自平衡樁基靜載試驗(yàn)在工程中的應(yīng)用

□ 杜 靜

樁基礎(chǔ)是一種最為常見的基礎(chǔ)形式，在高層建筑、公路、橋梁、水利及港口工程中應(yīng)用極其廣泛。樁基礎(chǔ)屬于地下隱蔽工程，尤其是灌注樁，很容易出現(xiàn)夾泥、縮頸、斷樁或樁底沉渣過厚等問題，這些質(zhì)量缺陷嚴(yán)重影響樁身的結(jié)構(gòu)完整性和承載力，因此必須對(duì)基樁進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)[1]，以減少隱患，這也是保障地下結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的有效措施，對(duì)保證工程質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的基樁荷載試驗(yàn)方法有堆載法和錨樁法，前者需要大量的堆載，后者需要設(shè)置錨樁及反力大梁，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，存在一定的危險(xiǎn)性，而且對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地要求高。甚至受到荷載噸位、交通運(yùn)輸、場(chǎng)地條件等限制，許多樁基檢測(cè)試驗(yàn)無法正常開展。

20世紀(jì)80年代，美國學(xué)者Osterberg提出了自平衡法，將荷載箱預(yù)埋在樁底，通過試樁自身的反力平衡，測(cè)試樁基的端阻力和樁側(cè)摩阻力[2]。20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)教授李廣信首次將自平衡法引進(jìn)國內(nèi)[3]，隨后，龔維明團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)開始自平衡法的實(shí)用性研究和應(yīng)用，并制定了相應(yīng)規(guī)程進(jìn)行推廣[4]。目前，自平衡法已在全國20多個(gè)省市的多個(gè)工程中應(yīng)用。

1 自平衡樁基靜載試驗(yàn)原理

自平衡樁基靜載試驗(yàn)是將一種特殊設(shè)計(jì)的加載設(shè)備—荷載箱，與鋼筋籠焊接在一起，埋入樁的指定位置，澆筑混凝土成樁，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，由高壓油泵向荷載箱充油施壓，利用樁身自重、樁側(cè)阻力及樁端阻力相互提供反力的試驗(yàn)方法[5-7]，試驗(yàn)裝置原理如圖1所示。與傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法相比，自平衡法樁基靜載試驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 自平衡法檢測(cè)示意圖

第一，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便，試驗(yàn)占地面積較小，無須堆載和大型反力架，安全省事。第二，節(jié)省時(shí)間，當(dāng)土體穩(wěn)定或壓漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度即可測(cè)試，幾根樁可同時(shí)測(cè)試，大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。第三，試驗(yàn)后測(cè)試樁可作為工程樁使用。第四，試驗(yàn)費(fèi)用低，相比傳統(tǒng)方法可節(jié)省30%～60%成本。第五，應(yīng)用范圍廣，可應(yīng)用到水上試樁、坡地試樁、狹窄場(chǎng)地試樁、斜樁、嵌巖樁等復(fù)雜工況[8-9]。

除此之外，由于沿試樁樁身安裝了應(yīng)力（變）計(jì)和位移測(cè)點(diǎn)，自平衡法靜載試驗(yàn)還可得到樁側(cè)各土層的分層摩阻力和端阻力，不僅可以用于工程樁承載力檢測(cè)，也可為樁基優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此，自平衡法在樁基承載力測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用[10-12]，工程技術(shù)人員對(duì)其也進(jìn)行了大量的研究。自平衡法因提供反力的方式與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)不同，故而荷載傳遞規(guī)律與樁側(cè)摩阻力發(fā)揮不同于傳統(tǒng)靜載試樁，技術(shù)人員對(duì)此開展大量對(duì)比試驗(yàn)，蔡雨等開發(fā)自平衡室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，實(shí)行上、下段樁加載分離，避免因加載點(diǎn)位置設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致某段樁無法測(cè)得極限承載力的問題[13]。陳雪峰對(duì)7個(gè)自平衡試樁項(xiàng)目30根自平衡試樁的平衡點(diǎn)位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，明確平衡點(diǎn)設(shè)置在樁身長(zhǎng)度的1/5～1/3處（距樁端），能夠提高自平衡試樁的成功率[14]。徐長(zhǎng)節(jié)等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)自平衡法試樁的上部樁與靜載法試樁的樁身受力特性差別較大[15]，前者樁側(cè)摩阻力由下及上發(fā)揮，后者樁側(cè)摩阻力由上及下發(fā)揮。自平衡法試樁經(jīng)轉(zhuǎn)換后的Q～s曲線較平滑，加載值兩種方法的Q～s曲線有一定差異，隨著加載值的增大，兩者的曲線趨于一致。

本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)自平衡樁基靜載試驗(yàn)的工程應(yīng)用進(jìn)行探討，說明自平衡樁基靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)原理和試驗(yàn)過程，并結(jié)合具體的檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)樁的承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，希望對(duì)自平衡樁基靜載試驗(yàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中提供一定的參考[11]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程位于南寧市，場(chǎng)地較平整，根據(jù)勘察單位提供的資料，土層自上而下分為素填土、細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層。

（1）素填土：黃褐色、灰褐色，結(jié)構(gòu)松散，稍濕，主要由粉質(zhì)黏土組成，表層含植物根系，揭示層厚2.10m～13.50m，層底高程79.03m～87.88m，屬高壓縮性土。

（2）細(xì)砂：灰色、黃色，濕～稍濕，松散狀，礦物成分為長(zhǎng)石、云母、石英等，揭示層厚1.80m～10.80m，層底高程76.92m～81.96m，取擾動(dòng)土試樣6組做顆粒篩分，粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量平均占比為91.24%。

