基于高應(yīng)變動(dòng)測法惠州地區(qū)樁基承載力試驗(yàn)研究1

中國生，劉定環(huán)

（1.惠州學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，廣東 惠州 516007；2.惠州白鷺湖旅游實(shí)業(yè)開發(fā)有限公司，廣東 惠州 516021）

基于高應(yīng)變動(dòng)測法惠州地區(qū)樁基承載力試驗(yàn)研究1

中國生1，劉定環(huán)2

（1.惠州學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，廣東 惠州 516007；2.惠州白鷺湖旅游實(shí)業(yè)開發(fā)有限公司，廣東 惠州 516021）

為了檢驗(yàn)樁基高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法的正確性與可行性，在惠州地區(qū)某一建設(shè)場地選擇2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（Φ400,C80）進(jìn)行樁基豎向承載力的現(xiàn)場試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)際的土層參數(shù)，修正樁土動(dòng)力學(xué)模型中的相關(guān)擬合參數(shù)，應(yīng)用MATLAB編制擬合計(jì)算程序，對(duì)高應(yīng)變實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，獲得的計(jì)算曲線與實(shí)測曲線擬合較好；2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的樁基極限承載力動(dòng)測試驗(yàn)結(jié)果與靜載試驗(yàn)相比，分別降低了13.03%和11.35%，高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法能相對(duì)準(zhǔn)確地測出樁基承載力.研究成果可為樁基設(shè)計(jì)與承載力檢測提供理論依據(jù).

樁基承載力；靜載；堆載法；高應(yīng)變；實(shí)測曲線擬合

1引言

樁基是目前土建工程中最常用和最安全的基礎(chǔ)形式之一［1］.自改革開放以后，隨著我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的迅猛發(fā)展，越來越多的高層及超高層建筑以及大型的建設(shè)工程普遍采用樁基礎(chǔ)形式，特別是在我國的地震設(shè)防區(qū)，凍土、膨脹土、軟土以及濕陷性黃土等地區(qū)，大量的工程實(shí)踐證明，樁基是一種最為有效和安全可靠的基礎(chǔ)形式［2-4］.

由于我國地域廣闊，不同地區(qū)的工程地質(zhì)狀況差異很大，復(fù)雜地質(zhì)狀況下建筑物樁基礎(chǔ)的施工和檢測往往比上部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，樁基礎(chǔ)的質(zhì)量直接決定了建設(shè)工程的安全性［5］.與靜載試驗(yàn)相比，高應(yīng)變動(dòng)測具有設(shè)備輕便、測試時(shí)間短、抽檢比例高、費(fèi)用低、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被建設(shè)工程界廣泛認(rèn)可并采用［6-8］.

現(xiàn)有分析計(jì)算的樁土力學(xué)模型沒有充分考慮不同地區(qū)樁土的相互作用機(jī)理，不能精確地反映實(shí)際地區(qū)樁土體系的復(fù)雜性，不可避免地存在較多的假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)成分，根據(jù)國內(nèi)外工程實(shí)踐表明，樁基高應(yīng)變動(dòng)測法較靜載試驗(yàn)相比，仍存在較大的誤差［7，8］.因此，針對(duì)某一地區(qū)的工程地質(zhì)條件，對(duì)樁土動(dòng)力學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)取值問題進(jìn)行深入研究，合理準(zhǔn)確地確定樁基的承載力，不僅關(guān)系到工程建設(shè)的質(zhì)量和效率，也是基礎(chǔ)工程中的一項(xiàng)非常重要的研究課題，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

2 試驗(yàn)地點(diǎn)

惠州市地處低緯度，北回歸線橫貫全市，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，陽光充足，氣候溫和.結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目建設(shè)，試驗(yàn)樁選擇位于惠州白鷺湖山水休閑度假區(qū)BHL-15號(hào)地塊的建設(shè)場地.根據(jù)工程地質(zhì)鉆探顯示，該場地土層自上而下依次為：素填土Qml、全風(fēng)化粉砂巖J、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖J.

