自平衡樁試驗的影響因素分析

戴自然，徐再賢，吳福飛

(1.貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州黔嚴建設工程技術服務有限責任公司，貴州 貴陽 550004)

0 前 言

隨著近代工業技術和科學技術的發展，樁的材料、種類和樁基形式、樁的施工工藝和設備、樁基設計計算理論和方法、樁的原型試驗和檢測方法等各方面都有了很大的發展。由于樁基礎具有承載力高、穩定性好、沉降量小而均勻等特點，因此，樁基礎已成為在土質不良地區修建各種建筑物所普遍采用的基礎形式，在高層建筑、橋梁、港口和近海結構等工程中得到了廣泛應用[1-3]。

在國外，樁基承載力自平衡測試方法源于日本的中山(Nakayama)和藤關(Fujiseki)于1969年提出的樁端加載試樁法[4]。四年之后，通過他們不斷研究完善，于1973年取得了鉆孔樁的測試專利。之后該測試法在全球蔓延，許多學者不斷地對其進行研究、探討。1978年，Summii獲得預制樁的測試專利[5]。1973年，Gibson和Devenney采用類似技術測定在鉆孔中混凝土與巖石間的膠結應力[6]。20世紀70年代初，以色列的Afar Vasela公司發明了Tomer樁基檢測檢測技術并申請專利，基于Osterberg博士對該法做了大量研究、總結并推廣工作，因此，美國土木工程界又將該法命名為Osterberg-Cell載荷試驗或O-Cell載荷試驗[7-8]。至今，O-Cell載荷試驗法已被美國土木工程界接受，現已成為美國廣泛應用的一種載荷試樁新技術，美國深基礎協會(DFI)為此授予Dr.Osterberg“杰出貢獻獎”，并稱試樁已進入“Osterberg新時期”。

在國內，樁基承載力自平衡測試法于1993年被清華大學李廣信教授引入國內。同期，李廣信教授指導博士和碩士做了大量的理論研究和模型試驗，但自平衡測試技術作為一種新型的測試技術，礙于當時國內環境、技術、信息等條件的限制，并未引起國內工程界的注意。樁基承載力自平衡測試技術在我國開始應用于工程實踐始于1996年，當時，東南大學土木建筑工程學院在國內眾多單位理論研究的基礎上，與江蘇省建委合作對Osterberg試樁法進行研究，率先在國內將該法付諸實際，并于1999年編制了《樁承載力自平衡測試技術規程》(DB32/T291—1999)[9]，同時還開發了測樁軟件及數據自動采集系統。之后自平衡測試法在我國27個省市開始大范圍推廣應用。目前，已完成了300多個實際工程，積累了大量的實踐經驗，產生了巨大的社會和經濟效益。

1 自平衡試驗的影響因素

自平衡測試法發展到今天，技術已十分成熟，國內外亦有學者和研究機構對其進行了學術研究，對自平衡測試法的影響因素也有比較透徹的分析，經查閱相關資料，并對自平衡測試法的試驗影響因素進行分析總結，得出其影響因素主要如下：樁底沉渣及泥皮的影響、樁土間的相對剛度比Ep/Es、樁周土層間相對剛度比的影響、樁的長徑比影響、樁承載力的“時效性”以及試驗其他影響因素。

1.1 樁底沉渣及泥皮影響分析

從以往自平衡試驗應用實例可知，自平衡試樁法絕大多數應用在鉆孔灌注樁上，而鉆孔灌注樁有其特殊的成樁工藝，影響到我們試驗的主要是成樁工藝中的樁側泥漿護壁和樁底沉渣兩個因素。

樁側泥漿護壁的存在會大大降低樁的側摩阻力，經查閱相關研究資料[10]，樁頂的沉降會隨泥皮厚度的增加而增加，孔壁泥皮的厚度與施工所采用的清孔方式、護壁泥漿的類型、密度及成孔時間等因素有關，在同等條件下，若泥皮過厚，可增加樁頂沉降2～5 mm。

樁底沉渣對自平衡試驗的影響主要體現在下段樁的沉降位移上，對下段樁而言，其受樁底沉渣影響的典型下段樁荷載-沉降曲線(Q-s-)如圖1所示，下段樁在荷載施加之初由于樁周側摩阻力的存在，下段樁的位移量不明顯，如圖1中的o-a段所示。隨著荷載的增加，下段樁周側摩阻力達到極限，樁端開始受力。由于樁底有一定厚度的沉渣，也就是相當于樁底存在一個“軟墊”。其位移量急劇增加，曲線的曲率也越來越大，如圖1中的a-b段所示。隨著荷載繼續增加，位移量進一步增加，樁底沉渣越來越趨于密實，其壓縮模量逐漸增大，這就出現了在試驗的最后，位移趨勢放緩，曲率變小的階段，如圖1中的b-c段所示，之后再隨著荷載增大，樁端承載力達到極限。