（3）強(qiáng)風(fēng)化巖層（E3b）：青灰色、灰褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖體較完整，呈硬塑土狀，層厚1m～10.80m，層底高程48.50m～84.48m。屬極軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類為Ⅴ級(jí)。

（4）中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖：紅褐色、青灰色，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖體較完整，未鉆穿該層。屬極軟巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類為Ⅴ級(jí)。

2.2 試樁概況

按照《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[16]第3.3.4條，《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》（GJ/T 403—2017）[5]第3.1.1條，受檢基樁數(shù)量不應(yīng)小于同一條件下基樁分項(xiàng)工程總樁數(shù)的1%，且不應(yīng)小于3根，故本工程隨機(jī)抽取6根工程樁進(jìn)行承載力檢測(cè)，樁號(hào)命名為SZ1～SZ6。根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》中提供的各土層側(cè)摩阻力，計(jì)算出單樁豎向極限承載力，并結(jié)合超前鉆成果，確定SZ1、SZ3、SZ4三根試樁不做后注漿處理，以入持力層中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖10m控制試樁樁長(zhǎng)，SZ2、SZ5、SZ6三根試樁進(jìn)行后注漿處理，并按此三根樁的側(cè)阻力的1.3倍計(jì)算出的單樁極限承載力大于等于13000kN控制樁長(zhǎng)。按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）第5.3.6條計(jì)算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，并計(jì)算出各樁極限承載力及荷載箱安裝位置，試樁信息如表1所示。

表1 試樁信息表

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》 和《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，采用慢速維持荷載法逐級(jí)加載。每級(jí)加載值為預(yù)估試驗(yàn)最大加載值的1/20，第一級(jí)按兩倍荷載加載，每級(jí)荷載達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行下一級(jí)加載，直至試樁破壞或達(dá)到試驗(yàn)要求，然后分級(jí)卸載[6]。SZ1～SZ6的Q～s曲線分別如圖2—圖7所示。以不注漿的SZ1和注漿的SZ5為例進(jìn)行說明，SZ1和SZ5樁預(yù)估試驗(yàn)最大加載值分別為14800×2kN和13000×2kN，分20級(jí)進(jìn)行加載，SZ1加載至13320×2kN時(shí)，上段位移增量為6.16mm，下段沉降量為18.11mm，比前一級(jí)荷載作用下位移分別增加9倍和35.5倍；SZ5加載至9750×2級(jí)荷載，較前一級(jí)荷載作用下位移分別增加1.1倍和11.6倍，根據(jù)《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 403—2017[2]第4.3.4條：“某級(jí)荷載作用下，荷載箱上段或下段位移增量大于前一級(jí)荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量超過40mm”，終止加載。

圖2 SZ1試樁Q～s曲線圖

圖3 SZ2試樁Q～s曲線圖

圖4 SZ3試樁Q～s曲線圖

圖5 SZ4試樁Q～s曲線圖

圖6 SZ5試樁Q～s曲線圖

圖7 SZ6試樁Q～s曲線圖

2.4 結(jié)果分析

通過試樁Q～s曲線發(fā)現(xiàn)，SZ1、SZ3～SZ6試樁的荷載—位移變化曲線均為陡變型曲線，根據(jù)《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)于陡變型曲線，確定極限加載值時(shí)，取曲線發(fā)生明顯陡變的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值[2]。因此SZ1、SZ3～SZ6試樁的極限加載值分別為：12580kN、12160kN、12040kN、9100kN和9100kN。SZ2試樁本次試驗(yàn)曲線屬于緩變型曲線，按照《建筑基樁自平衡靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》，緩變型曲線極限加載值可由位移量確定[2]，因此，SZ5試樁的極限加載值為9100kN。

2.5 數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)

根據(jù)各試樁的極限加載值，可按下式確定試樁的單樁豎向抗壓極限承載力[2]：

式中：Qu為單樁豎向承載力極限值，kN；Quu為上段樁的極限加載值，kN；Qud為下段樁的極限加載值，kN；W為荷載箱上段樁自重與附加重量之和，kN；γ1受檢樁的抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)[2]。

通過計(jì)算可得到每根樁的單樁極限承載力，見表2，實(shí)測(cè)極限承載力較地勘測(cè)算的極限承載力均有增大，3根后注漿的試樁極限承載力增大明顯，均增加1.7倍以上。

表2 自平衡法靜載試驗(yàn)承載力極限值

3 結(jié)語

（1）自平衡法省時(shí)省力，安裝簡(jiǎn)單、不受場(chǎng)地限制，無須配重，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

（2）在計(jì)算單樁豎向承載力極限值的公式中，抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)只是通過工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)獲得，缺乏理論計(jì)算，有待進(jìn)一步探索。

（3）在測(cè)試中，6根試樁的Q～s曲線上、下段樁的位移變化有所不同，上段樁曲線變化平緩，位移較小，沒有出現(xiàn)突變；而下段樁位移較大，曲線出現(xiàn)突變，這說明測(cè)試中上、下段樁沒有同時(shí)達(dá)到極限承載力，荷載箱的安裝位置并不是樁的平衡點(diǎn)位置。

（4）后注漿試樁的承載力極限值較由地勘測(cè)算的極限值增大1.7倍以上，樁基施工工藝可采用后注漿處理方式，為保證注漿質(zhì)量，主要可采用樁端樁側(cè)復(fù)式注漿，并注意漿液水灰比及注漿流量，注漿順序?yàn)橄葮秱?cè)后樁端。