基于砼基樁豎向荷載傳遞機(jī)理探討鉆芯法的應(yīng)用

(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350008)

基于砼基樁豎向荷載傳遞機(jī)理探討鉆芯法的應(yīng)用

■張志國(guó)

(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350008)

鉆芯法作為混凝土基樁成樁質(zhì)量檢測(cè)中的一種半破損檢測(cè)方法，具有比其他無損檢測(cè)方法更直觀的一面，尤其是在樁身混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方面，但也存在一孔之見代表性差的缺陷。為確保工程質(zhì)量的安全可靠，在鉆芯法檢測(cè)結(jié)果評(píng)定中，基于基樁豎向荷載傳遞機(jī)理方面考慮，結(jié)合工程算例，探討在鉆芯法的應(yīng)用過程中應(yīng)綜合考慮基樁具體受力狀況的必要性及相關(guān)注意事項(xiàng)。

基樁豎向荷載承載力鉆芯法抗壓強(qiáng)度

0 引言

在工程建設(shè)中樁基礎(chǔ)是一種被普遍采用的深基礎(chǔ)形式，基樁常常作為豎向受力構(gòu)件考慮，樁通過樁側(cè)阻力和樁端阻力將荷載傳遞給土體。在樁基計(jì)算中，按土對(duì)樁的阻力確定單樁承載力后，還要驗(yàn)算樁身材料強(qiáng)度是否滿足樁的承載力設(shè)計(jì)要求，對(duì)于混凝土樁而言，也就是要驗(yàn)算混凝土強(qiáng)度是否滿足樁的承載力設(shè)計(jì)要求[1]。在混凝土基樁施工過程中受成孔灌注方法、地層特性及各種突發(fā)狀況的影響，基樁易產(chǎn)生很多質(zhì)量問題，那么有針對(duì)性的檢測(cè)方法和手段就顯得尤為重要。聲波透射法及低應(yīng)變法雖然在檢測(cè)樁身完整性方面能達(dá)到較好的效果，但是在檢測(cè)樁身混凝土強(qiáng)度、樁底沉渣厚度及樁端巖土性狀等方面卻無法給出準(zhǔn)確的結(jié)果，而鉆芯法對(duì)于以上各個(gè)方面都能達(dá)到更為直觀準(zhǔn)確的檢測(cè)效果。鉆芯法在樁身完整性判定、樁身取樣抗壓及樁端巖土性狀判定等方面包含了一定程度的個(gè)人主觀因素，為了能客觀地反映基樁的成樁質(zhì)量，試驗(yàn)檢測(cè)人員有必要結(jié)合基樁的受力機(jī)理及樁周地層實(shí)際情況，有針對(duì)性的布孔取樣評(píng)定。必要時(shí)應(yīng)與設(shè)計(jì)單位溝通，為設(shè)計(jì)單位提供有針對(duì)性的檢測(cè)結(jié)果，以便設(shè)計(jì)單位進(jìn)行測(cè)算，確?；鶚妒褂玫陌踩煽?。

本文通過闡述基樁的豎向荷載傳遞機(jī)理并結(jié)合鉆芯法檢測(cè)工程實(shí)例，探討鉆芯法在實(shí)際應(yīng)用中依據(jù)規(guī)范但不拘泥于規(guī)范的針對(duì)性原則及相關(guān)注意事項(xiàng)。

1 基樁豎向荷載傳遞機(jī)理

在較小的豎向荷載作用下，混凝土樁身材料將發(fā)生彈性壓縮變形，樁與樁側(cè)土體發(fā)生相對(duì)位移后達(dá)到穩(wěn)定，這時(shí)樁側(cè)、端阻阻力總和與樁頂荷載處于靜力平衡。隨著樁頂荷載不斷增大，樁身的壓縮變形和樁土間相對(duì)位移相應(yīng)增大，樁側(cè)、端阻力也逐漸增大，樁身壓縮變形和樁土間相對(duì)位移沿樁身深度遞減，側(cè)阻力的發(fā)揮也相應(yīng)遞減。隨著荷載再增加，壓縮量和位移再增大，樁身下段側(cè)阻力和端阻力也逐步增大，在某一級(jí)荷載下，樁將出現(xiàn)不停滯下沉，這時(shí)樁側(cè)、端阻力充分發(fā)揮，即樁處于承載力極限狀態(tài)[2]。