圖1 受樁底沉渣影響的典型下段樁荷載-沉降曲線(Q-s-)

1.2 樁土間的相對剛度Ep/Es影響分析

不同樁土間相對剛度Ep/Es對自平衡試驗的影響主要體現在以下方面。

1)對上段樁軸力的影響：隨著樁土間相對剛度比的提高，在相同荷載下，雖然上樁軸力的整體分布方式變化不大，但上樁軸力沿樁身向上衰減變慢，這是由于當樁土相對剛度比增大時，樁周土體的摩阻力減小，對樁的約束作用減小，因此，上段樁軸力隨摩阻力作用的減小自然衰減就減慢。

2)對上段樁截面位移的影響：對于同樣長度的樁，在相同的荷載下，隨著樁土相對剛度比的提高，土體的剛度降低，變形量增加，上段樁樁底和樁頂位移增長較快。當樁土相對剛度比較小時，隨著荷載等級的增大，上段樁樁頂截面位移的增長趨勢將不如樁底截面位移增長的趨勢，但當樁土相對剛度比較大時，則上樁各截面位移增長趨勢趨于一致。

3)對樁身壓縮量的影響：在相同荷載下，隨著樁土相對剛度比的提高，樁身的彈性壓縮量增大。分析其原因，主要是因為隨著樁土相對剛度比的提高，上段樁軸力沿樁身向上衰減變慢，再根據材料力學知識，樁身的彈性壓縮量可用式(1)表示：

(1)

式中，ΔL為樁身彈性壓縮量；N(z)為樁身軸力；Ep為樁身彈性模量；A為樁身截面面積。

由以上公式可知，當軸力N(z)向上衰減變慢時，ΔL即樁身彈性壓縮量將增大。

4)對下段樁端阻力和側阻力分擔荷載比的影響：隨著樁土相對剛度比的提高，土體的剛度降低，變形量增加，下段樁下沉位移增大，端阻分擔的荷載將增大，經查閱相關研究資料表明，當Ep/Es>100后，端阻分擔的荷載比將不會十分明顯。

1.3 土層間的相對剛度影響分析

土層間的相對剛度主要是對樁的位移產生影響。當土層間的相對剛度比很小時，最理想化的情況就是各土層的剛度一樣，即相對剛度比為1，相當于樁周土層為均勻土層，土體的總體剛度較大，因此樁隨土體的剛體位移較小，樁體位移幾乎全由樁身壓縮組成；另一方面，較小的相對剛度使得上部土體的負摩阻力較下部土層減小不多，因此樁身軸力會緩慢減小，根據式(1)，樁身的壓縮量較大，隨著荷載箱壓力不斷增大，樁頂的位移將不會很大，但荷載箱處的上段樁樁底位移由于樁身壓縮量增大而增大。在樁身范圍內，各截面的位移量會明顯的增加，樁在剛體位移的基礎上有明顯的軸向變形。因此，在樁土相對剛度較小且土層相對剛度也較小的情況下，要注重考慮樁身壓縮量引起的位移。

當土層間的相對剛度比很大時，土體的總剛度較小，樁隨土體的剛體位移較大，荷載箱壓力主要由下層土來平衡(通常下層土的剛度比上層土的要大)，此時上部樁身的軸力較小，因此樁身的壓縮量較小。在這種情況下，樁底的位移取決于樁的剛體位移，在上部樁身范圍內，因軸力較小，軸向變形很小，樁的位移主要為剛體位移。下部樁身范圍內，因其軸力較大，軸向變形會很大，該段樁身的變形決定了樁的彈性壓縮量。土層間的相對剛度比主要對樁的位移組成產生影響，當土層間的相對剛度比較小時，樁的位移主要為樁的彈性變形。當土層間的相對剛度比較大時，樁的位移則要同時考慮樁的彈性變形和剛體位移。

1.4 樁的長徑比L/D影響分析

傳統靜載試驗在樁頂施加豎向作用力，其豎向由作用于樁側的總摩阻力Qs和作用于樁端的端阻力Qp共同承擔，如圖2所示，豎向力可以表示為：

Q=Qs+Qp

(2)

