靜荷載試驗與高應變動測技術確定單樁承載力

米焯華

在樁基礎設計中,單樁豎向承載力值是一個非常重要的參數,其取值準確與否關系到建筑物的安全和基礎投資的大小。目前主要的單樁承載力的檢測方法主要有靜載荷試驗法和高應變動力檢測法。靜載試驗是確定單樁豎向抗壓承載力最直觀和最可靠的方法[1],但靜載荷試驗價格昂貴、試驗時間長。樁動力測技術則測試時間短,試驗費用低,然而由于高應變動力檢測不僅在理論模型與靜荷載試驗中存在差異,在數據分析過程中參數的選擇不同都會引起承載力結果的誤差。

1 工程概況

根據某工程的巖土工程勘察報告,地層由上到下依次為:①素填土:松散,稍濕～濕,主要由黏性土和巖石碎塊組成(0 m～3.3 m);②砂質粉質黏土:稍濕,可塑(3.3 m～5.6 m);③細砂:濕,稍密(5.6 m～6.6 m);④砂質黏性土:稍濕,硬塑,含云母、石英等礦物,是基巖風化殘積土(6.6 m～15.5 m);⑤全風化花崗片麻巖:巖芯呈堅硬土狀(15.5 m～18.5 m);⑥強風化花崗片麻巖:巖芯呈堅硬土狀、碎塊狀(18.5 m～23.5 m)。

2 檢測方法原理

2.1 靜荷載法

靜載試樁法是傳統的承載力檢測方法,其測試管樁原理是:采用接近于建筑物實際工作條件的豎向抗壓靜載試驗,確定單樁豎向極限承載力。靜載試驗通過反力裝置分級對樁頂施加垂直荷載,在每級荷載作用下按規定時間間隔測讀樁頂沉降量獲得可供分析判定樁頂載荷與樁頂沉降關系的Q—s曲線。其極限承載力可通過滿足樁頂沉降量的條件或達到某極限值時求得,此時可認為巖土阻力已充分發揮或樁已破壞。

2.2 高應變動力測試法

高應變動力檢測是用重錘沖擊樁頂,使樁周土產生塑性變形,實測的力和速度時程曲線將全面反映巖土對樁的阻力作用和樁身力學阻抗的變化。通過波動理論分析得到樁土體系有關性狀,具體操作時分兩種方法:1)現場進行數據采集及凱斯法估算基樁承載力;2)室內進行實測曲線擬合法確定基樁承載力。

表1 試驗樁靜動結果對比

3 靜、動法測試結果

應用靜載法與高應變動力測試方法中的凱斯法與實測曲線擬合法對試驗樁進行測試,其測試結果如表1所示。

4 測試結果分析

在檢測效果較好時高應變動測檢測出來的承載力值與靜載試驗是比較接近的,但由于靜載試驗和高應變動測在檢測原理上、樁—土體系荷載的傳遞過程、計算方法以及受人為因素影響大小的不同,高應變動測檢測單樁承載力與靜載試驗有一定的誤差是必然存在的,在正常情況下高應變動力試樁對單樁承載力的檢測誤差在20%以內。表1數據顯示出動測法具有良好的可靠性。

凱斯法檢測單樁承載力變異性較波形擬合法大。因凱斯法是以3個近似假定為前提:1)樁身等阻抗,即除截面面積不變以外,樁身材質均勻,無明顯缺陷;2)樁周與樁尖土的動阻力全部集中在樁端,忽略了樁側土阻力;3)樁周與樁尖土的靜阻力模型為理想剛塑性體,忽略了應力波在傳播過程中的能量損耗,包括樁身中內阻尼損耗和向樁周土的逸散。但是其假定和實際工程樁都不完全符合,另外阻尼系數是一個綜合性經驗參數,準確取值困難,因此會在實際測試中產生誤差。

