单桩竖向极限承载力不确定性分析.pdf

1202023年5月质量控制与检测江西建材单桩竖向极限承载力不确定性分析庄伟杰福建工大岩土工程研究所有限公司，福建福州350008摘要：单桩竖向极限承载力是结构稳定性的基础，因此，极限承载力检测准确性是结构安全的保障。文中结合实例，论述了慢速维持荷载法缓变型承载力检测方式，结合实测Q-s和s-lgt曲线，给出了单桩基础的极限承载力结果。针对慢速法缓变型承载力检测方法的不确定性，给出了该检测方法误差公式，结合Q-s曲线斜率分布给出了不同承载力结果误差。该方法对单桩竖向极限承载力结果可靠性评估提供了参考。关键词：单桩承载力；Q-s曲线；不确定性；误差分析；斜率分布中图分类号：TU13文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 12 0-0 3Research on Uncertainty Analysis of Vertical Ultimate BearingCapacity of Single PileZhuangWeijieFujian University of Technology Geotechnical Engineering Research Institute Co.Ltd.,Fuzhou,Fujian 350008Abstract:The vertical ultimate bearing capacity of a single pile is the foundation of structural stability,so the accuracy of ultimate bearingcapacity testing is a guarantee of structural safety.This paper discusses the method of slowly varying bearing capacity testing using slowsustained load method with examples,and gives the ultimate bearing capacity results of single pile foundations based on the measured Q-sand s-lgt curves.Aiming at the uncertainty of the slowly varying bearing capacity testing method using the slow speed method,the errorformula of the testing method is given,and the error of different bearing capacity results is given based on the slope distribution of the Q-scurve.This method provides a reference for the reliability evaluation of the vertical ultimate bearing capacity of a single pile.Key words:Bearing capacity of single pile;Q-s curve;Uncertainty;Error analysis;Slope distribution0引言不确定度的定义以非负参数为特征，该参数会导致基于所使用信息测量结果的差异。不确定度是测量结果的不确定度，数值越大，测量结果越差。若测量的不确定度是通过间接测量所获得，且存在少量不确定度分量，则通过称为复合标准不确定度的测量模型，从每个不确定度组件合成测量的不确定性。在实际应用中，不确定性不需要包括概率。如果存在系统效应，并且测量的概率分布是不对称的，则测量的不确定度由包含区间表示。近年来，大量研究者对桩基试验的不确定度进行了研究。邓伟等1 根据所提出的高直径比改变了类芯抗压强度的不确定度的转换系数。吴祁山2 以湖南柏树大桥为例，分析了动力参数法检测基桩承载力的不确定性。在9 5%的情况下，作者认为需要在场地静态运动比较结果的基础上建立稳态比较系数，并提高桩土频率的检测精度。曾杨荣3 基于有效静动比，对试验的基桩高应变法检测的不确定度进行了评估。郑平4 和陈希彦5 检查了静载荷试验载荷的不确定度，并对试验结果的偏差进行了量化。上述研究主要集中在仪器的动态试验和物理试验上。动态测量方法在静载荷试验的基础上对不确定度进行评估，但静载荷试验不确定度难以评估。本文针对静载荷试验中的慢速法进作者简介：庄伟杰（19 8 7-），男，福建漳州人，本科，工程师，主要研究方向为建筑地基基础工程检测。