基于靜載試驗(yàn)的單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)方法研究

摘 要：為明確樁基靜載荷試驗(yàn)各試驗(yàn)方式、極限荷載計算方法之間的異同點(diǎn)，擴(kuò)大樁基靜載荷試驗(yàn)適用范圍及場景，本文從理論分析和案例驗(yàn)證兩方面對比分析了快速法與慢速法、極限荷載法與Chin-Kondner推導(dǎo)法之間的差異，驗(yàn)證了快速法與慢速法在各級荷載下得沉降量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，二者壓縮量差值與荷載之間擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2大于0.97，并結(jié)合案例給出了二者之間的經(jīng)驗(yàn)公式，論證了極限荷載法與Chin-Kondner推導(dǎo)法的適用范圍，結(jié)果表明，Chin-Kondner推導(dǎo)法適用于85.71%的工況。本文研究內(nèi)容對提高樁基靜載荷試驗(yàn)質(zhì)量具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：樁基檢測；靜載荷試驗(yàn)；豎向承載力；極限承載力預(yù)測

中圖分類號：TU 47" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

對靜載荷試驗(yàn)來說，在試驗(yàn)方法方面有慢速法、快速法以及國外采用的維持荷載法等多種方法，其中，維持荷載法與快速法類似[1-2]?？焖俜ㄅc慢速法各有優(yōu)勢，關(guān)于在實(shí)際工程中選擇相應(yīng)的方式以及二者之間關(guān)系的相關(guān)研究工作較少[3]。此外，針對靜載荷試驗(yàn)的極限承載力預(yù)測方法，國內(nèi)外也進(jìn)行了研究，其中以極限荷載法及Chin-Kondner模型法較為常用[4]。靜載荷試驗(yàn)應(yīng)用廣泛且試驗(yàn)結(jié)果十分具有說服力，基于此，為進(jìn)一步提高靜載荷試驗(yàn)質(zhì)量，滿足復(fù)雜項(xiàng)目需求，本文對靜載荷試驗(yàn)的不同試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方式分別進(jìn)行研究，對比分析了快速法與慢速法、極限荷載法及Chin-Kondner模型法的異同點(diǎn)及適用范圍。

1 研究內(nèi)容概況

1.1 快速法與慢速法

靜載荷試驗(yàn)的慢速法與快速法之間的差別主要是各級荷載的維持時間，兩種方法的對比情況見表1，其中，慢速法要求各級荷載維持時間大于等于2h，快速法要求每級荷載維持時間大于等于1h，慢速法判穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)為1h內(nèi)沉降量不超過0.1mm，快速法判穩(wěn)條件為后15min內(nèi)沉降量小于上一個15min內(nèi)的樁頂沉降量[5]。除此之外，兩種方法的加載級數(shù)均為10～12級，終止試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均為出現(xiàn)可判定極限荷載的陡降段，卸載過程均為單級卸載量為加載量的2倍[6]。

1.2 快速法數(shù)據(jù)處理方法

快速法常用的資料整理方法為外推法，外推法中第N級荷載下，該級荷載穩(wěn)定后的沉降量與時間關(guān)系如公式（1）所示。

SN=αN+βN+ln（tN+1） " "（1）

式中：，tN為穩(wěn)定沉降量，mm；αN為第N級荷載下S-lnt曲線的截距，mm；βN為第N級荷載下S-lnt曲線的斜率。

快速法中常用的確定承載力特征值的方法主要有比例界限荷載值法、極限荷載值法和相對變形控制法。

除此之外，兩種方法所得Q-s曲線如圖1所示，可知慢速法與快速法的Q-s曲線均存在荷載作用下的3個階段：壓密變形階段（彈性變形階段）、局部剪切破壞階段（彈塑性變形階段）和整體破壞階段（塑性變形階段）。從曲線特征可知，慢速法與快速法在相同荷載下所產(chǎn)生的差值隨著施加荷載增加而變大，但二者在曲線形狀方面并無明顯差異[7]。綜上所述，從應(yīng)力應(yīng)變角度分析，慢速法與快速法在到達(dá)比例界限之前差異并不大，且二者之間存在一點(diǎn)關(guān)聯(lián)性。

2 樁基極限承載力計算方法

較為常用的靜載荷試驗(yàn)單樁豎向極限承載力計算方法包括極限荷載法和Chin-Kondner模型法。

2.1 極限荷載法

極限荷載是對應(yīng)超過樁的彈性壓縮（4mm）的變形的荷載加上土壤地震效應(yīng)，其中，Davisson極限荷載法的系數(shù)等于樁的直徑除以120，如圖2所示[8]。

因?yàn)檫@種方法可以從實(shí)際荷載-沉降曲線中得知最低的軸向壓縮能力估計值，而不需要任何推導(dǎo)，所以使用較為廣泛。該方法基于在應(yīng)變達(dá)到容量的假設(shè)，并試圖通過補(bǔ)償樁的剛度（長度和直徑）來估計該變形[9]。主要用于根據(jù)快速方法測試的打樁的測試結(jié)果。但是該方法需要靜載荷試驗(yàn)加載至樁基破壞附近，試驗(yàn)難度較大，可以用公式（2）計算沉降量。