波形擬合法的數字模型比凱斯法更接近生產實際,它可以考慮抗自由阻尼的應力波能量衰減、樁身裂縫受力過程的閉合和張開、局部混凝土的非線性特性、土加卸載應力應變關系的不同變化、樁底沉渣或預制樁上抬引起的土隙等。它還可以不斷調整樁土各分段單元的參數,使計算和實測波形吻合,從而判斷單樁承載力。但是如何對各種參數進行取值還是要依賴工程技術人員的操作經驗。

5 靜載法與高動力應變法對比成立的條件

要使兩種測試方法結果具有可對比性,則兩者必須滿足以下條件:1)樁土體系在試驗時必須相同。此條件同時涉及兩因素,分別是時間效應因素與測試引起的擾動效應。巖土對樁的阻力在成樁后隨時間變化,由于不可能在同一時間內對一根樁進行兩種方法的測試,因此不論如何設計兩種試驗,它們均存在時間間隔,其樁土體系的相同只能是相對的。2)巖土的阻力必須在試驗時得以激發。樁在土中的位移與巖土阻力激發的程度有關,動測在樁頂每擊貫入度超過2.5 mm時能充分激發巖土阻力,否則樁身下部的巖土阻力由于未被充分激發的緣故,動測獲得的總阻力將低于其極限值。3)試驗時的破壞模式必須相同。靜載試驗的破壞模式可能是多種多樣,只有靜載試驗的破壞模式屬于巖土阻力被克服,靜動對比才有意義,如果是因為樁身材料的破壞而獲得靜載試驗的極限承載力,那么對比將毫無意義。動力試樁以激發土壤的極限阻力作為樁的極限承載力。

6 靜荷載法與高應變動力法所得結果差異性分析

1)高應變法是以行波理論為基礎,假定了樁和土的力學模型,雖然對其模型參數的取值范圍作了限定,但畢竟與樁和土的實際力學性狀存在一定的差別。這種誤差是由于高應變法原理本身引起的,需要通過大量的工程實踐經驗積累和特定樁型及地質條件下的動靜對比,來不斷完善樁—土力學模型及其參數的合理取值。2)樁在豎向荷載作用下,樁頂荷載是由樁側摩阻力和端承力共同承擔,且側阻和端阻的發揮是不同步的[2]。靜載試驗的荷載作用時間較長,與實際情況較為接近。而高應變動測所用重錘畢竟重量有限,而且自由落錘產生的力脈沖持續時間通常不超過20 ms,作用時間相對很短,使得土的動阻力影響加大,從而增加了承載力測試分析結果的誤差。3)高應變動測易受人為因素影響,由于每個檢測人員的技術水平不同,對樁和土的力學模型的理解程度不同,其主要參數的設定亦不盡相同。雖然都在合理的范圍內取值,但得出的計算結果卻不同,且實測曲線擬合法具有多解性,其結果并非惟一性。

7 結語

從目前來說,高應變動測技術的理論原理和實踐經驗雖然已經日趨成熟,并且可獨立完成對單樁承載力的判定,但影響因素較多,相對誤差較容易控制的靜載試驗而言,很多因素都能對高應變動力試樁產生誤差,其中對檢測結果產生較大影響的是其理論原理以及試驗人員的檢測經驗和水平等,只有通過試驗可靠度較高的靜載試驗來驗證高應變的承載力檢測,有目的地進行動靜對比,分析兩者之間產生誤差的原因,在工程樁的檢測時采取有效的措施,同時選用合適的樁—土計算模型,取得更為合理的參數,才能提高高應變單樁承載力檢測的可靠度。

[1]JGJ 106-2003,建筑基樁檢測技術規范[S].

[2]侯玉賓,吳繼敏.樁基檢測[M].南京:河海大學出版社,1998.

[3]宋 揚,吳忠良,趙 軍.某工程擴底灌注樁單樁承載力試驗結果分析[J].山西建筑,2008,34(21):93-94.