自平衡試樁法在中風(fēng)化白云巖樁基承載性能中的應(yīng)用

肖麗娜，黃質(zhì)宏，屈文濤，穆銳，蔡行，龐旭峰

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州貴陽550025； 2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350003；3.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津300384)

傳統(tǒng)的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)需要壓重平臺(tái)或者錨樁反力系統(tǒng)，占用試驗(yàn)場(chǎng)地，試驗(yàn)操作加壓裝置較復(fù)雜，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢。然而,近幾年發(fā)展起來的基樁自平衡法解決了一般荷載試驗(yàn)方法無法解決的驗(yàn)樁問題[1-6]。自平衡試樁法與傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法(如堆載法)等相比較而言，其具有試驗(yàn)裝置較簡(jiǎn)單、操作起來較方便、能夠適用各種試驗(yàn)場(chǎng)地、能夠測(cè)試大噸位、增強(qiáng)了適用性、性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在中國(guó)得到了廣泛運(yùn)用[7-11]。

結(jié)合自平衡試樁法的眾多優(yōu)點(diǎn)及本項(xiàng)目的試樁條件，本項(xiàng)目基樁承載力檢測(cè)優(yōu)先選擇自平衡試樁法，分析了中風(fēng)化白云巖巖基樁單樁極限承載力、樁身軸力、極限側(cè)阻力和基樁極限端阻力等技術(shù)參數(shù)，對(duì)樁基承載特性進(jìn)行了研究。

1 工程概況

擬建工程位于貴陽市某一區(qū)域，交通極為便利。擬建A、B座大樓位于擬建場(chǎng)地的西北側(cè)，其±0.00標(biāo)高為1 126.45 m；C、D兩座大樓位于擬建場(chǎng)地北側(cè)，其±0.00標(biāo)高為1 126.45 m；E座大樓位于擬建場(chǎng)地的南側(cè)，其±0.00標(biāo)高為1 133.95 m；F座大樓位于擬建場(chǎng)地東側(cè)，其±0.00標(biāo)高為1 135.45 m。擬建A、B、C、D、F樓相臨近，后期回填后將形成9.0 m高的回填邊坡，在擬建E樓及F樓相鄰處形成1.5 m高的回填邊坡，場(chǎng)地工程環(huán)境條件較為簡(jiǎn)單，試樁主要參數(shù)見表1。

表1 試樁主要參數(shù)

1.1 場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地所處地貌單元為侵蝕-溶蝕殘丘地貌，地勢(shì)總體較為平坦，起伏不大，最高點(diǎn)位于擬建場(chǎng)地西側(cè)，標(biāo)高約為1 131.50 m，最低點(diǎn)位于場(chǎng)地中央，標(biāo)高約為1 122.00 m，相對(duì)高差約為9.50 m。擬建場(chǎng)區(qū)巖層產(chǎn)狀傾向東，地質(zhì)情況穩(wěn)定。場(chǎng)區(qū)巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育至發(fā)育，巖體節(jié)理以閉合至微張開為主，泥質(zhì)至鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合差至一般。巖體實(shí)測(cè)產(chǎn)狀為90～110°∠55～65°，取其優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為110°∠50°。主要發(fā)育2組節(jié)理： J1,190～220°∠70～80°;J2, 300～330°∠50～80°。節(jié)理線密度2～3組/m，延伸長(zhǎng)度0～0.20 m不等，節(jié)理裂隙寬度一般為0～2.00 mm，節(jié)理裂隙面一般以泥、鈣質(zhì)膠結(jié)為主。場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀基本一致，未見活動(dòng)斷層通過，局部尚有溶蝕裂隙、溝槽、溶洞、石芽等巖溶形態(tài)發(fā)育，對(duì)巖體完整性及其工程性能影響較大。