S=aQ2" " " " " " " " " " " "（2）

式中：S為樁荷載作用下的樁沉降量，mm。

通過運(yùn)算，可得到公式（3）。

（3）

式中：STL為試樁時的樁沉降量；QTL為試樁荷載。

2.2 Chin-Kondner模型法

該方法與Davisson極限荷載法類似，應(yīng)用Chin-Kondner 方法，將結(jié)果值與沉降繪制成圖。經(jīng)過一些初始變化后，繪制的值落在直線上，這條線的反斜率即為極限荷載，如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

3 案例分析

3.1 快速法與慢速法對比分析

為分析慢速法與快速法之間的異同點(diǎn)，尋找二者之間的關(guān)系，本研究以前述理論研究內(nèi)容為基礎(chǔ)，對實(shí)際工程中的4根水泥土攪拌樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中根據(jù)樁身具體位置，將距離最近的兩根樁劃分為一組，避免地層非均質(zhì)性對試驗(yàn)結(jié)果的影響，共劃分2組，每組2根。對同一組內(nèi)的2根試驗(yàn)樁分別采用慢速法與快速法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程按照上文所述方法和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行控制，將試驗(yàn)所得結(jié)果匯總至表2。將試驗(yàn)過程中荷載與沉降關(guān)系繪制曲線，如圖3所示。兩組試驗(yàn)過程中的慢速法與快速法所得荷載-沉降曲線較為相似，同組試驗(yàn)中快速法與慢速法之間曲線線性特征基本一致，與上文所述兩種試驗(yàn)方法理論機(jī)理研究內(nèi)容一致。

圖4為將兩組試驗(yàn)結(jié)果中各級荷載的慢速法變形量與快速法之間的差值與荷載值繪制的曲線，分別對其進(jìn)行多元方程擬合，擬合結(jié)果表明，t1中兩種方法的差值可表示為公式（6），曲線擬合程度的R2=0.970；t2中兩種方法的差值可用公式（7）表示，曲線擬合程度的R2=0.995，說明慢速法與快速法在同級荷載下沉降量存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

S1=3.474×10-5p2-5.726×10-4p+0.735" " （6）

S1=3.338×10-5p2-16.127×10-4p-0.172 " " （7）

式中：S1為p級荷載下兩種試驗(yàn)方法所得沉降量差值，mm；p為加載荷載，kN。

為進(jìn)一步明確慢速法與快速法在各級荷載下的沉降量關(guān)系，本文在上述研究的基礎(chǔ)上采用多元方程的曲線形式，將公式（6）、公式（7）中相同位置的系數(shù)值取平均值作為經(jīng)驗(yàn)公式相應(yīng)位置的系數(shù)，最終給出描述樁基靜載荷試驗(yàn)中慢速法與快速法沉降量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，如公式（8）所示。

Sm=Sk+S1=Sk+3.406×10-5p2-10.927×10-4+0.282 （8）

式中：Sm為p級荷載下慢速法沉降量，mm；Sk為p級荷載下快速法沉降量，mm。

3.2 不同數(shù)據(jù)處理方法對比分析

表3總結(jié)了本研究中考慮的所有試驗(yàn)樁的荷載和沉降結(jié)果。由表3可知，參與計算的樁型種類包括灌注樁、鉆孔樁、CFA樁、PHC樁以及螺旋鉆孔樁等。表3中提到的樁設(shè)計容量是根據(jù)塑性理論計算的，安全系數(shù)為2.5或3.0，具體取決于巖土工程報告的可能精度，根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)。測試載荷的施加范圍是計算設(shè)計載荷的0.86倍～5.5倍。

采用上文所述2種方法對案例內(nèi)容進(jìn)行計算，計算所得結(jié)果見表4。從表4可以看出，極限荷載法只適用于所有分析案例的4個樁荷載測試，即28.57%，而Chin-Kondner推導(dǎo)法占所有分析案例的85.71%。說明Chin-Kondner推導(dǎo)法使用范圍更加廣泛。

4 結(jié)論

為進(jìn)一步提高樁基靜載荷試驗(yàn)質(zhì)量，擴(kuò)大適用范圍，本文對其試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理方法分別進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。1）對案例中的各組試驗(yàn)中的快速法與慢速法所得沉降量差值進(jìn)行曲線擬合，擬合得到相關(guān)系數(shù)R2大于0.97，說明快速法與慢速法在各級荷載下的沉降量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，并結(jié)合案例結(jié)果給出兩者之間的經(jīng)驗(yàn)公式。2）針對樁基極限荷載計算方法，極限荷載法只適用于所有分析案例的4個樁荷載測試，即28.57%，而Chin-Kondner推導(dǎo)法占所有分析案例的85.71%，具有更加廣泛得適用性。

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