)對(duì)3＃樁復(fù)壓力增長(zhǎng)情況進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖4所示，說(shuō)明用較少的試樁基于反分析方法確定靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)情況，再對(duì)其它樁的復(fù)壓力增長(zhǎng)進(jìn)行估計(jì)，是可行的.

表3 試驗(yàn)樁的最終壓樁力及復(fù)壓情況

圖3 試驗(yàn)靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)

圖4 靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)規(guī)律驗(yàn)證

由于不同樁的長(zhǎng)度不同，樁直徑、樁型有時(shí)也不同，樁位處的土層存在差異等方面的原因，用一個(gè)場(chǎng)地反演曲線(xiàn)估算另一個(gè)場(chǎng)地的靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)情況，可能不準(zhǔn).并且，有時(shí)在同一個(gè)場(chǎng)地，由于土層差異大等因素影響，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)太離散，復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)規(guī)律性也不顯著.但這種方法對(duì)相近情況下，估算靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)是有指導(dǎo)意義的.

3 結(jié)論

（1）文中1#至3#樁樁的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，靜壓樁的復(fù)壓力具有時(shí)效性.

（2）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析也表明，用靜壓樁的壓樁數(shù)據(jù)進(jìn)行其復(fù)壓力的時(shí)效性研究是可行的.反演參數(shù)確定的靜壓樁復(fù)壓力增長(zhǎng)曲線(xiàn)可用于估算其它靜壓樁的復(fù)壓力增長(zhǎng)情況，但場(chǎng)地差異可能會(huì)影響估算的準(zhǔn)確性，需要更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究.

（3）靜壓樁的終壓力和復(fù)壓起動(dòng)壓樁力與靜載荷試驗(yàn)確定的樁承載力是不同的，它們之間的關(guān)系應(yīng)該作更深入地研究.

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Time effect study of jacked piles re-pressure based on anti-analysis method

DENG Tong-fa1a,ZENG Jun-xiong2,ZHAO Zhong-fang1b
(1.Jiangxi University of Science and Technology,a.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering;b.School of Resource andEnvironmental Engineering,Ganzhou 341000,China;2.Jiangxi Province Gannan Highway Surveying and Designing Institute,Ganzhou 341000,China)

Parametric inversion is conducted for growth curve of the jacked pile re-pressure.Then the target function used for anti-analysis is determined.Through verification analysis on testing data in engineering,it is proved that the growth curve obtained by parametric inversion can be used to estimate the re-pressure growth of statically pressure piles with similar geological conditions,construction methods,pile length and pile diameter.The results of this paper are instructive and constructive to the jacked pile design and construction.

statically pressed pile(jacked pile);Anti-analysis;re-pressure;time effect

TU473.1

A

2011-12-20

江西省教育廳科技資助項(xiàng)目（GJJ10486）

鄧通發(fā)（1980-），男，碩士，講師，主要從事巖土工程等方面的研究，E-mail：dbdtf@163.com.

2095-3046（2012）03-0026-04