康思偉，賈志遠

（1.中海油上海分公司，上?！?00335；2.天津大學建筑工程學院，天津　300072）

利用CPT結果進行可打入性分析

康思偉1，賈志遠2

（1.中海油上海分公司，上海200335；2.天津大學建筑工程學院，天津300072）

樁的可打入性研究一直是海洋工程中普遍關心的問題，如何準確地預測樁的可打入性是研究的重點，樁的可打入性與打樁土阻力有直接關系。根據某海域的現場打樁記錄，運用GRLWEAP反算出打樁土阻力，與常用的基于CPT計算方法的結果進行對比分析，分析每種方法在計算土阻力時的準確性，并對各種方法的結果進行評價。計算結果顯示，大直徑樁在砂土中打樁也會發(fā)生土塞閉合；在本算例中，CPT方法用來進行土阻力預測時，不同的方法具有各自的特點。

CPT；土阻力；樁的可打入性；土塞

0　引言

在利用波動方程進行打樁預測過程中，打樁土阻力對計算結果的影響非常顯著。因此對于打樁過程中土阻力分布的研究一直是研究的重點。對于土阻力的預測方法主要有兩種。一種是以Steven和Semple為代表的折減系數法[1-2]。他們的方法是以API規(guī)范為基礎，根據試驗等方法對計算得到的側摩阻進行不同程度的折減。另一種方法是以CPT的測試結果為基礎，根據反分析等方法得到利用CPT測試結果的半理論半經驗公式，有代表性的計算公式包括Fugro，ICP，UWA，NGI，Alm等[3-7]。

CPT（Cone Penetration Test）是巖土工程勘察中重要的原位測試技術，因其能在現場直接、連續(xù)、快捷地對巖土層的工程特性參數進行測試，并且避免了取樣和室內試驗對土樣所造成的擾動等影響，故在國外及國內陸地巖土工程勘察領域已得到廣泛應用。

目前，在歐美國家和地區(qū)，原位測試的工作量一般占整個海上工程地質調查項目的工作量的50%～70%；國內在陸地工程地質調查中，原位測試工作量一般也占整個工程地質調查項目工作量的50%以上。該方法已經被列入API規(guī)范，作為確定樁基承載力的推薦方法之一[8]。

隨著經濟的發(fā)展，大直徑超長鋼管樁在海洋工程中得到廣泛應用。本文根據現場測試的結果進行反分析，同時采用目前比較認可的基于CPT的方法對土阻力進行了預測，根據分析結果對不同CPT方法的適用性進行了評價。

1　基于CPT的計算方法

樁基承載力是由樁側摩阻力和樁端阻力兩部分組成，樁側摩阻力可以通過單位平均側摩阻力乘以樁體入土部分的側面積得到，樁端阻力是單位平均端阻力乘以樁端面積。打樁阻力一般是通過對樁基承載力進行修正獲得的。一般認為打樁過程中的土阻力即SRD與樁基承載力是不相同的，但是，在砂土中打樁，經常采用砂土的承載力來替代砂土中打樁的SRD[9]。

目前經常被用于進行土阻力預測的CPT方法主要包括Alm，UWA，ICP和Fugro法。其中Alm法明確指出是針對打樁過程中的土阻力進行的，其余的方法均是用來計算砂土中的樁基承載力的。

樁基承載力Qu由樁側摩阻力Qs及端阻Qp兩部分組成，即：

Qu=Qs+Qp=πD∫тfd z+qpAp

式中：тf為單位側摩阻力；qp為單位端阻；Ap為樁端表面積。

UWA，ICP和Fugro方法在單位側摩阻力тf及單位端阻qp有如下規(guī)定。

1.1Fugro-05（Kolk etal.2005a）

1）單位側摩阻力計算

抗壓且h/R*≥4：тf=0.08qc（σv0′/pref）0.05（h/R*）-0.90抗壓且h/R*<4：тf=0.08qc（σv0′/pref）0.05[h/（4R*）]4-0.90抗拉：тf=0.045qc（σv0′/pref）0.15[max（h/R*，4）]-0.85