表1 試驗(yàn)點(diǎn)I的樁側(cè)土層分布

表2 試驗(yàn)點(diǎn)II的樁側(cè)土層分布

為了準(zhǔn)確地比較靜載與高應(yīng)變動(dòng)測試驗(yàn)獲得的樁基承載力，特地在該建設(shè)現(xiàn)場選取了兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，使用相同規(guī)格的試驗(yàn)樁，采用平行施工且成樁日期相同.兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的樁側(cè)土層的分布情況，見表1和表2所示.

3 靜載與動(dòng)測試驗(yàn)原理及設(shè)備

3.1 靜載試驗(yàn)原理—堆載法

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用接近于豎向抗壓樁的實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法，以此確定單樁的豎向抗壓承載力，是目前公認(rèn)的檢測基樁豎向抗壓承載力最直觀、最可靠的試驗(yàn)方法，通常認(rèn)為是一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，可作為其他檢驗(yàn)方法的對(duì)比依據(jù)［9］.針對(duì)本次靜載與動(dòng)測對(duì)比試驗(yàn)對(duì)象是中小樁，國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)普遍采用堆載法作為加載方法，堆載法由重物、副梁（工字鋼）、主梁、千斤頂?shù)葮?gòu)成，見圖1所示.常用的堆載重物多為砂包和鋼筋混凝土構(gòu)件，少數(shù)用鋼鐵、石塊等.壓重不得小于預(yù)估最大試驗(yàn)荷載的1.2倍，且壓重宜在試驗(yàn)開始之前一次加上，并均勻穩(wěn)固地放置于平臺(tái)上.規(guī)范要求壓重施加于地基的壓應(yīng)力不宜大于地基承載力特征值的1.5倍，當(dāng)壓重平臺(tái)支墩尺寸較小時(shí)，壓重平臺(tái)支墩施加于地基土的壓應(yīng)力可能會(huì)大于地基土承載力，造成地基土破壞或明顯下沉，導(dǎo)致堆載平臺(tái)傾斜甚至坍塌.

圖1 基樁堆載法靜載試驗(yàn)示意圖

圖2 樁土動(dòng)力學(xué)模型

3.2 靜載試驗(yàn)設(shè)備

堆載法靜載試驗(yàn)系統(tǒng)由壓重平臺(tái)反力裝置、加載裝置、荷載量測裝置、位移量測裝置和自動(dòng)采集裝置組成.反力裝置由重物、次梁、主梁、千斤頂?shù)葮?gòu)成；加載裝置采用千斤頂與油泵相連的形式，由千斤頂施加荷載，本次試驗(yàn)液壓千斤頂?shù)淖畲笫┘雍奢d為2000kN，液壓泵站的加載精度為0.4MPa、最大加載值為63MPa；荷載量測裝置為油壓表，本次試驗(yàn)油壓表的量程為60MPa；位移量測裝置由基準(zhǔn)樁、基準(zhǔn)梁和位移傳感器組成，本次試驗(yàn)位移傳感器的量程為50mm；自動(dòng)采集裝置為靜載荷測試儀，采集每級(jí)荷載作用下的位移讀數(shù).

3.3 高應(yīng)變動(dòng)測試驗(yàn)原理—實(shí)測曲線擬合法

實(shí)測曲線擬合法是在假定的樁土動(dòng)力學(xué)模型的前提下，編制相應(yīng)的計(jì)算程序，然后在計(jì)算程序中導(dǎo)入實(shí)測的波形曲線，以實(shí)測的速度波曲線（或?qū)崪y的力波曲線）為邊界條件，通過不斷調(diào)整土的彈限、土的最大靜阻力以及土的阻尼系數(shù)來計(jì)算力（或速度）的值，然后將計(jì)算曲線與實(shí)測曲線進(jìn)行對(duì)比，若結(jié)果不吻合，則繼續(xù)調(diào)整土層參數(shù)，直到計(jì)算值與實(shí)測值相符合為止，把此時(shí)的土參數(shù)值作為實(shí)際土的參數(shù)值，將得到的最大靜阻力值進(jìn)行求和，最終得出總的土阻力，并依此來計(jì)算樁的極限承載力［10，11］.具體分析過程如下：

