鄒圣鋒 石朗晶 黎桉君 張貴川

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土建類大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心，重慶 400716)

樁基設(shè)計可視化及其數(shù)據(jù)庫拓展研究探討★

鄒圣鋒 石朗晶 黎桉君 張貴川

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土建類大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心，重慶 400716)

針對目前工程中樁基承載力設(shè)計存在的問題進行了分析，結(jié)合工程所得數(shù)據(jù)建立樁基承載力數(shù)據(jù)庫，對五種基于CPT的樁基設(shè)計方法進行比較，并將結(jié)果利用計算機編程，以程序軟件的形式實現(xiàn)樁基設(shè)計方法的可視化，從而為樁基承載力設(shè)計方法的實際選用提供參考。

CPT，承載力，樁基設(shè)計，數(shù)據(jù)庫

0 引言

樁基礎(chǔ)作為一種重要的基礎(chǔ)形式，在高層建筑、橋梁、港口、近海結(jié)構(gòu)以及大型發(fā)電廠構(gòu)筑物等工程中得到了廣泛應(yīng)用［1］，因此單樁基礎(chǔ)的承載力計算對于工程設(shè)計及工程安全顯得尤為重要。以靜力觸探試驗CPT(全稱Cone Penetration Test)為基礎(chǔ)的計算方法已被應(yīng)用于硅質(zhì)砂地基中打入樁(或靜壓樁)的軸向承載力計算，但卻沒有一個確定的指導(dǎo)方法可用于幫助工程設(shè)計者選擇合適的打入樁軸力計算方法［2］。

針對目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，現(xiàn)擬通過收集實際工程中的樁基承載力數(shù)據(jù)建立一個較為龐大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)［2］，并通過利用計算機語言進行編程建立一個可視化的程序軟件，從而實現(xiàn)各種工程地質(zhì)及樁身條件下樁基承載力設(shè)計方法的可視化選擇。

1 工程中樁基承載力設(shè)計現(xiàn)狀及存在的問題

1．1 樁基承載力設(shè)計現(xiàn)狀

自1932年靜力觸探試驗問世以來，經(jīng)過廣大辛勤工作者70余年的不懈努力，國內(nèi)外對靜力觸探的操作及其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗，并制定了有關(guān)規(guī)范。國外從20世紀40年代CPT的出現(xiàn)開始到現(xiàn)在一直沒有放棄對CPT的改進工作［3］。介于CPT技術(shù)的不斷發(fā)展，國外已經(jīng)涌現(xiàn)出了較多的CPT方法用于樁基承載力的計算方法。而目前國內(nèi)利用靜力觸探數(shù)據(jù)計算樁基承載力的方法可大致分為兩類：直接法和理論法［4］。理論法是利用極限承載力理論、孔穴擴張理論、應(yīng)變路徑法等［5］。根據(jù)測試數(shù)據(jù)來間接估計土性參數(shù)(內(nèi)摩擦角、抗剪強度等)從而計算出樁基承載力。這種方法根據(jù)不同的理論解釋，造成計算結(jié)果有較大差異，帶有一定的不確定性。而直接法則是通過現(xiàn)場所測得實驗數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用所收集來的數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于樁基承載力的分析，由于是直接利用所得數(shù)據(jù)進行分析計算，故而相對于間接法而言直接法具有更加準確的優(yōu)勢。當前國內(nèi)外采用的直接法，主要包括：1)JGJ 94-94建筑樁基技術(shù)規(guī)范法;2)ICP-05法(帝國理工法);3)UWA-05法(西澳大利亞法);4)NGI-04法(挪威巖土工程學(xué)會法);5)Fugro-04法(Fugro石油學(xué)會法);6)API-00法(美國石油學(xué)會法)［6］。