在樁頂荷載逐級(jí)增加的過程中，樁截面的軸力、位移和樁側(cè)摩阻力不斷變化，起初荷載較小，樁身截面位移主要發(fā)生在樁身上段，荷載主要由上段樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，當(dāng)荷載增大到一定數(shù)值樁端產(chǎn)生位移，樁端阻力開始發(fā)揮。樁側(cè)極限摩阻力與所在的深度、土的類別和性質(zhì)、成樁方法等多種因素有關(guān)，而樁側(cè)摩阻力達(dá)到所需的樁土相對(duì)滑移極限值則基本上只與土的類別有關(guān)，一般黏性土為4～6mm，沙土為6～10mm。樁端阻力的發(fā)揮不僅滯后于樁側(cè)阻力，而且其充分發(fā)揮所需的樁底位移值比樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限所需的樁身截面位移值大得多，一般砂類土的樁底極限位移為(0.08～0.1)d,一般黏性土為0.25d，硬黏土為0.1d。因此，在工作狀態(tài)下，基樁樁端阻力的安全儲(chǔ)備一般大于樁側(cè)阻力的安全儲(chǔ)備[3]。

2 混凝土基樁鉆芯法

鉆芯法是一種半破損檢測(cè)方法，屬于直接法。適用于基樁直徑不小于800mm，基樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C25，檢測(cè)基樁混凝土齡期不小于28d的各類混凝土基樁。基樁鉆芯法可檢測(cè)基樁樁身完整性、樁長(zhǎng)、樁身混凝土強(qiáng)度、樁底沉渣厚度和樁端持力層巖土性狀，以評(píng)定基樁成樁質(zhì)量[4]。

3 結(jié)合基樁受力原理探討鉆芯法的應(yīng)用

3.1 從樁身混凝土正截面受壓角度進(jìn)行分析

某嵌巖樁樁徑1.2m,保護(hù)層厚度為40mm,樁身配筋率為0.5%，樁長(zhǎng)30m，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C25，樁頂豎向力為6600kN，干作業(yè)非擠土灌注樁，自樁頂往下0～10m范圍內(nèi)樁周土層為不排水抗剪強(qiáng)度小于10kPa的軟弱土層。

此樁為頻率取芯，根據(jù)規(guī)范規(guī)定初步打算鉆A、B共2個(gè)孔(如圖1所示)。A孔在樁頂下9.03～9.92m范圍內(nèi)芯樣側(cè)面見蜂窩、小溝槽，混凝土膠結(jié)稍差(如圖2所示)。B孔芯樣完整無缺陷(如圖3所示)。因樁頂往下0～10m范圍內(nèi)樁周土層為不排水抗剪強(qiáng)度小于10kPa的軟弱土層，考慮到壓屈影響可能導(dǎo)致樁身正截面受壓承載力不夠，為確定缺陷部位橫截面面積，故增設(shè)一個(gè)鉆孔C孔，經(jīng)鉆孔取樣，C孔在樁頂下9.11～9.87m范圍內(nèi)出現(xiàn)與A孔同深度位置基本一致的成樁效果，芯樣側(cè)面見蜂窩、小溝槽，混凝土膠結(jié)稍差。為了確認(rèn)薄弱部位的強(qiáng)度(結(jié)構(gòu)承載能力)能否滿足使用要求，在A、B、C三個(gè)孔同深度缺陷位置(表1所示)截取三組試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。芯樣試件抗壓強(qiáng)度的評(píng)定原則為同一組三塊試件強(qiáng)度值的平均值作為該組試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值，同一受檢樁同一深度部位有兩組或兩組以上抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值時(shí)取平均值作為該樁該深度處混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值[5]?？箟簭?qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

雖然在A、C孔同深度位置芯樣側(cè)面見蜂窩、小溝槽，混凝土膠結(jié)稍差，但由抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果可見，該深度部位抗壓強(qiáng)度代表值滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求，依據(jù)規(guī)范則可判定基樁的混凝土質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