（1）樁的計(jì)算模型

將樁視為連續(xù)桿件模型，分為N個(gè)彈性桿件單元（單元長度約為1m），各個(gè)單元長度的取值都必須使應(yīng)力波通過該單元的時(shí)間相等，且應(yīng)力波在傳播過程中不發(fā)生畸變.每個(gè)單元彈性模量與截面積的取值均來自于樁的彈性模量和截面積，同時(shí)假定土阻力作用在

②設(shè)定全部單元樁土參量；

③求解波動(dòng)方程計(jì)算另一條曲線；

④把實(shí)測曲線與計(jì)算曲線進(jìn)行比較；

⑤調(diào)整樁土體系的相關(guān)系數(shù)，反復(fù)迭代計(jì)算，使兩者的擬合程度達(dá)到相關(guān)要求，此時(shí)就認(rèn)為對(duì)樁土參數(shù)的假定與實(shí)際情況接近；

⑥輸出分析結(jié)果.

3.4 高應(yīng)變動(dòng)測試驗(yàn)設(shè)備

高應(yīng)變動(dòng)測試驗(yàn)系統(tǒng)主要由傳感器、基樁動(dòng)測儀和激振設(shè)備等三部分組成.本次試驗(yàn)采用的主要設(shè)備有：CYB-YB-F1K型力傳感器、SY-2型加速度傳感器、RS-1616K（S）型基樁動(dòng)測儀、激振設(shè)備為4000kg重錘.

4 靜載與動(dòng)測對(duì)比試驗(yàn)方案

為了更好地對(duì)比靜載法和高應(yīng)變法測出的樁基承載力，試驗(yàn)樁采用相同規(guī)格的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，試驗(yàn)點(diǎn)I的試驗(yàn)樁號(hào)為1#，試驗(yàn)點(diǎn)II的試驗(yàn)樁號(hào)為2#.試驗(yàn)樁的相關(guān)參數(shù)，見表3所示.

為保證樁基靜載與動(dòng)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比性，在判斷靜載試驗(yàn)達(dá)到極限破壞同時(shí)進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)測試驗(yàn).靜載試驗(yàn)前，在樁頂布設(shè)位移傳感器，通過磁芯表座固定在基準(zhǔn)鋼梁上，試驗(yàn)荷載由安裝在樁頂?shù)挠蛪呵Ы镯斨鸺?jí)加載.

為了測量不同土層的樁側(cè)摩阻力，根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)的土層分布情況（見表1和表2所示），沿著樁身不同土層的分界面布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變計(jì).為了測量樁端阻力，在樁底布設(shè)壓力傳感器.

表3 試驗(yàn)樁的相關(guān)參數(shù)

高應(yīng)變動(dòng)測試驗(yàn)前，在距離樁頂1米處的樁身表面布設(shè)加速度傳感器和力傳感器；對(duì)樁頭進(jìn)行加固處理，進(jìn)行激振設(shè)備的預(yù)擊打，調(diào)整好重錘下落高度.根據(jù)樁基靜載試驗(yàn)測量的各土層樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，修正高應(yīng)變動(dòng)測樁土動(dòng)力學(xué)模型的土層參數(shù)，繪制波形擬合曲線，確定樁基承載力.

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次靜載試驗(yàn)1#樁和2#樁的Q-s曲線和s-lgt曲線，如圖5和圖6所示.

由圖5可知，1#樁加載到3300kN時(shí)，加載累積沉降量為8.09mm，卸載累積回彈量為5.12mm，回彈率為63.3%，Q-s曲線平緩，無明顯陡降段，s-lgt曲線呈平緩規(guī)則排列.因此，1#樁豎向抗壓極限承載力Qu≥3300kN.

由圖6可知，2#樁加載到3100kN時(shí)，加載累積沉降量為7.05mm，卸載累積回彈量為5.02mm，回彈率為71.2%，Q-s曲線平緩，無明顯陡降段，s-lgt曲線呈平緩規(guī)則排列.因此，2#樁豎向抗壓極限承載力Qu≥3100kN.

圖5 1#樁的Q-s和s-lgt曲線

圖6 2#樁的Q-s和s-lgt曲線

本次高應(yīng)變動(dòng)測試驗(yàn)1#樁和2#樁的實(shí)測力波與實(shí)測速度波以及實(shí)測力波與擬合力波，如圖7至圖10所示.

