樁身軸力與側(cè)阻力測(cè)試在大承載力靜載荷試驗(yàn)中的應(yīng)用

(上海市巖土工程檢測(cè)中心,上海 200072)

0 引言

在現(xiàn)代城市建設(shè)過程當(dāng)中，工程造價(jià)的高低，在設(shè)計(jì)階段尤為重要，特別是地下隱蔽工程。通常設(shè)計(jì)方在既有勘察資料的前提下，先進(jìn)行基礎(chǔ)承載能力的確定性試驗(yàn)——通過對(duì)先期打入的樁進(jìn)行承載能力檢測(cè)，設(shè)計(jì)人員才可掌握建筑場(chǎng)地大量的巖土工程信息，為后期的建筑設(shè)計(jì)提供安全可靠的質(zhì)量保障和前提。

而基樁質(zhì)量的好壞、承載力的大小對(duì)整個(gè)工程來說起著決定性的作用。現(xiàn)有的各種基樁檢測(cè)方法都有其各自的局限性，這一點(diǎn)正逐步得到人們的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的試樁方法如基樁高應(yīng)變動(dòng)測(cè)、靜載荷試驗(yàn)只能得到單樁的豎向抗壓或抗拔承載力值或極限承載力值，至于樁身、樁周土還不確切了解。當(dāng)試驗(yàn)的一批樁有的能滿足要求，而有的卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，碰到類似情況，在試樁時(shí)，對(duì)樁身內(nèi)力及樁側(cè)阻分布情況有過測(cè)試，就能分析出其中的具體原因，并可給出合理、經(jīng)濟(jì)適用的解決辦法。在這方面，我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)工作，并得到了令人滿意的效果。

同時(shí)，隨著人們對(duì)地下空間的不斷開發(fā)與利用，深層建筑物也在逐日增多。對(duì)深層建筑物基樁承載力檢測(cè)絕大部分都是在自然地面以靜載荷（少部分采用高應(yīng)變法）進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果代表的是從自然地面到樁端全部樁身所具有的承載力，而有效樁長(zhǎng)部分的真實(shí)承載力則不得而知。若遇到多種不利情況疊加時(shí)，實(shí)際有效基樁承載力可能會(huì)與折減估算值偏差較大，給之后的建筑物沉降量控制帶來不利因素。

1 基本理論

在力學(xué)研究領(lǐng)域，研究物體在外力作用下的變形和破壞規(guī)律，即變形體靜力學(xué)理論是工程樁內(nèi)力測(cè)試及樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

1.1 變形體靜力學(xué)基本假定及相關(guān)變形的基本形式

1.1.1 基本假定

（1）連續(xù)性假定：物體的結(jié)構(gòu)是密實(shí)、無空隙的，因而其力學(xué)性能是連續(xù)的。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，就可以把物體內(nèi)的一些物理量看成是連續(xù)的，用坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)來表示它們的變化規(guī)律；

（2）均勻性假定：物體內(nèi)各點(diǎn)材料均勻分布，其力學(xué)性能是均勻一致的。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，就可以取出物體的任意一小部分來分析研究，然后把分析的結(jié)果用于整個(gè)物體；

（3）各向同性假定：物體內(nèi)任一點(diǎn)處沿各個(gè)方向的力學(xué)性能都相同。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，在研究材料任一方向的力學(xué)性質(zhì)后，就可以將其結(jié)論用于其它任何方向。

1.1.2 相關(guān)變形形式

（1）軸向拉伸和壓縮：

受力特點(diǎn)：外力作用線與桿軸重合；

變形特點(diǎn)：桿件的長(zhǎng)度發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短；

這即是豎向抗壓、抗拔靜載荷試驗(yàn)樁承載力檢測(cè)時(shí)的基本變形形式。

（2）彎曲：

受力特點(diǎn)：由垂直于桿件軸線的橫向力作用，或作用于桿軸平面內(nèi)的外力偶引起的；

變形特點(diǎn)：桿件的軸線由直線變?yōu)榍€；

這即是水平靜荷載試驗(yàn)樁承載力檢測(cè)時(shí)的基本變形形式。

1.2 軸向拉伸和壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力、軸力

1.2.1 內(nèi)力的特點(diǎn)及計(jì)算方法

當(dāng)桿件受外力作用而變形時(shí)，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)位置發(fā)生改變，從而引起相鄰部分的附加相互作用力，這種物體內(nèi)部各部分之間由于外力作用而引起的附加內(nèi)力，稱為內(nèi)力。內(nèi)力特點(diǎn)及計(jì)算方法：

（1）內(nèi)力隨外力的增加而增加，達(dá)到某一極限值時(shí)，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生破壞；