1．2 樁基設(shè)計存在的問題

縱觀國內(nèi)外工程中樁基承載力設(shè)計現(xiàn)狀，目前仍存在如下問題：

1)樁基承載力影響因素眾多，各地試驗數(shù)據(jù)大相徑庭。靜力觸探由于其自身試驗的特殊性，導(dǎo)致試驗結(jié)果影響因素眾多。包括試驗樁樁身條件及工程地質(zhì)條件等。就樁身條件而言，樁長、樁徑、側(cè)壁摩擦系數(shù)、樁身材料等都是影響試驗結(jié)果的重要因素;而就工程地質(zhì)條件而言，不同的地質(zhì)條件：地基土質(zhì)種類(例如砂土、粘性土等)、土壤密度、內(nèi)摩擦角，以及氣候因素下的空隙水壓等因素都會造成靜力觸探試驗結(jié)果的不同，即使是同一位置條件、同一時刻進行的試驗都很可能會出現(xiàn)截然不同的試驗結(jié)果。因此不同地區(qū)進行的實驗數(shù)據(jù)往往會出現(xiàn)較大的試驗差現(xiàn)象。2)基于CPT的樁基設(shè)計方法較多，缺乏統(tǒng)一的標準。得益于70多年以來廣大巖土工程師們的投入研究，如今國內(nèi)外已經(jīng)有很多種基于CPT技術(shù)的樁基承載力設(shè)計方法，并已被廣泛應(yīng)用于實際工程領(lǐng)域，而不同種設(shè)計方法往往也存在很多的不同。例如鈣質(zhì)土樁基場址勘察方法很多，而且各家測試結(jié)果也不盡相同。研究成果都是地區(qū)性的和經(jīng)驗性的，并不能照搬［7］，以致于在實際工程中會出現(xiàn)同一工程中采用不同的設(shè)計方法時其結(jié)果會產(chǎn)生較大的偏差。

正是由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標準為設(shè)計師們在設(shè)計過程中就選擇何種設(shè)計方法提供指導(dǎo)，直接導(dǎo)致了長期以來，工程師們在從事樁基設(shè)計過程中的苦惱，使得他們不得不提高設(shè)計時的安全系數(shù)，從而保證工程質(zhì)量。而這一現(xiàn)象則必然導(dǎo)致工程施工中的人力物力的浪費，對于工程的經(jīng)濟性造成不利。

2 樁基設(shè)計可視化及其數(shù)據(jù)庫拓展研究

2．1 樁基設(shè)計可視化擬實現(xiàn)的目標

工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，就目前的工程應(yīng)用情況，要實現(xiàn)樁基設(shè)計的科學(xué)性和經(jīng)濟性，就需要有一個良好的指導(dǎo)規(guī)范可供設(shè)計者參考，從而在樁基設(shè)計中，選擇結(jié)合工程實際較為合理的設(shè)計方法，避免不必要的浪費。只有設(shè)計方法操作簡便、安全合理且經(jīng)濟高效才能真正將理論技術(shù)進步轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力，從而廣泛地投入到工程應(yīng)用。

2．2 樁基數(shù)據(jù)庫拓展擬實現(xiàn)的目標

正如前面所討論過，國內(nèi)外不同地質(zhì)條件下已經(jīng)做過諸多的試驗和工程應(yīng)用，針對不同的應(yīng)用條件有了很多的試驗數(shù)據(jù)可供我們收集整理并分析，且隨著科技的發(fā)展，更多的工程將投入運營，這無疑又為我們提供了新的研究素材。通過收集分析已有的做過CPT的樁基實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合不同的設(shè)計條件和設(shè)計方法建立一個較為龐大的數(shù)據(jù)庫，從而消除以往憑借經(jīng)驗設(shè)計所帶來的不足，提高數(shù)據(jù)的代表性和準確性。

然而科技的進步一方面為我們提供新的研究素材時，另一方面也會給我們造成新的難關(guān)，例如上海浦東金茂大廈樁基礎(chǔ)的樁入土深度超過80 m［8］。因此我們需要進一步拓展所建立的數(shù)據(jù)庫，為更多新問題的出現(xiàn)做好準備。

2．3 樁基設(shè)計可視化研究

以當前廣泛采用的五種基于CPT的樁基設(shè)計方法，即API-00法、ICP-05法、NGI-04法、Fugro-04法、UWA-05法等五種方法，結(jié)合已收集到的做過CPT的樁基承載力數(shù)據(jù)，比較五種方法下設(shè)計結(jié)果的差異，與工程數(shù)據(jù)進行對比，權(quán)衡不同設(shè)計方法在不同設(shè)計條件下的樁基設(shè)計可靠度。利用計算機語言編程將所得結(jié)果匯編成為一個可視化的程序軟件，從而實現(xiàn)如同WINDOWS系統(tǒng)般可以進行可視化操作的目標，便捷地進行設(shè)計方法的選擇。