圖7 1#樁的實(shí)測力波與實(shí)測速度波

圖8 1#樁的實(shí)測力波與擬合力波

圖9 2#樁的實(shí)測力波與實(shí)測速度波

圖10 2#樁的實(shí)測力波與擬合力波

由圖7和圖9可知，1#樁和2#樁的實(shí)測力波與實(shí)測速度波，這兩條曲線的上升段與第一峰值是重合的，說明在此時(shí)間段沒有明顯的土阻力作用；過了峰值后，由樁側(cè)土阻力作用產(chǎn)生的上行壓力波，使得力波與速度波開始分離.因而，實(shí)測曲線質(zhì)量良好，可用于擬合計(jì)算與分析.

由圖8和圖10可知，1#樁和2#樁的實(shí)測力波與擬合力波，以實(shí)測速度波為邊界條件，通過調(diào)整相應(yīng)擬合參數(shù)來擬合計(jì)算力波，將圖中擬合力波與實(shí)測力波進(jìn)行對(duì)比可知，兩條曲線的趨勢(shì)走向基本一致.

基于樁土動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用Matlab編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)的土層參數(shù)，反復(fù)調(diào)整擬合參數(shù)進(jìn)行實(shí)測曲線擬合分析，最終獲取試驗(yàn)樁豎向抗壓承載力的高應(yīng)變動(dòng)測結(jié)果，見表4所示.

表4 試驗(yàn)樁的高應(yīng)變動(dòng)測結(jié)果

通過對(duì)比本次試驗(yàn)的靜載與動(dòng)測結(jié)果，可知1#樁的靜載極限承載力為3300kN、動(dòng)測極限承載力為2870 kN，兩者相差13.03%；2#樁的靜載極限承載力為3100kN、動(dòng)測極限承載力為2748 kN，兩者相差11.35%.

6結(jié)論

（1）通過樁土動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB編制擬合計(jì)算程序，對(duì)實(shí)測高應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合計(jì)算，并與靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

（2）兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的樁基豎向極限承載力靜載與動(dòng)測試驗(yàn)結(jié)果相比，相差程度為13.03%和11.35%，高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法測出的樁基承載力要比靜載法偏低.

（3）根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)際的土層參數(shù)，通過修正樁土動(dòng)力學(xué)模型中的擬合參數(shù)，獲得的計(jì)算曲線與實(shí)測曲線擬合較好，高應(yīng)變實(shí)測曲線擬合法能相對(duì)準(zhǔn)確地測出樁基承載力.

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【責(zé)任編輯：吳躍新】

Experimental Study on Bearing Capacity of Pile in Huizhou Area Based on Dynamic Testing Method of High Strain

ZHONG Guosheng1，LIU Dinghuan2
（1.School of Architecture and Civil Engineering，Huizhou University，Huizhou 516007，Guangdong，China；2.Huizhou Bailuhu Touismr Enterprise Development Limited Company，Huizhou 516021，Guangdong，China）

In order to test the correctness and feasibility of high strain measured curve fitting method of pile，two test sites were selected in a construction site in Huizhou area，and field tests of vertical bearing capacity of pile were carried out using prestressed concrete pipe pile（Φ400，C80）.The following test results can be obtained:(1)According to the actual soil layer parameters of test sites，the relevant fitting parameters in dynamic model of pile and soil were modified；The fitting calculation programs were compiled by MATLAB，and the measured data of high strain were calculated；The calculated curves can fit well with the measured curves.(2)Compared with the static loading test results，the ultimate bearing capacity of pile of dynamic testing at two test sites was reduced by 13.03%and 11.35% respectively；The bearing capacity of pile measured by the high strain measured curve fitting method was relatively accurate.The research results can provide a theoretical basis for the design and bearing capacity testing of pile foundation.

pile bearing capacity；static loading；heaped loading method；high strain；measured curve fitting

TU 43

A

1671-5934（2017）03-0086-06

2017-05-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51464015）；廣東省高等學(xué)校人才引進(jìn)基金項(xiàng)目（A413.0210）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016A030313121）；惠州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B020004018）

作者簡介：中國生（1974-），男，江西贛州人，教授，博士后，研究方向?yàn)閹r土工程災(zāi)害檢測與控制，Email：70371482@qq.com。