（2）內(nèi)力與外加載荷的大小和約束的方式有關(guān)；

（3）內(nèi)力的分布與桿件變形有關(guān)；

（4）受力桿件中的內(nèi)力大小采用截面法求得。

1.2.2 軸力及軸力圖

當(dāng)外力F的作用線與桿的軸線重合時(shí)，內(nèi)力FN的作用線也與桿軸線重合，這種軸向內(nèi)力，簡(jiǎn)稱軸力。桿件在軸向拉伸時(shí)，軸力的指向離開截面；而當(dāng)桿件在軸向壓縮時(shí)，軸力的指向向著截面，通常把拉伸時(shí)的軸力規(guī)定為正，壓縮時(shí)的軸力規(guī)定為義負(fù)。當(dāng)桿件受到多個(gè)軸向外力作用時(shí)，在桿件的不同段內(nèi)將有不同的軸力。這也正是抗壓、抗拔試驗(yàn)樁的基本受力形式。為了表明桿內(nèi)的軸力隨截面位置的改變而變化的情況，常以軸力圖來表示。軸力圖，就是用平行桿件軸線的坐標(biāo)表示橫截面的位置，縱坐標(biāo)表示軸力值的大小，從而繪出表示軸力沿桿軸變化規(guī)律的圖形。

1.2.3 軸向拉伸與壓縮時(shí)橫截面上的應(yīng)力

根據(jù)平面假設(shè)，任意兩個(gè)橫截面之間所有縱向線段的伸長(zhǎng)（壓縮）都相等，又因假設(shè)材料是連續(xù)、均勻的，所以內(nèi)力在橫截面上是均勻分布的，且垂直于橫截面，即橫截面上只有正應(yīng)力σ（法向應(yīng)力），且是均勻分布的（見圖1）。因軸力FN是橫截面上分布內(nèi)力系的合力，而橫截面上各點(diǎn)處分布內(nèi)力即正應(yīng)力σ均相等，故有：

FN=∫σdA=σ∫da=σA

于是，拉（壓）桿橫截面上的正應(yīng)力為：

σ=FN/A

它的正、負(fù)號(hào)規(guī)定與軸力FN相同，以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

軸向拉伸（壓縮）桿，桿內(nèi)最大正應(yīng)力產(chǎn)生在橫截面上，而平行于桿軸的縱向截面上沒有應(yīng)力存在，因軸力為橫截面上分布內(nèi)力系的合力，據(jù)截面法原理，即可求得相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的軸力之差，即反應(yīng)了試樁兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)之間樁側(cè)摩阻力的大小。同時(shí)，工程中也把橫截面上的應(yīng)力作為拉（壓）桿強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。

圖1 軸向拉（壓）桿的變形與內(nèi)力示意圖

1.2.4 軸向拉伸與壓縮時(shí)的變形

軸向變形：直桿受軸向拉力或壓力作用時(shí)，桿件會(huì)產(chǎn)生軸線方向的伸長(zhǎng)或縮短，如圖2所示的等直桿原長(zhǎng)L變?yōu)長(zhǎng)L，桿的軸向伸長(zhǎng)為：

ΔL=LL-L

ΔL稱為桿的軸向絕對(duì)線變形。線變形ΔL與桿件原長(zhǎng)L之比，表示單位長(zhǎng)度內(nèi)的線變形，又稱軸向線應(yīng)變，以符號(hào)ε表示，即ε=ΔL/L。

由上兩式可見，ΔL和ε在拉伸時(shí)均為正值，而在壓縮時(shí)均為負(fù)值。

實(shí)驗(yàn)表明，工程中使用的大多數(shù)材料都有一個(gè)線彈性范圍。在此范圍內(nèi)，軸向拉（壓）桿的伸長(zhǎng)（或縮短）ΔL與軸力FN、桿長(zhǎng)L成正比，而與橫截面面積A成反比，引入比例常數(shù)E，即有：

ΔL=FNL/EA

即軸向拉伸或壓縮時(shí)等直桿的軸向變形計(jì)算公式。

引入σ=FN/A，ε=ΔL/L，可得到胡克定律另一表達(dá)式：

σ=Eε

上式說明：當(dāng)桿內(nèi)應(yīng)力未超過材料的比例極限時(shí)，橫截面上的正應(yīng)力與軸向線應(yīng)變成正比。比例常數(shù)E稱為材料的彈性模量，大小可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，量綱與應(yīng)力的量綱相同。彈性模量E表示材料抵抗彈性拉壓變能力的大小，E值越大，則材料越不易產(chǎn)生伸長(zhǎng)（縮短）變形。EA稱為桿件的抗拉壓剛度，它表示桿件抵抗彈性拉壓變形的能力。EA值越大，即剛度越大，桿的伸長(zhǎng)（縮短）變形就越小。