1.2 巖土構(gòu)成及巖土質(zhì)量單元?jiǎng)澐?/h3>

擬建場(chǎng)地巖土主要由第四系覆蓋層及下伏基巖組成，巖土特征自上而下分述如下。

a) 雜填土(Qml)：雜色，新近回填，主要由碎石、塊石及黏土組成，塊石多為白云巖，塊石、碎石含量約為70%，黏土含量約為30%。

b) 耕土(Qpl)：以黑色為主，局部夾碎石塊，含大量植物根系，結(jié)構(gòu)松散，總體厚度不大。

c) 紅黏土(Qel+dl)：褐黃色，裂隙較發(fā)育，含錳質(zhì)成分，韌性中等，切面稍有光澤，局部含少量碎石團(tuán)塊，從上到下分為硬塑及可塑狀態(tài)。

d) 硬塑狀紅黏土：褐黃色，土質(zhì)較均勻，韌性中等，切面稍有光澤，局部含少量碎石團(tuán)塊。

e) 可塑狀紅黏土：褐黃色，土質(zhì)較均勻，可塑狀態(tài)，裂隙較發(fā)育，含錳質(zhì)成分，用手可捏成條狀，韌性中等，局部含少量碎石團(tuán)塊。場(chǎng)區(qū)土層、巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2、3。

表2 場(chǎng)區(qū)土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

表3 場(chǎng)區(qū)巖層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

2 自平衡試樁法測(cè)試原理

自平衡測(cè)樁法的主要裝置是一種可用于加載的荷載箱(圖1)。加載設(shè)備荷載箱與鋼筋籠連接后安裝在樁身下部，并將高壓油管和位移桿一起引到地面。試驗(yàn)時(shí)，通過油泵在地面向荷載箱加載，使得上、下兩段樁體受到一對(duì)大小相等，方向相反的作用力，且分別同時(shí)產(chǎn)生向上、向下位移。由于加載裝置簡(jiǎn)單，基樁施工過程中在樁端附近或樁身截面處預(yù)先埋設(shè)單層(或多層)特制的液壓千斤頂式荷載箱，荷載箱中的壓力可用壓力表測(cè)得，荷載箱向上、向下位移可用位移傳感器測(cè)得。因此，可根據(jù)讀數(shù)繪出相應(yīng)的3根試樁的上段樁、下段樁荷載的Q-s曲線，再根據(jù)位移協(xié)調(diào)原則，由此轉(zhuǎn)換計(jì)算得到相應(yīng)的樁頂豎向受荷的承載力大小及荷載-位移(Q-s)曲線，見圖2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單樁豎向承載力確定

自平衡試樁法不符合樁的荷載傳遞規(guī)律，在確定樁基承載力時(shí)，需要將測(cè)試結(jié)果等效轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)樁頂荷載-位移(Q-s)曲線，確定單樁的極限承載力。單樁豎向抗壓極限承載力可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)DBJ 52/T079—2016《基樁承載力自平衡檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[1]及JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》、GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12-13]，可確定各試樁的極限抗壓承載力極限值：

(1)

式中Qu——樁的單樁豎向抗壓極限承載力；Qsu——樁上段樁的極限承載力；Qxu——樁下段樁的極限承載力；W——樁荷載箱上部樁自重；γ——樁的向下、向上摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土的類型確定：黏性土、粉土γ=0.8；砂土γ=0.7；巖石γ=1。若上部有不同類型的土層，γ取加權(quán)平均值。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3根試樁在加載到預(yù)估極限加載值時(shí)均未發(fā)生破壞，且得到3根樁試驗(yàn)曲線均為緩變型。試驗(yàn)所得的Q-s曲線見圖3。將 1—3號(hào)試樁上段樁和下段樁的Q-s曲線(圖3)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，得到傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)Q-s曲線(圖4)。根據(jù)Q-s曲線的變化趨勢(shì)和樁體上、下段產(chǎn)生的最大位移，各試樁的承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 樁身軸力與摩阻力確定

根據(jù)樁體混凝土和鋼筋協(xié)調(diào)變形原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可得到1—3號(hào)試驗(yàn)樁在不同級(jí)別荷載下樁身軸力分布曲線，見圖5?，F(xiàn)場(chǎng)樁身采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼筋為HRB400，鋼筋直徑為12 mm，主筋數(shù)量為15 mm。因此有：