式中：σv0′為上覆土的有效應力；pref為參考壓力，100 kPa；R*為按管壁截面積等效的樁徑，R*=（R2-Ri2）0.5；h為考察點到樁端的豎向距離。

2）單位端阻計算

對于開口樁和閉口樁：

1.2ICP-05（Jardineetal.2005）

1）單位側摩阻力計算

тf=α[0.029bq（cσv0′/pref）0.13[max（h/R*，8）]-0.38+

Δσrd′]tanδf

式中：σv0′為上覆土的有效應力；Pref為參考壓力，100 kPa；R*為按管壁截面積等效的樁徑；h為考察點到樁端的豎向距離；δf為通過恒體積剪切試驗確定的樁-土界面摩擦角，鋼-砂界面δf典型值介于28°～30°，砂土顆粒越細，該值越??；Δσrd′為軸向受荷引起的徑向有效應力增量，Δσ′rd=4GΔr/D，G/qc=185qc1N-0.75，其中 qc1N=（qc/Pre）f（/σv0′/pre）f0.5，Δr為膨脹量，推薦取值為0.02 mm；系數α對于開口樁抗拉承載力計算時取0.9，其他情況下取1.0；計算抗拉承載力時系數b取0.8，抗壓承載力時取1.0。

2）單位端阻計算

對于閉口樁：

qb0.1/qc，avg=max[1-0.5log（D/DCPT），0.3]

對于開口樁：當Di≥2.0（Dr-0.3）或Di≥0.083qc，avg/prefDCPT時，認為無土塞，qb0.1/qc，avg=Ar。

其它情況下認為有土塞，qb0.1/qc，avg=max[0.5-0.25log（D/DCPT），0.15，Ar]，其中，Ar=1-（Di/D）2。1.3UWA-05（Lehaneetal.2005b）

1）單位側摩阻力計算

тf=（ft/fc）[0.03qcA0rs.

，3eff[max（h/D，2）]-0.5+Δσrd′]tanδf式中：ft/fc為拉壓承載力比值，對于壓力取1.0，對于拉力取0.75；Ars，eff為有效面積比，Ars，eff=1-IFR（Di/D）2，IFR為土塞增長率，等于土塞高度增長量與樁貫入長度增長量之比，一般按下式確定：IFR=min（[Di/1.5）0.2，1]；h為考察點到樁端的豎向距離；D為樁基外徑，Di為樁基內徑；δf為通過恒體積剪切試驗確定的樁-土界面摩擦角，鋼-砂界面的δf典型值介于28°～30°，砂土顆粒越細，該值越?。沪う摇鋜d為軸向受荷引起的徑向有效應力增量。Δσ′rd=4GΔr/D，G/qc=185q-c10N.75，其中qc1N=（qc/Pref）（/σv0′/Pre）f0.5，Δr為膨脹量，推薦取值為0.02mm。

2）單位端阻計算

對于開口樁和閉口樁：

qb0.1/qc，avg=0.15+0.45Arb，eff

式中：Arb，eff=1-FFR（Di/D）2，FFR=min（[Di/1.5）0.2，1]。

1.4Alm法（Alm&Hamre（2002））

1）單位側摩阻力計算

砂土：fs=fsres+（fsi-fsres）ek（d-p）

式中：k=（qc/σv0′）0.5/80；fsi=Kσv0′tanδf，K=0.0132·

qc（σv0′/qref）0.13/σv0′；fsres=0.2fsi。

黏土：fs=fsres+（fsi-fsres）ek（d-p）

式中：k=（qc/σv0′）0.5/80；fsi=fs0；fsres=0.004qc（1-0.0025qc/σv0′）。

2）單位端阻計算：

砂土：qTip=0.15qc（qc/σv0′）0.2

黏土：qTip=0.6qc

式中：fs為單位側摩阻；fsres為殘余側摩阻；fsi為初始側摩阻；σv0′為垂直有效應力；δf為界面摩擦角；pref為參考應力，100 kPa；fs0為CPT側摩阻。

2　現場情況

在某海域打樁現場進行打樁，樁基均為開口鋼管樁，樁長為122.4 m，直徑為2.438 m，打入泥面以下98 m的深度，場地海域水深為87 m。采用MENCK MHU800S錘進行打樁，打樁錘參數見表1。土層分布情況見表2?，F場CPT得到的測試結果見圖1。

表1 打樁錘參數Table1　Parametersof pile driving hammer

表2 土層分布情況Table 2　Distribution of soil

圖1 CPT測試結果Fig.1　CPT test resu lts

現場一共打入8根樁，由于8根樁的打樁記錄比較接近，為了清楚起見，只畫出其中1根樁的打樁記錄，如圖2，并且選擇8根樁的平均值作為本次計算的依據。

通過本文前面的公式介紹可以看到，UWA，ICP和Fugro方法都是針對砂土的計算公式，因此本次分析選擇從0～46m作為研究對象。從土層分布（表1）可以看到，在46 m范圍內，除了在26～ 29.2 m處有一粉質黏土夾層以外，其余幾乎全部由細砂組成。

