樁基靜載試驗檢測中荷載作用機理分析

【摘 要】基樁靜載試驗是目前進行承載力和變形特性評價的最可靠的方法。本文主要基于樁基靜載試驗的應用對樁基的荷載作用機理做進一步分析。

【關鍵詞】樁基；靜載試驗；荷載作用

靜載試驗主要是在樁頂部逐級施加豎向壓力、豎向上拔力或水平推力，觀測樁頂部隨時間產生的沉降、上拔位移或水平位移，以確定相應的單樁豎向抗壓承載力、單樁豎向抗拔承載力或單樁水平承載力的試驗方法。基樁靜載試驗是目前進行承載力和變形特性評價的最可靠的方法，也是其它方法（如基樁高應變法）與之進行比對的標準。本文主要基于樁基靜載試驗的應用對樁基的荷載作用機理做進一步分析。

一、單樁豎向受壓荷載作用機理分析

單樁豎向抗壓極限承載力主要由樁本身的材料強度和地基土強度二個因素決定。在初始受荷階段，樁頂位移小，荷載由樁上側表面的土阻力承擔，以剪應力形式傳遞給樁周土體，樁身應力和應變隨深度遞減；隨著荷載的增大，樁頂位移加大，樁側摩阻力由上至下逐步被發(fā)揮出來。在達到極限值后，繼續(xù)增加的荷載則全部由樁端土阻力承擔。隨著樁端持力層的壓縮和塑性擠出，樁頂位移增長速度加大，在樁端阻力達到極限值后，位移迅速增大而破壞，此時樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。

側阻主要受樁周巖土層性狀、成樁效應、樁材和樁的幾何外形、樁入土深度、時間效應等因素影響。飽和土中的成樁效應大于非飽和土的，群樁的大于單樁的。作用在樁身的水平有效應力成比例增大[1]。按照土力學理論，樁的側摩阻力也應逐漸增大；但實驗表明，在均質土中，當樁的入土超過一定深度后，樁側摩阻力不再隨深度的增加而變大，而是趨于定值，該深度被稱為側摩阻力的臨界深度。對于在飽和粘性土中施工的擠土樁，在施工過程中對土的擾動會產生超孔隙水壓力，它會使樁側向有效應力降低，導致在樁形成的初期側摩阻力偏小；隨時間的增長，超孔隙水壓力逐漸沿徑向消散，擾動區(qū)土的強度慢慢得到恢復，樁側摩阻力得到提高。

樁端阻力的發(fā)揮也需要一定的位移量。持力層的選擇對提高承載力、減少沉降量至關重要。樁端進入持力層的深度，一般認為，樁端進入持力層越深，端阻力越大；但大量實驗表明，超過一定深度后，端阻力基本恒定。關于端阻的尺寸效應問題，一般認為隨樁尺寸的增大，樁端阻力的極限值變小。

實際上，側阻和端阻的發(fā)揮和分布是相互作用、相互制約。

二、單樁豎向受拉拔荷載作用機理分析 抗拔計算的理論計算公式是先假定不同的樁基破壞模式，然后以土的抗剪強度及側壓力系數等參數來進行承載力計算。經驗公式則以試樁實測資料為基礎，建立起樁的抗拔側阻力與抗壓側阻力之間的關系和抗拔破壞模式。

在上拔荷載作用下，初始階段，上拔阻力主要由淺部土層提供，樁身的拉應力主要分布在樁的上部，隨著樁身上拔位移量的增加，樁身應力逐漸向下擴展，樁的中、下部的上拔土阻力逐漸發(fā)揮[2]。當樁端位移量超過某一數值（通常為6～10mm）時，就可以認為整個樁身的土層抗拔阻力達到極限，其后抗拔阻力就會下降。此時，如果繼續(xù)增加上拔荷載，就會產生破壞。

樁的抗拔承載力由樁側阻力、樁身重力組成，樁端真空吸引力一般不予考慮。樁周阻力的大小，受樁土界面的幾何特征、土層的物理力學特性等較多因素的影響；但粘性土中的抗拔樁在長期荷載作用下，隨上拔量的增大，會出現(xiàn)應變軟化的現(xiàn)象，即抗拔荷載達到峰值后會下降，而最終趨于定值。為提高抗拔樁的豎向抗拔力，可以考慮改變樁身截面形式。樁身材料強度也是影響樁抗拔承載力的因素之一。