圖2 樁的側阻力與端阻力

樁側阻力與樁端阻力的發揮過程就是樁土體系荷載的傳遞過程。樁頂受豎向壓力后，樁頂壓縮并向下發生位移。樁側表面與土間發生相對運動，樁側表面開始受土的向上摩阻力，荷載通過側阻力向樁周土中傳遞，就使樁身的軸力與樁身壓縮變形量隨深度遞減。隨著荷載增加，樁身下部的側阻力也逐漸發揮作用，當荷載增加到一定值時，樁端才開始發生豎向位移，樁端的反力也開始發揮作用。所以，靠近樁身上部土層的側阻力比下部土層的先發揮作用，側阻力先于端阻力發揮作用，經查閱國內外大量相關資料，側阻力與端阻力發揮作用所需要的位移量也是不同的。大量的常規直徑樁的測試表明，側阻力發揮作用所需的相對位移一般不超過20 mm。對于大直徑樁，一般在位移量s=(3%～6%)d情況下，側阻力已發揮絕大部分的作用。但是端阻力發揮作用的情況比較復雜，與樁端土的類型與性質及樁長度、樁徑、成樁工藝和施工質量等因素有關。

對于巖層和硬的土層，只需很小的樁端位移就可充分使其端阻力發揮作用，對于一般土層，完全發揮端阻力作用所需位移量則可能很大。以樁端持力層為細粒土的情況為例，要充分發揮端阻力作用，打入樁sp/d為10%；鉆孔樁sp/d為20%～30%，其中sp為樁端的沉降量。

這樣對于一般樁基礎，在工作荷載作用下，側阻力可能已經發揮出大部分作用，而端阻力只發揮了很小一部分作用。只有對支撐于堅硬巖基上的剛性短樁，由于樁端無法下沉，而樁身壓縮量很小，摩擦阻力無法發揮作用，端阻力才先于側阻力發揮作用。

綜上所述，可對靜載試驗荷載傳遞作如下歸納：①一般情況下，側阻力先于端阻力發揮作用；②在工作荷載Qk作用下，對于一般摩擦型樁，側阻力發揮作用的比例明顯高于端阻力發揮作用的比例；③對于l/d較大的樁，即使樁端持力層為巖層或堅硬土層，由于樁身本身的壓縮，在工作荷載下端阻力也很難發揮。當l/d≥100時，端阻力基本可以忽略而成為摩擦樁。

對于自平衡試樁法的下段樁長徑比的影響基本與其相同，對于自平衡試樁法的上段樁，當樁徑相同時：L/D較小，樁的位移主要由樁體位移為主，樁的彈性壓縮量較小，但當L/D較大時，上段樁的樁頂位移將較小，但上段樁的樁底位移較大，樁的位移主要以樁的彈性壓縮量為主。當L/D>60時，樁的位移幾乎全由樁身壓縮組成。

1.5 樁承載力的“時效性”影響分析

當自平衡試樁為打入的擠土樁時，如果樁周土為飽和的黏性土時，則成樁時的擠壓和振動會在土中形成較高的超靜孔隙水壓力，使有效應力降低，結構的擾動和超靜孔水壓力升高會使樁周土抗剪強度降低，側阻力也就大為降低，但是如果放置一段時間，隨著土中超靜孔壓的消散，再加上土的觸變性可恢復土的結構強度，也會使側阻力逐漸提高。這就是所謂的樁承載力的“時效性”。因此，在自平衡試樁時需等待一定的時間使樁周土體結構強度恢復后才能進行試驗。具體時間在國內相關規范上都有規定，如《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2003)中第3.2.6條便有如下規定：樁基承載力檢測前的休止時間除應滿足試樁混凝土齡期達到28 d或預留同條件養護試塊強度達到設計強度外，當無成熟的地區經驗時，尚不應少于表1中規定的時間。

表1 休止時間

1.6 其他試驗影響因素分析

該類影響因素主要是指一些試驗過程中的一些人為和試驗儀器誤差等的影響因素，例如分級加載中油泵不能穩壓、試樁時早晚溫差對位移傳感器的影響、試樁時周圍環境影響等。該類影響大多屬于可控制的因素。試驗時，細節決定了試驗的成敗，試驗人員應該在試驗前做好充足的準備，并寫好試驗方案。

2 結 語

結合前期研究的基礎和相關資料，分析總結了自平衡樁試驗的影響因素主要有：樁底沉渣及泥皮的影響、樁土間的相對剛度比Ep/Es、樁周土層間相對剛度比的影響、樁的長徑比影響、樁承載力的“時效性”以及機器和人為因素。

[ID:010454]