Ec=3.25×105N/mm2

Es=2.0×105N/mm2

樁身軸力可通過埋設(shè)的鋼筋測(cè)力計(jì)換算得到，其計(jì)算公式為：

Qi=εiEiAi

(2)

εc=εs

(3)

σc=εcEc

(4)

σs=εsEs

(5)

Pz=σsAs+σcAc

(6)

式中εc——某級(jí)荷載作用下樁身截面混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變量；εs——某級(jí)荷載作用下樁身截面鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)變量；σc——某級(jí)荷載作用下樁身截面混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力；σs——某級(jí)荷載作用下鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力；Ec——樁身混凝土彈性模量；Es——鋼筋彈性模量；Ac——樁身截面混凝土的凈面積；As——樁身截面縱向鋼筋總面積；Pz——某級(jí)荷載作用下樁身某截面的軸向力，kN。

計(jì)算得到3根試樁的樁身軸力分布見圖5。在每級(jí)荷載作用下，樁頂軸力為0，自上而下隨著深度的增加，上段樁、下段樁的樁身軸力都增加，這種受力特性符合上段樁摩擦樁的變化特性。另外，在整個(gè)加載過程中，樁身上段的軸力呈線性分布，下段的軸力隨荷載增加變化明顯。

根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 72—2004、JGJ 366—2004)、DB 2245—2004《貴州建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[14-15]反算基樁極限端阻力qpr及基樁極限側(cè)阻力qsr。其計(jì)算公式為：

(7)

(8)

式中Qu上——荷載箱上部樁的實(shí)測(cè)極限值；Qu下——荷載箱下部樁的實(shí)測(cè)極限值；Wi——荷載箱上部樁自重；Ap——樁端截面面積(進(jìn)行極限端阻力計(jì)算時(shí)，樁端截面積采用荷載箱面積)；μ——樁身截面周長(zhǎng)；l—荷載箱與距荷載箱1.5 m處鋼筋應(yīng)力計(jì)所在截面之間試樁樁身長(zhǎng)度(l=1.5 m)；Pz——極限荷載作用下距荷載箱1.5 m處鋼筋應(yīng)力計(jì)所在截面的軸向力。

經(jīng)計(jì)算1—3號(hào)試樁的極限端阻力極差為956 kPa，小于3根試樁平均值的30%(10 191×30%=3 057 kPa)。1—3號(hào)試樁的樁側(cè)極限側(cè)阻力極差為40 kPa，其小于3根試樁平均值的30%(607×30%=182 kPa)，因此對(duì)于中風(fēng)化白云巖，其基樁極限端阻力和基樁極限側(cè)阻力可取為3根樁的平均值。計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，3根試樁的極限承載力特征值分別為8 096、8 095、7 335 kN，各樁豎向抗壓極限承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 試樁試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

a) 試驗(yàn)得到的1—3號(hào)的Q-s曲線均為緩變型，無明顯拐點(diǎn)出現(xiàn)，且各樁上、下段樁產(chǎn)生的最大位移以及樁頂?shù)目偝两盗烤催_(dá)到規(guī)定的限值，即工程樁的承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

b) 在自平衡試驗(yàn)過程中，樁身軸力隨深度增加逐漸增大，呈線性變化規(guī)律，在靠近樁端時(shí)的軸力隨荷載增加變化較為明顯，出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。同時(shí)，樁頂處軸力趨向于零，符合上段樁摩擦樁的受力特性。

c) 研究結(jié)果表明，由于本建筑場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖體組成較為復(fù)雜，巖性、巖質(zhì)、層厚、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、風(fēng)化程度等在平面及剖面分布上的變化均較大，通過自平衡試樁法在中風(fēng)化白云巖巖基樁單樁承載力特征值、樁身軸力、極限側(cè)阻力和基樁極限端阻力的研究時(shí)，對(duì)于試驗(yàn)點(diǎn)以外各基礎(chǔ)(樁基)底部的基巖，若其巖質(zhì)、巖性、破碎程度及風(fēng)化程度與本試樁處基巖相同，且樁基成孔施工工藝(機(jī)械旋挖成孔工藝)一致，才可采用相應(yīng)的巖石極限端阻力和極限側(cè)阻力。