PHC 管樁單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)對(duì)比分析

甘梓堅(jiān)

(佛山市三水區(qū)建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站)

0 引言

PHC 管樁自從上世紀(jì)80 年代國內(nèi)開始生產(chǎn)和使用，優(yōu)點(diǎn)顯著：造價(jià)相對(duì)低、運(yùn)輸方便、施工時(shí)效快、樁身強(qiáng)度高、成樁質(zhì)量較可靠，在樁基礎(chǔ)建設(shè)方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。

樁基主要作用在于保證樁身結(jié)構(gòu)性完整的情況下，將上部荷載沿著樁身傳遞到持力層。可見樁基承載力是否合格將極大地影響到建筑工程的健康與安全，因此樁基承載力檢測(cè)尤為重要。

目前單樁豎向抗壓承載力檢測(cè)通常采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變法試驗(yàn)，本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)兩種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討，并對(duì)承載力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以期給檢測(cè)人員及管理人員一定的參考和借鑒。

1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

1.1 靜載試驗(yàn)的原理和試驗(yàn)過程

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)分為慢速維持荷載法和快速維持荷載法。《建筑與市政地基基礎(chǔ)通用規(guī)范》GB55003-2021 強(qiáng)制性條文明確指出單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)應(yīng)采用慢速維持荷載法。

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)采用壓重平臺(tái)反力裝置。壓重平臺(tái)反力裝置提供荷載反力，在試驗(yàn)開始前將設(shè)計(jì)要求的承載力極限值對(duì)應(yīng)的堆載量一次性加上平臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)利用油壓千斤頂分級(jí)加載。

在分級(jí)加載的過程中，持續(xù)性觀察并記錄樁頂部隨著時(shí)間產(chǎn)生的沉降，最終通過基樁施壓的荷載（Q）與沉降（s）的曲線分析，判斷基樁破壞的形式及承載能力。

圖1 靜載試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 具體工程案例分析

佛山三水某工程A，該工程基樁采用樁徑為500mm的PHC 管樁，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，設(shè)計(jì)承載力特征值為2500kN，設(shè)計(jì)極限承載力為5000kN。要求最大試驗(yàn)荷載為5400kN。

地質(zhì)分布情況地面以下依次為人工填土、淤泥質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的五根受檢樁，自編號(hào)分別為ZK1、ZK2、ZK3、ZK4 和ZK5 號(hào)樁。五根受檢樁采用慢速維持荷載法后的Q-S 曲線如圖2，ZK2 的s-lgt 曲線見圖3。

圖3 ZK2 的s- lgt 曲線

根據(jù)圖2 數(shù)據(jù)按照地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范分析得各受檢樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果，如表1 所示。

表1 各受檢樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

圖2 受檢樁加卸荷載Q- S 曲線

5 根受檢樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，僅有ZK1 號(hào)樁滿足承載力特征值2500kN 的設(shè)計(jì)要求。其余的4 樁檢測(cè)承載力特征值分別為：1350kN、1890kN、1620kN 和1540kN，均不滿足設(shè)計(jì)為2500kN 的要求。

靜載試驗(yàn)結(jié)果分析簡(jiǎn)單、直觀且可靠，但是堆載過程安全風(fēng)險(xiǎn)較高，且耗時(shí)太長(zhǎng)，如圖3 所示ZK2 號(hào)樁整個(gè)加荷過程耗時(shí)約15 小時(shí)，一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備測(cè)完5 根樁共需要111 小時(shí)，經(jīng)濟(jì)成本較高。

2 高應(yīng)變法試驗(yàn)

2.1 原理及測(cè)試過程

高應(yīng)變法試驗(yàn)的基本原理：用重錘自由下落沖擊樁頂，使樁—土產(chǎn)生足夠的相對(duì)位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端阻力，再通過安裝在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接收樁的應(yīng)力波信號(hào)（錘上測(cè)力則通過安裝在重錘錘體和樁頂以下樁身兩側(cè)的加速度傳感器接收樁的應(yīng)力波信號(hào)），兩種測(cè)力方式最終均以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)分析處理力和速度時(shí)程曲線，從而判定樁的承載力和評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量完整性。

圖4 為樁上測(cè)力高應(yīng)變法測(cè)試示意圖。目前廣東省內(nèi)高應(yīng)變測(cè)力方法分為樁上測(cè)力和錘上測(cè)力，因PHC 管樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，彈性模量較高，在設(shè)計(jì)值較低，打擊力不大的試驗(yàn)條件下較難出現(xiàn)塑性破壞，所以在PHC 管樁上用樁上測(cè)力可以滿足日常試驗(yàn)要求。

圖4 高應(yīng)變法測(cè)試示意圖（樁上測(cè)力）

在高應(yīng)變法分析過程中，需要著重考慮土的非線性，是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，因此對(duì)從業(yè)人員的專業(yè)和經(jīng)驗(yàn)均有著較高的要求。

2.2 具體工程實(shí)例分析

佛山三水某工程B，地質(zhì)從地面以下依次為淤泥、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

PHC 管樁樁徑為500mm 壁厚為125mm，樁長(zhǎng)均為30m，設(shè)計(jì)特征值為1400kN，設(shè)計(jì)持力層為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。高應(yīng)變法共檢測(cè)20 根。其中取B25 號(hào)的Case 信號(hào)和曲線擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5 和圖6 所示。