2．4 樁基數(shù)據(jù)庫拓展研究

當有足夠多樁基承載力的試驗數(shù)據(jù)時，相應(yīng)的安全系數(shù)就越小，樁基設(shè)計方法和承載力確定方法的精確性越高［9］。當前在業(yè)界已經(jīng)有了樁基承載力的CPT數(shù)據(jù)庫，然而由于收集過程的局限性。加之試驗成本較高，可進行的試驗數(shù)量有限，導(dǎo)致了目前整理出的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相對較小，在預(yù)測樁基承載力時可靠度并不是很高。因此基于預(yù)測可靠度來講，目前的數(shù)據(jù)庫亟待拓展。

此外，伴隨著土木行業(yè)的大跨步發(fā)展，更多高層建筑和海洋工程的發(fā)展不斷給設(shè)計師們提出難題，新的工程性質(zhì)和工程地質(zhì)條件必然要求有新的途徑解決，而擴展樁基數(shù)據(jù)庫就成了解決它必不可少的手段之一。從解決不可預(yù)知問題的角度出發(fā)，當前數(shù)據(jù)庫的拓展成為了一項與時俱進、不可懈怠的工作。

3 結(jié)語

本文針對目前工程中樁基承載力設(shè)計存在的問題(缺乏設(shè)計選擇方法、數(shù)據(jù)庫預(yù)測可靠度低等)，以CPT技術(shù)為基礎(chǔ)，對五種樁基設(shè)計方法進行對比，比較不同數(shù)據(jù)庫的樁基承載力預(yù)測可靠度。通過收集整理已有的樁基承載力數(shù)據(jù)建立較大的樁基CPT數(shù)據(jù)庫，通過大量的工程數(shù)據(jù)離散性分析，根據(jù)樁基承載力數(shù)據(jù)分布規(guī)律，得出不同工程環(huán)境條件所適宜的設(shè)計方法。并將結(jié)果利用計算機語言進行編程，以程序軟件的形式實現(xiàn)樁基設(shè)計方法的便捷可視化選擇。并不斷擴充已有的數(shù)據(jù)庫，保持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的時效性和準確性，為解決更多更新的工程問題提供保障。

［1］王遇國，梅志榮，張季超．單樁承載性狀試驗研究［J］．巖土工程學(xué)報，2010，32(1)：7-11．

［2］James A，Schneider，Xiangtao Xu，Barry M．Lehane．Database Assessment of CPT-Based Design Methods for Axial Capacity of Driven Piles in Siliceous Sands［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental，2008，134(9)：1227-1244．

［3］曾國清．CPT技術(shù)在環(huán)境巖土工程中的應(yīng)用分析［J］．廣東科技，2006(153)：89-90．

［4］郭進軍．靜力觸探在樁基承載力計算應(yīng)用中目前存在的問題［J］．河南科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，34(3)：67-70．

［5］孟高頭．土體原位測試機理方法及其工程應(yīng)用［M］．北京：地質(zhì)出版社，1997．

［6］Lehane B M，Schneider J A，Xu X．The UWA-05 method for prediction of axial capacity of driven piles in sand［J］．Proc．，Int．Symp．Frontiers Offshore Geomech．ISFOG，2005．Perth，683-689．

［7］單華剛，汪 稔．鈣質(zhì)砂中的樁基工程研究進展述評［J］．巖土力學(xué)，2000，21(3)：299-308．

［8］陽吉寶，鐘正雄．超長樁的荷載傳遞機理［J］．巖土工程學(xué)報，2010，20(6)：108-112．

［9］李典慶．打入樁承載力確定方法對安全系數(shù)的影響［J］．巖土工程學(xué)報，2006(27)：1733-1738．

Exploration on pile foundation design visualization and database expanding research★

ZOU Sheng-feng SHI Lang-jing LI An-jun ZHANG Gui-chuan

(Innovative Experiment Center for Undergraduates of Civil Engineering，College of Engineering and Technology，Southwest University，Chongqing 400716，China)

The paper analyzes current pile foundation capacity design problems．Combining with the engineering database，it establishes pile foundation bearing capacity database，compares five pile foundation design methods based on CPT，and shows the pile foundation design method with program software by applying computer programming method，which has provided some guidance for actual selection of pile foundation bearing capacity design method．

CPT，bearing capacity，pile foundation design，database

TU473．1

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.123

1009-6825(2013)10-0055-03

2013-01-29 ★：西南大學(xué)本科生創(chuàng)新基金(項目編號：1215006);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助(項目編號：20120635113)

鄒圣鋒(1991-)，男，在讀本科生; 石朗晶(1991-)，男，在讀本科生; 黎桉君(1992-)，男，在讀本科生;

張貴川(1992-)，男，在讀本科生