圖2 桿件軸向與橫向變形圖

2 樁身軸力的計(jì)算

（1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)刪除異常測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，求出同一斷面有效測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變平均值，并應(yīng)按下式計(jì)算該斷面處的樁身軸力：

式中：Qi—樁身第i斷面處軸力（kN)；

Ei—第i斷面處樁身材料彈性模量（kPa)；當(dāng)混凝土樁樁身測(cè)量斷面與標(biāo)定斷面兩者的材質(zhì)、配筋一致時(shí)，應(yīng)按標(biāo)定斷面處的應(yīng)力與應(yīng)變的比值確定；

Ai—第i斷面處樁身截面面積（m2)。

（2）每級(jí)試驗(yàn)荷載下，應(yīng)將樁身不同斷面處的軸力值制成表格，并繪制軸力分布圖。樁側(cè)土的分層側(cè)阻力和樁端阻力應(yīng)分別按下列公式計(jì)算：

式中：qsi—樁第i斷面與i+1斷面間側(cè)阻力（kPa) ；

qp—樁的端阻力（kPa)；

i—樁檢測(cè)斷面順序號(hào)，i= l，2，……，n，并自樁頂以下從小到大排列；

u—樁身周長(zhǎng)；

li—第i斷面與第i+1斷面之間的樁長(zhǎng)（m)；

Qn—樁端的軸力（kN)；

A0—樁端面積（m2)。

3 工程概況

本項(xiàng)目選址于浦東新區(qū)世博后灘西片區(qū)C02-01地塊內(nèi)，世博大道以東、規(guī)劃路以南、博成路以西、國(guó)展路以北，具體位置參見圖3。項(xiàng)目總投資370518.54萬元人民幣。項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括新建演出用房、劇目創(chuàng)作排練及制作用房、歌劇藝術(shù)教育及交流用房、配套設(shè)施和輔助用房、地下人防車庫(kù)等。設(shè)置劇場(chǎng)3個(gè)，大歌劇廳2000座、中歌劇廳1200座、情景歌劇廳1000座。項(xiàng)目總建筑面積146338平方米，其中地上建筑面積75204平方米，地下建筑面積70774平方米，地下通道360平方米。擬建建筑物地上6層、地下2層，部分結(jié)構(gòu)體位于地面以下約30米處，單樁承載力大。工程區(qū)域地質(zhì)情況參見表1。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)地理位置圖

表1 地基土主要土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

4.1 試樁基本資料（見表2）

表2 試樁主要技術(shù)參數(shù)

4.2 應(yīng)變計(jì)的設(shè)置

所有（抗壓）試樁全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)采用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行樁身軸力及側(cè)摩阻力量測(cè)。鋼筋應(yīng)變計(jì)在樁頭、設(shè)計(jì)樁頂、樁底處及其它主要土層分界面標(biāo)高設(shè)置。傳感器標(biāo)定的斷面設(shè)置在樁頂以下1.5～2.0m處，在標(biāo)定斷面上設(shè)置4個(gè)應(yīng)變計(jì)，其余各斷面設(shè)置3個(gè)應(yīng)變計(jì)。傳感器的量程、精度應(yīng)能滿足測(cè)試要求，并采取有效措施保證傳感器的成活率大于90%。各埋設(shè)標(biāo)高根據(jù)試樁處相鄰勘探鉆孔資料確定，或按設(shè)計(jì)圖中所示位置布設(shè)。

4.3 應(yīng)變計(jì)的安裝

（1）應(yīng)變計(jì)按指定位置沿樁周均勻分布，并焊在主筋上，并滿足規(guī)范對(duì)搭接長(zhǎng)度要求。

（2）在焊接應(yīng)變計(jì)時(shí)，為避免熱傳導(dǎo)使鋼筋計(jì)零漂增加，采用焊接方式，應(yīng)滿足以下要求：應(yīng)變計(jì)與鋼筋焊接可采用綁條焊。焊接時(shí)儀器應(yīng)采用棉紗包裹，澆水冷卻，使儀器溫度不超過60°，用冷水降低儀器溫度時(shí)，不要將冷水澆至焊縫處，以免影響焊接質(zhì)量。需保證焊接強(qiáng)度不低于鋼筋強(qiáng)度，并注意使受力鋼筋接頭應(yīng)距鋼筋應(yīng)變計(jì)兩端接頭不小于1.5m。電纜引出時(shí)，為了防止鑿樁頭時(shí)對(duì)電纜造成損壞，樁頂電纜外套1.5m長(zhǎng)的鋼管進(jìn)行保護(hù)。應(yīng)變計(jì)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)可參見圖4。

