自平衡法靜載試驗在旋挖樁檢測中的應用

申進，黃崠崠

（1重慶市涪陵區(qū)教育基建后勤中心，重慶 408000；2重慶建筑工程職業(yè)學院，重慶 400020）

0 引言

自平衡法靜載試驗是一種新型的極限承載力檢測方法，該方法利用基樁的側(cè)阻力和端阻力可作為一對平衡力的原理，在大噸位樁承載力檢測時不受承載力和現(xiàn)場條件的制約，并能夠得到多方面的基本數(shù)據(jù)，使得該試驗的應用范圍得到拓展,且降低了成本,提高了安全性。

目前國內(nèi)外學者對基樁的自平衡法靜載試驗及應用進行了大量的研究，張自安等[1]對硃山湖北路西延伸段橋梁水下大樁徑樁基工程進行自平衡靜載試驗，研究成果為今后在水上試樁、坡地試樁、基坑底試樁、狹窄場地試樁積累了經(jīng)驗。韓慶祝等[2]探討了自平衡試驗檢測法的試驗原理和方法。徐國翔等[3]認為在一定的條件下，自平衡試樁法在工程樁基的靜載檢測方面有其優(yōu)越性，可檢測樁底注漿前后的承載力，為設計提供依據(jù)。王樹兵等[4]對自平衡法抗壓試驗與靜載法試驗數(shù)據(jù)進行對比分析得出了該工程的自平衡法轉(zhuǎn)換系數(shù)K值。分析結果表明，兩種試驗方法均取得了較好的效果，試驗數(shù)據(jù)為設計提供了重要資料，自平衡法也體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。魏亮等[5]介紹自平衡靜載試驗和自平衡深層平板載荷試驗的原理和方法。結合工程實例，對應用自平衡法試驗檢測大直徑大噸位樁基承載力進行分析與探討。劉斌等[6]對橋梁工程中樁基靜載試驗自平衡檢測法展開了分析與探討。張舒暢等[7]研究了孔灌注樁的承載特性，認為南岸試樁樁側(cè)摩阻力地勘報告值與實測值基本一致，南岸錨定區(qū)試樁樁側(cè)摩阻力地勘報告值與實測值存在一定差異。鮑育明等[8]介紹了一種新的靜力試樁法——自平衡法，提出了用荷載相等的原則，將該法測試結果轉(zhuǎn)化為常規(guī)靜載試驗結果的處理方法，該處理方法使樁極限承載力的確定更加容易，而且得到的樁極限承載力數(shù)值偏于安全，使自平衡法更具有實用性。徐勇[9]采用自平衡試樁技術對大直徑、大噸位、超長灌注試樁進行了系統(tǒng)而深入的研究。趙芳琴[10]采用自平衡法靜載試驗對佛山市和北公路主干線平勝大橋北引橋工程的某單樁進行試驗，檢測了試驗樁基的承載力。黃質(zhì)宏等[11]介紹了基樁承載力自平衡測試法在基樁（自平衡法）靜載試驗中的應用，并對測試數(shù)據(jù)進行整理和分析。應用結果表明，該法在基樁靜載試驗中是一種有效、方便的測試方法，可在類似工程中推廣使用。馬遠剛[12]建立了自平衡測試和群樁基礎計算模型。

本文詳細闡述了自平衡法的測試機理、試樁施工要求及試驗程序，對重慶某中學學生生活用房工程的E/2軸、B/3軸、C/3軸試驗樁進行單軸豎向靜載荷試驗，以確定基樁的承載力特征值是否滿足設計要求。

1 工程概況

該工程房屋建筑面積3004m2，結構層數(shù)為六層，結構形式為框架結構。基礎采用旋挖樁，試驗樁樁身混凝土設計強度等級為C25，施工方提高至C30。場地地質(zhì)構造位于羊角背斜東翼，西北側(cè)三公里處為接龍場斷層，巖層呈單斜狀產(chǎn)出，其產(chǎn)狀112°∠12°。根據(jù)場地周邊出露基巖進行調(diào)查和鉆探揭露表明，巖體中見兩組裂隙：第Ⅰ組裂隙：34°∠68°，裂面較平直，延伸長度4.0～8.0m，間距1.5～3.0m，閉合～微張，無充填，結合程度一般，未充水，屬硬性結構面；第Ⅱ組裂隙：86°∠65°，裂面較平直，延伸長度3.0～5.0m，間距1.0～2.5m，閉合，未見充填，結合程度一般，未充水，屬硬性結構面。