影響單樁豎向抗拔承載力的主要因素包括樁周圍土體性質、土的抗剪強度、側壓力系數和土的應力歷史；樁自身因素包括樁側表面的粗糙程度、樁截面形狀、樁長、樁的剛度和樁材的泊松比；施工因素，如施工過程中樁周土體的擾動、打入樁中的殘余應力、樁身完整性、樁的傾斜角度等；休止時間，從成樁到開始試驗之間的休止時間長短對單樁豎向抗拔承載力影響是明顯的；另外，樁頂的加載方式、荷載維持時間、加載卸載過程等對單樁豎向抗拔承載力也有影響。

三、單樁受水平荷載作用機理分析 1、單樁水平靜載試驗確定

單樁水平臨界荷載和極限荷載，推定土抗力參數，或對工程樁的水平承載力進行檢驗和評價。當樁身埋設有應變測量傳感器時，可測量相應水平荷載作用下的樁身應力，并由此計算得出樁身彎矩分布情況，可為檢驗樁身強度、推求不同深度彈性地基系數提供依據。

2、受荷傳遞

在樁受荷初期，由靠近地面的土提供土抗力，土的變形處在彈性階段；隨著荷載增大，樁變形量增加，表層土出現(xiàn)塑性屈服，土抗力逐漸由深部土層提供；隨著變形量的進一步加大，土體塑性區(qū)自上而下逐漸開展擴大，最大彎矩斷面下移，當樁本身的截面抗力無法承擔外部荷載產生的彎矩或樁側土強度遭到破壞，使土失去穩(wěn)定時，樁土體系便處于破壞狀態(tài)。

3、破壞機理

樁土相對剛度的不同，樁土體系的破壞機理及工作狀態(tài)也不同。對于鋼筋混凝土彈性長樁，因其抗拉強度低于軸心抗壓強度，所以在水平荷載作用下，樁身的撓曲變形將導致樁身截面受拉側開裂，然后漸趨破壞；當設計采用這種樁作為水平承載樁時，除考慮上部結構對位移限值的要求外，還應根據結構構件的裂縫控制等級，考慮樁身截面開裂的問題；但對抗彎性能好的鋼筋混凝土預制樁和鋼樁，因其可忍受較大的撓曲變形而不至于截面受拉開裂，設計時主要考慮上部結構水平位移允許值的問題。

4、影響樁水平承載力的因素

影響樁水平承載力的因素主要包括截面剛度、材料強度、樁側土質條件、樁的入土深度、樁頂約束條件。

工程中通過靜載試驗直接獲得水平承載力的方法因試驗樁與工程樁邊界條件的差別，結果很難完全反應工程樁實際工作情況；此時可通過靜載試驗測得樁周土的地基反力特性，即地基土水平抗力系數，為設計部門確定土抗力大小進而計算單樁水平承載力提供依據。

四、地基受豎向荷載的變形分析

地基受豎向荷載作用變形主要分為三個階段。

（1）直線變形階段：地基土的變形是由于土的孔隙體積的減小即壓密所引起。

（2）局部剪切階段：壓板下地基土在發(fā)生壓密的同時，壓板兩側基礎邊緣處的應力首先達到極限平衡，土體產生剪切而發(fā)生塑性變形區(qū)，并隨荷載的增加，塑形變形區(qū)范圍逐漸擴大，下沉量顯著增大。

（3）完全破壞階段：壓板連續(xù)急劇下沉，即地基土中的塑性變形區(qū)不斷擴大。

在軟弱地基土中，基礎的豎向位移產生沿基礎周邊的豎向剪切，使基礎不斷向下刺入。在壓縮性較小的密實砂土或粘性土地基中，由于塑性區(qū)的不斷擴大而形成連續(xù)滑動面，土從載荷壓板下擠出來，形成隆起的土堆，此時地基完全破壞，即基礎壓板喪失穩(wěn)定。地基變形的三個階段是難以明確劃分的，只有對砂土和密實的粘性土地基比較典型。了使地基載荷試驗的結果能較好地描繪出地基土的變形特征，試驗前應施加預壓荷載，預壓荷載應等于卸去壓板以上土的自重，其相應的沉降量不計。加荷等級可分為8-12級，以后每級荷載增量，對較堅硬的土不超過25-50kPa，對于松軟的土，不超過10-25kPa。地基載荷試驗施加的總荷載不應少于設計荷載值的2倍，或應盡量接近土的極限荷載。

參考文獻：

[1]秋仁東.豎向荷載下樁身壓縮和樁基沉降變形研究[J].巖石力學與工程學報，2011， 30（11）：2375-2375.

[2]趙明華，尹平保，楊明輝等.高陡斜坡上橋梁樁基受力特性及影響因素分析[J].中南大學學報（自然科學版），2012，43（7）：2733- 2739.