（3）儀器安裝并檢驗(yàn)正常工作后，經(jīng)檢測(cè)合格后，方可進(jìn)行混凝土灌注。在混凝土澆筑（灌注）時(shí)，采用水下灌注高流態(tài)混凝土的方式，避免振搗對(duì)傳感器和電纜的造成破壞。

（4）儀器安裝埋設(shè)完成后，應(yīng)及時(shí)觀測(cè)初始值，并做好標(biāo)記，以防人為損壞。吊放鋼筋籠子、澆筑砼以及后續(xù)土方開挖時(shí)，設(shè)置的傳感器需加強(qiáng)對(duì)檢測(cè)器件的保護(hù)，施工時(shí)采取采用管徑50mm，壁厚3.5mm的鋼管內(nèi)裝聚苯顆粒等材料進(jìn)行密封保護(hù)，伸出地面0.5m，并與鋼筋籠可靠固定，避免在樁身施工時(shí)脫落或受到破壞，造成無法進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 應(yīng)變計(jì)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)實(shí)景圖

4.4 樁身軸力測(cè)量

在靜載荷試樁測(cè)試過程中，每次加載完成后，即對(duì)所有應(yīng)變計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)讀與記錄，當(dāng)每層埋設(shè)多個(gè)應(yīng)變計(jì)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)不得對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行平均、刪除等。

表3 試樁1各級(jí)荷載作用下的樁身軸力

表4 試樁2各級(jí)荷載作用下的樁身軸力

表5 試樁3各級(jí)荷載作用下的樁身軸力

圖5 1#樁樁身軸力分布曲線

圖6 1#樁樁身側(cè)阻力分布曲線

圖7 1#樁靜載荷測(cè)試Q-S曲線

圖8 1#樁靜載荷測(cè)試s-lgt曲線

圖9 2#樁樁身軸力分布曲線

圖10 2#樁樁身側(cè)阻力分布曲線

5 結(jié)果與分析

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

（1）樁身軸力與側(cè)阻力深度曲線分別見圖5、圖6，試樁1靜載荷測(cè)試Q-S、s-lgt曲線見圖7、圖8，各級(jí)荷載作用下樁身軸力統(tǒng)計(jì)見表3。

（2）試樁2測(cè)試軸力見表4，樁身軸力與側(cè)阻力分別見圖9、圖10。

（3）試樁3測(cè)試軸力見表5，樁身軸力與側(cè)阻力分別見圖11、圖12。

圖11 3#樁樁身軸力分布曲線

圖12 3#樁樁身側(cè)阻力分布曲線

5.2 試樁曲線分析

根據(jù)實(shí)測(cè)截面處的應(yīng)變通過上述公式求得試樁樁身軸力與側(cè)阻力，繪制成樁身軸力與側(cè)阻力沿深度的分布曲線見圖11、圖12，從圖得出如下結(jié)論：

（1）基樁靜載荷測(cè)試無法對(duì)有效樁長(zhǎng)部分與其上部加長(zhǎng)部分的承載力進(jìn)行區(qū)分。

（2）對(duì)于大埋深、大承載力的建筑基樁，其承載力測(cè)試均在自然地面進(jìn)行，由于有效樁身上部尚有數(shù)拾米加長(zhǎng)樁身，后期基樁實(shí)際極限承載力要小于靜載荷測(cè)試極限值。

（3）試樁的軸力沿深度逐漸遞減向下傳遞，并且在不同的土層中有不同的遞減速率，呈非線性分布，反映出摩擦型樁的特點(diǎn)。

（4）在各級(jí)荷載作用下，樁身上部的軸力分布曲線斜率基木不變，說明樁身上部的側(cè)摩阻力已發(fā)揮充分。

（5）在各級(jí)樁頂荷載作用下，樁身上部一定深度范圍內(nèi)的樁側(cè)阻力是基本完全重合的，再次表明此深度范圍內(nèi)的樁側(cè)阻力已發(fā)揮充分；在此范圍以下，樁側(cè)摩阻力隨著荷載的增加而增加，這說明樁身下部的樁側(cè)阻力在逐步發(fā)揮出來。

（6）試樁在第三級(jí)荷載作用下，下部才出現(xiàn)側(cè)明顯的側(cè)摩阻力，且隨著荷載的增加，側(cè)摩阻力增大。這表明試樁下部的側(cè)摩阻力發(fā)揮是滯后于中上部的，在加載后期發(fā)揮程度逐漸增大。

（7）通過樁身軸力可以更加準(zhǔn)確的得出有效樁身長(zhǎng)度側(cè)阻力及端阻力的分布情況，較單純的靜載荷測(cè)試能更加真實(shí)反應(yīng)有效樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的受力情況，特別是當(dāng)樁頂埋深較大時(shí)（如地鐵、地下大型樞紐等），為工程質(zhì)量提供更加科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。