經(jīng)工程鉆探和收集資料，場地巖土層自上而下的工程地質(zhì)特征分布為：1）素填土：呈灰黑色、灰褐色，由粉質(zhì)粘土、頁巖碎塊石、煤渣及少量建筑垃圾組成硬質(zhì)物粒徑8～170mm，含量占10%～25%，稍濕，結構松散～稍密，松散層為上部1.0～3.0m，為新近回填，下部呈稍密狀，回填時間超過10年，為機械拋填形成。2）塊石土：灰色，主要由灰?guī)r塊石、碎石及少量砂巖碎石、巖石碎屑、粘性土組成，塊石多為棱形狀，塊徑一般0.50～1.20m，最大者達5.0m以上，含量占總質(zhì)量的35%～55%，稍濕，均勻性差，呈中密～密實狀，該層分布于整個場地，該層揭露厚度約52.60m，土體整體穩(wěn)定。3）頁巖：黑色，由粘土礦物組成，泥質(zhì)結構，頁理狀構造。本次鉆探未揭露該層，而勘察最近點（LYZK1）為擬建學生宿舍南側(cè)公路位置，揭露該層。該工程樁基采用摩擦端承樁，基礎持力層為中密～密實塊石土層，樁的極限側(cè)阻力標準值取150kPa，樁的極限端阻力標準值取4000kPa。

2 基樁自平衡法靜載試驗測試原理及設備

2.1 自平衡法靜載試驗測試原理

自平衡法靜載試驗是將一種特別設計的加載設備——荷載箱，與鋼筋籠連接。將荷載箱的高壓油管和位移棒同時引到地面，荷載內(nèi)設置一個或多個千斤頂并聯(lián)而成，為使荷載箱兩端的樁身受力均勻，便于和鋼筋籠焊接，在千斤頂上、下分別用適當厚度的鋼板連接。高壓油泵向液壓千斤頂充油進行加載。位移絲（棒）測量在荷載箱加載力下樁體的位移，測量荷載箱上、下部各自的承載能力，從而確定單樁豎向抗壓（拔）極限承載力。基樁自平衡測試法見圖1。

圖1 基樁自平衡測試法示意圖

2.2 測試設備

基樁試驗的測試設備：數(shù)據(jù)采集儀、荷載箱、位移傳感器、高壓油泵、油壓傳感器等。

2.2.1 加載設備

a）每根試樁采用一個圓形荷載箱，其加載值的率定曲線由計量部門標定。荷載箱原則上是盡量埋入樁的側(cè)阻力和端阻力平衡點位置，確保荷載箱上、下段樁承載力盡量同步發(fā)揮。試驗樁參數(shù)見表1，荷載箱安裝圖片見圖2。

表1 試驗樁參數(shù)一覽表

圖2 加載用荷載箱及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

b）高壓油泵：最大加壓值為60MPa，加壓精度為0.1MPa，油壓傳感器精度為1kN，其壓力表及油壓傳感器由計量部門標定。

c）電腦及數(shù)據(jù)采集儀，采集系統(tǒng)如圖2所示。

2.2.2 位移量測裝置

a）基準鋼梁采用腳手架管搭建，跨度為8m，安置在試樁的影響范圍之外，用于固定磁性表座。

b）量程50mm位移傳感器，單樁4只，采用磁性表座將其固定在基準梁上，2個位移傳感器用于測量樁身向下位移，2個位移傳感器用于測量樁身向上位移。

2.3 加卸載步驟

1）加、卸載分級，最大加載量：最大加載量=單樁承載力特征值；加載分級：分級荷載為最大加載量的1/10，第一級按2倍分級荷載加載；卸載分級：每級卸載量取加載時分級荷載的2倍。

2）觀測程序

a） 每 級 荷 載 加 載 完 成 后 按 恒 定 5min、15min、30min、45min、60min時間間隔進行讀數(shù)，然后施加下一級荷載。

b）基樁沉降穩(wěn)定標準：樁頂沉降量每小時不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次（分級荷載加載完成后30min開始，按1.5h連續(xù)三次每次30min的沉降測量值計算）。

c）樁頂沉降速率達到穩(wěn)定時，施加下一級荷載。

d）加載終止：出現(xiàn)下列情況之一，可終止施加荷載。

達到極限荷載：某級載荷作用下，基樁的位移量為前一級荷載下位移量的5倍；基樁的位移量為前一級荷載下位移量的2倍，且24h未達到穩(wěn)定；累計上撥量超過100mm。

e） 荷載卸壓時，每級恒定1h，按15min、30min、60min時間點進行測量樁頂沉降量后，進行下一級荷載卸載。卸載至0后，測量樁頂殘余沉降量，恒定3h，測量時間為15min、30min，以后每隔30min測讀一次。