行研究，给出了单桩竖向承载力的误差表达式，并结合Q-s曲线斜率参数分布特征，给出了不同竖向承载力荷载下具体相对误差值。该结果为准确评估单桩竖向承载力以及可靠性分析提供了数据依据。1工程概况针对福建某科研仓储加工中心办公楼单桩基础（旋挖灌注桩桩径为8 0 0 mm，桩身砼强度为C35，桩端持力层为砂土状强风化花岗岩）进行静载荷试验。该工程场地地基土层自上而下分为：素填土：褐黄-黄色，湿，稍密状态，层厚0 15.50 m。粉质黏土：灰黄色，湿-很湿，可塑状态，层厚012.90m。泥质卵石：灰色，饱水，中密状态，层厚0 9.2 0 m。全风化砂岩：褐红色，岩芯呈砂土状，层厚0 12.40 m。砂土状强风化砂岩：褐红色，岩芯多呈砂土状，层厚1.7022.30m。碎块状强风化砂岩：褐红色，岩芯多呈碎块状，层厚021.20m。对编号为试2#、试4#、试5和试6 桩进行单桩竖向抗压静载试验。试2 桩的最大测试荷载按350 0 kN进行；试4和试5#桩的最大测试荷载均按50 0 0 kN进行；试6 桩的最大测试荷载按7 2 0 0 kN进行。千斤顶为QF320-20型，编号为：9 30 3#、9 30 4#、9307和9 30 8。采用某公司生产的RS-JYE（S）型自动静力荷121T*2023年5月江西建材质量控制与检测载测试仪（主机编号：2 0 2 10 9-32 11E），配接HY6100型压力传感器（编号：2 12 18 2），RSWS-50型位移传感器（编号：9 2 8 6 2、92863#、9 2 8 6 4和9 2 8 6 5#）2测量结果以试2#桩为例，该桩地质土层从上至下依次为：素填土、粉质黏土、全风化砂岩和砂土状强风化砂岩。试验荷载加至1750kN并维持451min。该级荷载作用下，桩顶累计沉降量超过40mm，根据规范终止加载。结果显示，该桩单桩竖向抗压极限承载力为17 11kN。图1（a）为试2 桩加载Q-s曲线，分段进行加载，分别为：7 0 0 kN、10 50 k N、140 0 k N和17 50 kN。测试加荷方式为慢速维持荷载法，试2 桩的每级荷载增量为350 kN，当试验荷载加至1750kN并维持451min，该级荷载作用下，桩顶累计沉降量超过40mm，根据规范终止加载。试4桩的每级荷载增量为50 0 kN，当试验荷载加至350 0 kN并维持36 0 min，该级荷载作用下，桩顶累计沉降量超过40 mm，根据规范终止加载；试5桩的每级荷载增量为50 0 kN，当试验荷载加至30 0 0 kN并维持39 0 min，该级荷载作用下，桩顶累计沉降量超过40 mm，根据规范终止加载；试6 桩的每级荷载增量为7 2 0 kN，当试验荷载加至57 6 0 kN并维持6 32 min，该级荷载作用下，桩顶累计沉降量超过40 mm，根据规范终止加载。四根桩的测试结果如表1所示。表1静载试验测试结果最大测试荷载下桩单桩竖向抗压试桩编号最大测试荷载/kN残余变形/mm备注顶累计沉降/mm极限承载力/kN2#175041.4336.931711达到极限承载状态4350040.7134.553471达到极限承载状态5#300043.8136.182864达到极限承载状态6#576053.5044.555153达到极限承载状态03507001050140017500.0Q/kN-4.5-9.0-.-13.5-18.0-22.5-27.0-31.5-36.01711kN-40.540.00mm-45.0s/mm(a）加载Q-s曲线0.0200400600800t/min-4.5700kN-9.0-13.5-18.01050kN-22.5-27.0-1400kN-31.536.040.51750kN-45.0s/mm(b)s-lgt曲线图1试2 桩单桩竖向抗压静载试验33单桩极限承载力不确定性分析确定单桩极限承载力之前，需先绘制Q-s曲线。对于桩径大于等于8 0 0 mm的缓变型Q-s曲线，根据桩顶总沉降量，取沉降值s等于0.0 5D（D 为桩端直径，即40 mm）对应的荷载值为极限承载力。本例中采用的加载方式为慢速法，本节就此进行分析。对于缓变型Q-s曲线的单桩极限承载力，慢速法中缓变型的单桩极限承载力的误差如图2 所示，图中线段AB为无测量误差的Q-s曲线分段，线段AB为有测量误差的Q-s曲线分段，Qu为根据Q-s曲线得到的单桩极限承载力，Qu为实际单桩极限承载力。（Qi,si）和（Qi+1,si+1）为AB段端点，（Qi，si）和（Qi+1,si+1）为AB段端点。su为沉降值限制，u和Ou的计算如下Qu=(Su-S,)Si+1-S,+9(1)Q-QQ,=(S,-S,):S-Si(Qi+1-Q,)-(2)-(Su-S,+8(Si1-S,)-(8s,-8,)式中：0 s,和si+1为沉降测量产生的误差；.和oi+1为加载量产生的误差。