考慮到缺陷橫截面積可能達(dá)到0.5倍樁身橫截面積，并且樁周0～10m存在軟弱土層，可能產(chǎn)生壓屈影響破壞，故對(duì)該樁正截面受壓承載力進(jìn)行了驗(yàn)算。從最不利條件考慮，樁身抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值取A、C孔平均值18MPa，不計(jì)入樁身縱向鋼筋的抗壓作用[6]。

圖1 開孔孔位

圖2 A孔(中)芯樣

圖3 B孔(中)芯樣

表1 芯樣試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表

樁身正截面受壓承載力驗(yàn)算如下[7]。

圓截面樁樁身換算截面受拉邊緣截面模量：

表2 樁身穩(wěn)定系數(shù)

表3 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(MPa)

混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[8]由A、C孔缺陷部位兩組芯樣抗壓強(qiáng)度平均值18MPa及表3按內(nèi)插法：

因fc是由實(shí)際抗壓值算得故不考慮成樁工藝系數(shù)的折減，取ψc=1.0。

由計(jì)算結(jié)果可知該樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。為驗(yàn)證該樁的實(shí)際承載能力，經(jīng)與施工單位溝通，采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。靜載試驗(yàn)按最大加載值1320t分10級(jí)加載，在第10級(jí)13200kN荷載作用下Q～s曲線產(chǎn)生明顯陡降，樁頭一側(cè)土體隆起，單樁豎向抗壓極限承載力取Q～s曲線發(fā)生明顯陡降起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值11880kN，承載力特征值為5940kN，不滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)五方商定該樁做原位返工處理。

3.2 從樁周土對(duì)樁支撐作用角度進(jìn)行分析

某摩擦樁樁徑1.8m,樁長(zhǎng)78m，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35，樁頂豎向力9900kN，樁周土層分布情況如表4所示。

表4 樁側(cè)土層分布情況表

該樁為頻率取芯，開孔3個(gè)，其中A孔在60.50～61.31m、B孔在60.55～61.26m、C孔在60.47～61.36m范圍內(nèi)芯樣嚴(yán)重離析(見圖4～圖6)，抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表5所示。由表5可知該深度位置(取為60.90m)芯樣試件抗壓強(qiáng)度深度代表值為11.1MPa，不滿足設(shè)計(jì)要求。為此，對(duì)60.90m處截面的樁身軸力進(jìn)行了理論計(jì)算[9]。

圖4 A孔(中下)芯樣

圖5 B孔(中下)芯樣

圖6 C孔(中下)芯樣

該截面樁身壓應(yīng)力：

本案例意在從理論上說明樁身軸力上大下小，在樁身下部存在低質(zhì)混凝土的既定事實(shí)的情況下，為減少加固補(bǔ)強(qiáng)處理費(fèi)用，縮短工期，可由設(shè)計(jì)單位根據(jù)基樁實(shí)際受力狀況及鉆芯法試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，以確定基樁能否滿足工程使用要求。

4 結(jié)束語

混凝土基樁鉆芯法試驗(yàn)檢測(cè)中芯樣抗壓取樣位置的選取要有針對(duì)性，以能反應(yīng)基樁薄弱部位狀況為準(zhǔn)則。芯樣試件抗壓數(shù)據(jù)離散性較大，為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性，在試件的截取加工過程中要確保尺寸的精準(zhǔn)。在鉆取樁底芯樣時(shí)，要特別注意掉桿及回水狀況，以便準(zhǔn)確反應(yīng)樁底沉渣厚度及性狀。試驗(yàn)檢測(cè)人員應(yīng)了解基樁的荷載傳遞機(jī)理，提供有針對(duì)性的檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果結(jié)合基樁具體受力狀況綜合判定處理，在依據(jù)規(guī)范的同時(shí)不拘泥于規(guī)范，確保工程質(zhì)量的安全可靠。

[1]陳希哲，葉菁.土力學(xué)地基基礎(chǔ)：第5版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013：371-372.

[2]劉興錄.注冊(cè)巖土工程師執(zhí)業(yè)資格專業(yè)考試300問[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2003：112.

[3]于海峰.全國(guó)注冊(cè)巖土工程師專業(yè)考試培訓(xùn)教材：第五版上[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：754-756.

[4]DB35/T 1446-2014，福建省公路工程基樁鉆芯法檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].福州：福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2014.

[5]JGJ 106-2014，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[6]GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[7]JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[8]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[9]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007.