圖3為靜載試驗現(xiàn)場。

圖3 靜載試驗現(xiàn)場照片

3 數(shù)據(jù)分析

通過對重慶某中學學生生活用房 （一期）工程E/2軸、B/3軸、C/3軸樁的現(xiàn)場靜載試驗檢測，對所有檢測數(shù)據(jù)進行分析，繪制豎向荷載-沉降（Q-s）曲線，如圖4所示。

由圖4可知，隨著荷載的施加，各試樁的向下位移向正方向逐漸增大，各試樁的向下位移向負方向逐漸增大，但向下位移增大的斜率較大。當荷載施加至2400kN時，B/3軸樁的向下位移為4.4mm，累計變形為18.31mm。向上位移為-0.4mm，累計變形為-1.52mm。C/3軸樁的向下位移為5.36mm，累計變形為36.35mm。向上位移為-0.25mm，累計變形為-1.33mm。當荷載施加至2700kN時，E/2軸樁的向下位移為4.68mm，累計變形為28.64mm。向上位移為-0.31mm，累計變形為-1.83mm。當荷載卸載至零時，E/2軸樁的向下位移為-3.64mm，累計變形為21.46mm。向上位移為0.47mm，累計變形為-0.88 mm；B/3軸樁的向下位移為-2.15mm，累計變形為13.53mm。向上位移為0.46mm，累計變形為-0.65mm。C/3軸樁的向下位移為-4.61mm，累計變形為27.16mm。向上位移為0.42mm，累計變形為-0.53mm。

圖4 靜載荷載試驗Q-s曲線

依據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》（DBJ 50-047-2006），其單樁豎向極限承載力標準值計算如式（1）：

式中，Qu上為上段承載力，Qu下為下段承載力；W為載荷箱體上部基樁自重力；r為系數(shù)，巖石r取1.0，粘土、粉土r取0.8，砂土r取0.7。

依據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》，上、下段的極限承載力按以下方法確定：

（1）對于陡變型Q-s曲線，按該曲線發(fā)生明顯陡變的起始點確定極限值；

（2）對于緩變型Q-s曲線，按該曲線的位移值確定極限值，極限側(cè)阻力取對應于向上位移S上=40～60mm對應的荷載；極限端阻力取對應于向下位移S下=40～60mm對應的荷載，或大直徑樁的S下=0.03～0.06D（D為樁端直徑，大直徑取低值，小直徑取高值）對應的荷載。

（3）若按上述兩種方法判定基樁的承載力未達到極限承載力時，則該值應取最大值。

依據(jù)規(guī)范對E/2軸、B/3軸、C/3軸試驗樁的Q-s曲線分析可知，該3根試驗樁在規(guī)定的荷載施加完畢，然后全部卸除后的殘余變形均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)Q-s曲線結果，3根試樁的相似位移均未達到40mm，因此根據(jù)現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，由樁的靜載試驗曲線可見E/2軸在最大加載量2700kN，B/3軸、C/3軸試驗樁在最大加載量2400kN時，樁端阻力和樁側(cè)阻力均未出現(xiàn)破壞。由此可判斷E/2軸試驗樁的單樁豎向極限承載力值為2700kN×2=5400kN，B/3軸、C/3軸試驗樁的單樁豎向極限承載力值為2400kN×2=4800kN。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定取單樁極限承載力試驗值的一半作為承載力特征值，即E/2軸試驗樁單樁豎向承載力特征值為2700kN，B/3軸、C/3軸試驗樁單樁豎向承載力特征值為2400kN。

4 結論

本文詳細闡述了自平衡法的測試機理、試樁施工要求及試驗程序，并對重慶某中學學生生活用房工程的E/2軸、B/3軸、C/3軸試驗樁進行了單樁豎向靜載荷檢測，得到了Q-s曲線分布，通過分析表明E/2軸樁單樁豎向極限承載力標準值為5400kN，單樁豎向承載力特征值為2700kN；B/3軸、C/3軸樁單樁豎向極限承載力標準值為4800kN，單樁豎向承載力特征值為2400kN。三根試驗樁均未破壞，承載力特征值均滿足設計要求。