考虑相邻两个荷载点之间差距较小，因此有：(3)（2）可表示为：所以式（2）可表示为：(Qi+1-Q,)Qu(S,-S,+Os,)（4)(Si+1 S,)结合式（4）单桩极限承载力的相对误差可表示为：(Qi1-Q.)S(Sm-)_0-0,xkQu(5)SSkSS.QuQ.取Q-s曲线最后一级的斜率为k，对于慢速法缓变型Q-s曲线，则su=40mm。取su点和B点斜率作为k值近似值，则斜率比值k,由式（6）给出。122上接第119 页）2023年5月江西建材质量控制与检测Q,-Qm-(6)S,-S.SQ:QQuQuQi+/Qi+1ASS1ASuS;+1BS+B图2缓变型曲线误差示意图由图1的Q-s曲线可知，Q-s曲线斜率绝对值随着加载荷载的增加不断减小，因此k,数值小于1。通过对本次案例中不同桩基础的多次加载，k,频数分布规律统计结果如下：实验总次数为2 8，【0.2,0.3】统计次数为7 次，【0.3,0.4】统计次数为7 次，0.4,0.5】统计次数为5次，0.5,0.6】统计次数为5次，0.6,0.7】统计次数为2 次，0.7 0.8】统计次数为7 次。s和呈正态分布，通过自动生成s和8 o数值，代人式（5）即可得到相对误差的分布特性。不同荷载下相对误差分布计算结果如图3所示。由图3可以看出随着荷载增加，相对误差不断减小。荷载误差在大于50 0 0 kN之后相差不大，基本维持在5%。试验荷载为10 0 0 kN时，相对误差高达11%。当荷载在10 0 0 50 0 0 kN时，误差从11%降低到5.3%。试验荷载大于5000kN时，相对误差5.3%左右。试验荷载小于50 0 0 kN时，随着试验荷载的减小，相对误差逐渐增大。当荷载较小时，单桩变形较小，变形数值随机性较大，因此相对误差较大。随着荷载不断增加，单桩变形不断增加，单桩参与变形部分范围增加，相对误差减小。该结论与图2 结果一致。3.4结果分析结果分析时，不仅需考虑土类和抗剪指标之间的关系，还应考虑试样内部是否有杂质和剪切仪的运转情况。当土处于极限平衡时，剪切应力与剪切位移关系曲线上的峰值点作为该荷载水平下土样的抗剪强度。部分情况下，某些粉质粘土或粉土在剪切时无明显峰值点。在记录试验数据时，可选择剪切位移等于4mm所对应的剪切应力，作为该荷载水平下的剪切强度，试验剪切位移要求达到6 mm。在具有明显峰值或稳定值的情况下，破坏值的选定则以峰值或稳定值作为抗剪强度。4结语综上所述，土的直剪试验可从理论上实现对土的抗剪强度的测量。现阶段，暂时未能完全替代实际情况，但可提供一定参考。随着科学技术的发展，未来仪器设备的测试误差势必减小，逐渐接近工程实际，土体直剪试验将发挥更大作用。10080%60402000100020003000400050006000荷载/kN图3不同荷载下相对误差分布4结语本文结合单桩竖向抗压承载力试验，给出了慢速法检测单桩承载力的方案以及结果，并结合Q-s曲线特征，给出了承载力分析结果误差计算公式。主要结果如下。（1）对于慢速法缓变型Q-s曲线可以选择沉降位移为40mm时对应的承载力作为单桩极限承载力。（2）慢速法评估结果大于50 0 0 kN时，测量结果相对误差在5%左右。（3）承载力为10 0 0 kN时，误差达到11%。当荷载测量值小于10 0 0 kN时，随着荷载结果减小，相对误差大幅度增加。参考文献1】邓伟，谢慧才.基桩混凝土芯样强度不确定度分析J】.工程质量，2003（4):45-47.2吴祁山.动力参数法检测基桩承载力的不确定度评定J】.桂林工学院学报，2 0 0 4，2 4（2）：18 0-18 2.3曾杨荣，基桩高应变试验CASE法的测量不确定度分析J】.广东科技，2 0 0 7（4）：12 5-12 6.4郑平.建筑基桩检测力值参数及其不确定度评估J.计量与测试技术，2 0 13（2）：12-13.5陈希彦.荷载箱检定装置和检定规程的研究D.南昌：南昌大学,2 0 15.6原方，刘军，徐志军，等.浅部缩径缺陷对单桩竖向承载特性的影响J】.中国科技论文，2 0 2 0，15（2）：143-148，2 39.参考文献【1赵晓彦，万宇豪，张肖兵.汶马高速公路千枚岩堆积体岩块定向性试验研究J.岩土力学，2 0 2 0（1）：17 5-18 4.20戴一鸣，韩中阳，余昌蔚，等.尺寸效应对粉质黏土直接剪切试验强度指标的影响研究J.工程勘察，2 0 2 1，49（11）：5.3麦华山.原位直剪试验在某核电厂强风化岩体强度参数研究中的应用J工程技术研究，2 0 2 1，6（17）：2 1-2 2.【4孟慧娟.直接剪切试验中试样剪切面积变化对试验结果的影响【J.水科学与工程技术，2 0 2 2（1）：7 7-8 1.【5火凡.岩土施工现场直接剪切试验质量控制及应用浅析【J.中国科技期刊数据库工业A，2 0 2 1（8）：18 0，18 2.6 邢文政，王硕，范鹏贤，等.劈裂岩体结构面直接剪切试验研究【J.中南大学学报（自然科学版），2 0 2 1，52（8）：2 9 33-2 9 44.