圖5 B25 號(hào)Case 法FV 曲線和行波曲線

圖6 B25 號(hào)實(shí)測(cè)擬合法曲線

B25 的Case 法結(jié)果數(shù)據(jù)：FMX 為3533kN，VMX 為2.26m/s，DMX 為10.0mm，JC 值為0.4，RSP 為3099kN，BTA 為100%。

實(shí)測(cè)曲線擬合結(jié)果數(shù)據(jù)：Ru 為2951kN，Rs 為2239kN，DMX 為13.5mm，Jt 為0.4，MQ 為1.45。

最終承載力按照實(shí)測(cè)曲線擬合后的結(jié)果極限承載力為2951kN，樁身完整性為Ⅰ類。

高應(yīng)變法現(xiàn)場(chǎng)20 根現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間不到10 小時(shí)采集全部信號(hào)結(jié)束。安全風(fēng)險(xiǎn)較之靜載試驗(yàn)少很多。但不管是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集還是分析信號(hào)均需要具備一定的波動(dòng)學(xué)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，才能夠客觀準(zhǔn)確的反映真實(shí)情況。尤其是實(shí)測(cè)曲線擬合法，要擬合將近數(shù)十個(gè)參數(shù)，需要檢測(cè)人員具備一定的專業(yè)能力和經(jīng)驗(yàn)才能合理的分析出較準(zhǔn)確的動(dòng)測(cè)承載力結(jié)果。

3 動(dòng)靜對(duì)比分析

佛山三水某廠房項(xiàng)目C，PHC 管樁，其中取19 號(hào)樁進(jìn)行動(dòng)靜對(duì)比分析。樁長(zhǎng)為23.0m，樁徑為500mm，壁厚為125mm，設(shè)計(jì)承載力特征值2000kN。地質(zhì)分布情況地面以下依次為素填土、淤泥和強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。先進(jìn)行高應(yīng)變?cè)囼?yàn)，21 天后再進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。

高應(yīng)變用重錘5.0 噸在落距約2.0m 左右自由落錘進(jìn)行試驗(yàn)，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)用慢速維持荷載法。得到19 號(hào)樁高應(yīng)變擬合Q-S 曲線和靜載實(shí)測(cè)Q-S 曲線對(duì)比圖，如圖7 所示。

圖7 高應(yīng)變擬合Q- S 曲線和靜載實(shí)測(cè)Q- S 曲線對(duì)比

高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線擬合法得到的結(jié)果數(shù)據(jù)：極限承載力為3530kN，最大沉降量為21.08mm，殘余沉降量為7.79mm。靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)極限承載力為3892kN，最大沉降量為44.66mm，殘余沉降量為18.44mm。高應(yīng)變法測(cè)得的極限承載力偏保守。兩種方法提供的極限承載力誤差為9.3%。從圖7 可知：在加載較低時(shí)，兩種Q-S 曲線基本吻合，在加載較高時(shí)，兩種Q-S 曲線趨勢(shì)基本一致。卸荷時(shí)，實(shí)測(cè)Q-S 曲線是逐級(jí)緩慢恢復(fù)沉降，擬合Q-S 曲線基本呈線性恢復(fù)沉降。

分析認(rèn)為在加載較低時(shí)，受到樁周土阻力基本一致，所以沉降量也基本一致；在加載較高時(shí)，因試驗(yàn)作用的時(shí)間量級(jí)不一致，導(dǎo)致沉降量差異性增大。C 項(xiàng)目19號(hào)樁在兩種測(cè)試方法下得到的極限承載力誤差為9.3%，小于10.0%的誤差范圍內(nèi)，在檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果上可以接受。但是這個(gè)誤差取決于檢測(cè)人員的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)性影響較多。地質(zhì)資料各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)擬合分析時(shí)的作用也尤為重要。

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果直接客觀、分析較簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確可靠，直接得到Q-S 曲線。其缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)較大、經(jīng)濟(jì)成本高、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)果參數(shù)單一。

高應(yīng)變法優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)成本低、安全風(fēng)險(xiǎn)低、測(cè)試時(shí)間短效率高，結(jié)果參數(shù)除了提供承載力外還可以分析判定基樁完整性類別，能夠模擬土阻力分布情況。缺點(diǎn)：結(jié)果不是直接測(cè)量值，而是計(jì)算值，Q-S曲線為擬合計(jì)算值，不完全客觀；數(shù)據(jù)分析過程需要檢測(cè)人員專業(yè)性強(qiáng)且要有長(zhǎng)期的工程經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語

高應(yīng)變法在我國的應(yīng)用約40 年，住建部、交通部均發(fā)布了相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；廣東省也制定了地方標(biāo)準(zhǔn)。目前高應(yīng)變法對(duì)于基樁檢測(cè)的相關(guān)理論和實(shí)際運(yùn)用也已經(jīng)非常成熟。至于有些地方有不認(rèn)同的聲音，與部分從業(yè)者濫用高應(yīng)變有關(guān)：或錘重不夠，或?qū)I(yè)能力，或經(jīng)驗(yàn)性不夠。

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變法試驗(yàn)均能夠進(jìn)行單樁豎向抗壓承載力檢測(cè)，且兩者在承載力檢測(cè)結(jié)果基本一致。兩種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)均很明顯，在工程上根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行運(yùn)用即可。