圖2 現場打樁記錄Fig.2　Pile driving record

3　計算分析

為了對打樁進程中土阻力的變化情況進行研究，首先采用波動方程進行反分析，計算采用GRLWEAP2010軟件進行，根據現場記錄的錘擊數以及計算得到的錘擊數與承載力的關系可以得到打樁過程中土阻力隨深度的分布，見圖3。

分別采用不同的方法，包括 API，Alm，UWA，ICP和Fugro方法對打樁過程中的土阻力（SRD）進行了計算。采用上述各種方法對打樁過程中的土阻力進行計算。由于在打樁過程中沒有測量土塞的高度，因此，在此分為土塞完全不閉合和土塞完全閉合兩種情況進行計算，并將計算結果與反分析結果進行比較見圖4。

圖3　SRD（平均值）和深度的關系Fig.3　Relationship betw een SRD（mean）and depth

圖4　計算值與反算值的比較Fig.4　Com parison of the calculated valuesand back calculated values

計算結果顯示，當假定土塞完全不閉合時，在12 m以內，除了Fugro方法計算結果偏大以外，其余各種方法與反算值吻合良好。超過12 m，無論哪種方法與反算值的差別均很大。當假定土塞完全閉合時，ICP和Alm方法的計算值偏??；UWA和Fugro方法12m以后和反算值接近；從圖4的計算結果可以看出，在打樁過程中，土塞經歷了一個由不閉合到閉合的過程，這一轉折應該發(fā)生在12m附近。因此假定12 m以上土塞不閉合，12 m后土塞完全閉合，取所有方法得到的結果見圖5。

從整體擬合效果來看，API方法的整體變化趨勢與反算數據基本一致，但在20～33 m之間數值偏小，在35～45 m之間數值偏大。UWA和ICP方法，在無土塞時和API結果接近，但在形成土

圖5 不同方法的比較Fig.5　Com parison of differentmethods

塞以后，ICP方法數值與反算值相比偏?。籙WA法在25 m以后，計算結果偏大。Alm法對CPT測試數據的變化比較敏感，總體偏小。Fugro方法的無土塞的計算結果偏大，但有土塞時，計算結果與反算值吻合較好。

4　結語

本文通過對現場試驗樁的打樁數據，反算得到打樁時的土阻力，并將其與通過CPT和API預測得到的土阻力進行了對比分析，從計算結果可以看到，在砂土中打樁，即使是對于直徑較大的情況（本次試驗樁的直徑為2.438 m）也會形成土塞，并接對打樁的土阻力產生明顯的影響。API方法作為傳統的預測土阻力的方法雖然存在精度上的缺陷，但是從整體變化趨勢上和反算結果具有良好的一致性。CPT方法是一種預測土阻力的行之有效的方法。本次計算結果顯示，在有土塞的情況下，ICP的計算結果偏小，在無土塞的情況下，Fugro的結果偏大，Alm方法作為專門用來預測土阻力的CPT方法其計算結果總體偏小，UWA方法的結果總體偏大。從整體擬合效果上而言，Fugro方法的效果最好。

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Pile driveability analysis by using CPT results

KANGSi-wei1,JIA Zhi-yuan2
（1.ShanghaiBranch,China NationalOffshoreOilCorporation,Shanghai200335,China; 2.Schoolof CivilEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

The study of pile driveability hasbeen a universal concern in ocean engineering,and how to accurately predict pile driveability is the key of the research,pile driveability has a direct relationship with soil resistance driving.According to the pile driving records of a certain area,we calculated the soil resistance driving by the GRLWEAP,and compared with the commonly used calculationmethod based on the CPT results,analyzed the accuracy of eachmethod when calculating the soil resistance,and evaluated the resultsof variousmethods.Calculation results show that the large diameter pile can also occur soil plug closure when piling in sands.In this example,the CPTmethod is used to predict the soil resistance,and the different methodshave their own characteristics.

CPT;soil resistance;pile drivability;soil plug

U655.544.1

A

2095-7874（2016）10-0036-04

10.7640/zggw js201610008

2016-05-06

2016-07-21

自然科學重點基金（51239008）；國家973項目（2014CB046800）；國家重大專項（2011ZX05056002-01）

康思偉（1985—），男，四川人，碩士，工程師，石油工程專業(yè)。E-mail：kangsw@cnooc.com.cn