塊碎巖地基的基樁承載力現場測試研究

張定忠，杜清超，林亮倫

(1.重慶市軌道交通(集團)有限公司，重慶 400016；2.重慶市建筑科學研究院，重慶400042)

塊碎巖地基指結構體為塊狀或碎石狀的似層狀巖質地基，主要指巫山、奉節、云陽一帶的巖質地基[1]。云陽及以下奉節、巫山地區巖石多由泥頁巖或灰巖、砂巖、泥灰巖互層組成，巖石受構造強烈作用，節理裂隙發育、巖體破碎。鉆探巖芯多呈粉砂、碎塊狀，少量短柱。對于這種塊碎巖地基，由于巖體破碎，現場一般不能取得試驗所需巖石芯樣，無法確定的巖石的單軸抗壓強度和地基承載力。塊碎巖地基的基樁承載力，需要通過現場單樁靜載試驗確定。常見的單樁靜載試驗方法有堆載法、錨樁法和自平衡法等。相較于其他方法，自平衡法具有無需額外反力裝置、測試時間短、加載噸位不受限制、場地適應性高、安全性好等優勢。

1969年，日本的中山先生最先提出將自平衡法運用于基樁靜載試驗的思路[2]。1995年，李廣信教授將自平衡法介紹到國內，并認為該方法測定的側阻力偏于安全[3]。由東南大學龔維明團隊于1996年開始實用性工程應用，并進一步完善荷載箱放置位置和向傳統靜載結果轉換等關鍵技術，形成一套完善的測試系統[4]。2017年，住建部發布JGJ/T403-2017《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規程》[5]。

本文依托巫山某建筑工程，開展三根試驗樁承載力自平衡法檢測。試驗樁樁端持力層為泥灰巖，研究試驗樁的基樁承載力，為該工程的工程樁設計提供依據，可供三峽地區類似工程積累工程經驗。

1 項目概況

1.1 工程概況

項目工程擬建場地位于重慶市巫山縣，屬構造剝蝕淺切割丘陵地貌。擬建物主要為1棟住宅(7+1F/-2F)、1棟幼兒園(2F/吊1F)、3棟商業(2F/吊1F、2F/吊1F、吊3F)及地下車庫(-2F)，擬建場地建筑物安全等級為一級、二級。建筑基礎采用樁基礎，基礎持力層為中風化泥灰巖。

為研究樁基設計的合理性和樁基豎向承載力的可靠性，現場對3根試驗樁進行靜載測試。試驗樁采用工程原位樁，各試驗樁參數見表1。

1.2 工程地質條件

示范區內地層有第四系人工填筑土(Q4ml)、殘坡積粉質黏土(Q4el+dl)，下伏三疊系中統巴東組(T2b)泥巖、泥灰巖。

表1 試驗樁參數

泥灰巖塊碎巖的天然單軸抗壓強度標準值為5.85 MPa，地基承載力特征值fak=1931 kPa；泥灰巖的極限側阻力標準值取140 kPa(表2)。

表2 巖土工程參數建議值

2 試驗方法概述

2.1 基本原理

根據地址勘察報告對基樁側摩阻力和端阻力大致平衡的位置進行估算。將自平衡試驗荷載箱放置于平衡位置處，并與基樁鋼筋籠進行焊接連接。將荷載箱的高壓油管和位移棒一起引到地面后澆筑樁身混凝土。混凝土達到齡期后，由高壓油泵向荷載箱充油而加載。荷載箱通過厚鋼板將力傳遞到樁身，無內力集中現象；其上部樁身的摩擦力與下部樁身的摩擦力及端阻力相平衡來維持加載。根據向上、向下荷載-位移曲線判斷基樁承載力(圖1、圖2)。

圖1 自平衡試驗原理

2.2 現場試驗

儀器設備包括：荷載箱、高壓油泵、油壓傳感器、位移傳感器、數據采集儀等。每根基樁架設4個位移傳感器，2個測量向上的位移，2個測量向下的位移，測試精度為0.01 mm。

圖2 自平衡荷載箱安裝

根據JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術規范》，本次分9級進行加載。每級加載量依次為最大加載至的20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70 %、80 %、90 %、100 %。每級荷載施加后，第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min測讀基樁向上、向下的位移量，之后每30 min測讀一次。卸載按照4級進行，每級卸載量依次為最大加載量的80 %、60 %、40 %、0。每級荷載維持l h，按第15 min、30 min、60 min 測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載。卸載至零后，應測讀樁頂殘余沉降量，維持時間為3 h，測讀時間為第15 min、30 min，以后每隔30 min測讀一次。加載方式采用慢速維持荷載法。

本次試驗每級加載或卸載的穩定標準：每1 h內樁的位移量不超過0.1 mm，并連續出現兩次。

達到下列條件之一，即終止加載：

(1)當某級荷載作用下，后一級荷載作用下的位移量為前一級荷載作用下位移量的5倍。

(2)某級荷載作用下，樁的位移量大于前一級荷載作用下位移量的2倍，且經24 h尚未達到相對穩定。

(3)已達到荷載箱的最大加載量。

(4)樁身向上的位移已經大于等于20 mm。

3 試驗結果分析

3.1 荷載-沉降特性分析

通過SZ1#、SZ2#、SZ3#三根基樁的現場試驗數據分析，得出基樁靜載實驗的荷載-沉降(Q-S)曲線(見圖3)。

(a) SZ1#樁

(b) SZ2#樁

(c) SZ3#樁圖3 基樁靜載試驗Q-s曲線

單樁豎向極限承載力標準值計算如下：

Qu=(Qu1-W)/r+Qu2

式中：Qu1為基樁上段的極限承載力；Qu2為基樁下段的極限承載力；W為荷載箱以上部分基樁的自重；本次試驗持力層為中風化泥灰巖，系數r取1.0。

表3 基樁承載力特征值計算結果 kN

上述試驗結果表明，以上3根樁的承載力滿足設計要求。

3.2 樁側摩阻力特性分析

基樁施工過程中，在樁身不同部位取標準試件，待混凝土試件齡期足夠后，在壓力試驗機上對試件進行彈性模量的測試，以試件彈性模量測試結果作為樁身混凝土的應力計算依據。

樁身軸力計算公式如下：

式中：Qi為截面處軸力kN，εh為混凝土的應變，σg為主筋的應力，Eg、Eh為主筋、樁身混凝土彈性模量kPa，Ag、Ah為主筋、樁身混凝土截面積m2。

平均樁側摩阻力可按下式計算

式中：Qi為第i截面軸力kN，li為第i層樁身長度m。

根據上述計算結果為：中風化泥灰巖區段，3根樁的平均樁側摩阻力計算值分別為167 kPa、156 kPa、141 kPa。故本次試驗得出中風化泥灰巖的樁側摩阻力為154.7 kPa。

4 結論

本次試驗樁的靜載荷試驗結果表明：

(1)本次試驗的3根基樁的極限承載力實驗值大于設計值，滿足設計要求。

(2)本次試驗的中風化泥灰巖的樁側摩阻力為154.7 kPa。側摩阻力實測值大于地勘經驗值，經驗值偏于安全。