嵌角礫狀白云質灰巖樁自平衡靜載試驗研究

雷坤明，吳禹辰

（1重慶市忠縣建設工程質量中心，重慶 404300；2合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽合肥 230000）

0 引言

樁的承載力可以采用高應變法、靜壓法和自平衡法進行測量，經過近20多年的發展，自平衡法也由傳統的單荷載箱加載發展到雙荷載箱加載，并被應用于樁基承載力及樁側摩擦阻力測量工程中[1]。自平衡法作為基樁靜載試驗的一種方法，通過將放置于樁身的平衡點處的荷載箱進行加載，保證測試過程中上下兩部分樁的承載力相等，從而測得樁身的側摩阻力與端阻力平衡以維持加載。對于地質條件復雜的樁基，使用雙荷載箱技術能解決單荷載箱測試中因平衡點失衡而導致所測承載力偏低的問題。近年來，國內外學者針對基樁自平衡法雙荷載箱測量技術的應用進行了廣泛研究[2-4]。龔成中等[5]對多種試樁進行了雙荷載箱測試技術應用研究。胡勇[6]通過雙荷載箱自平衡法對長大直徑樁進行了測定，為同類樁基承載力的確定與設計提供了依據。盧波等[7]通過對雙荷載箱測試技術進行應用研究，解決了單荷載箱測試中因平衡點確定不準確而導致所測承載力偏低的問題。李小娟等[8-9]分別研究了黏性土與砂性土下自平衡檢測過程中的轉換系數取值問題，提出轉換系數分別為0.7～0.8與0.6～0.7。龔成中等[10]針對深長嵌巖樁基承載特性進行了雙荷載箱技術試驗研究，實現了指定樁段的極限承載力測定。于榮林等[11]以天津東站220kV地下變電站工程為例，采用雙荷載箱自平衡試樁法對其試驗樁進行了承載力檢測。

可以看出，現有針對基樁承載力的自平衡檢測方法的研究主要以單荷載箱為主，而對于特定巖層條件下的雙荷載箱加載方式研究較少。本文以位于重慶秀山嵌角礫狀白云質灰巖地層的某擬建工程基樁自平衡檢測為背景，選取3根基樁進行靜載試驗，分析了試驗過程中的荷載-位移曲線及位移-時間曲線。本文研究結果可以為我國西南地區嵌角礫狀白云質灰巖地層基樁自平衡檢測應用提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

本文對重慶秀山縣某垃圾焚燒發電項目工程試樁進行靜載試驗 （自平衡法）。擬建項目面積70255.80m2，建設用地面積29023.71m2，總建筑面積 15791.03m2，其中地上建筑面積為15327.81m2，地下建筑面積463.22m2。試驗選取該工程的三個地點設置試樁進行靜載試驗，如圖1所示。擬建場地位于重慶市秀山縣，場地除南側外均緊鄰市政道路，交通方便。

圖1 測量對象及基樁布局圖

表1 嵌角礫狀白云質灰巖物理力學性質

勘察區屬亞熱帶濕潤季風氣候區，其熱量資源豐富，降雨充沛，四季分明，具有顯著的山區立體氣候特色。

據氣象站統計，秀山多年平均氣溫16.5°C，極端最高氣溫41.5°C， 極端最低氣溫-10.5°C （1977年1月29日），年無霜期260～270天。平均相對濕度81%，絕對濕度17.6豪巴，多為偏北風，年平均風速1.9m/s，最大瞬時風速可達20m/s。區內降雨量較充沛，但是分配不均，最大年降雨量1350.3mm，最小年降雨量783.2mm，多年平均降雨量1199.4mm，最大日降雨量178.3mm。場地紅線外北東側約10m處為秀山縣城鎮生活垃圾填埋場污水處理池。

本文研究對象試樁（旋挖灌注樁）為嵌巖段角礫狀白云質灰巖，以白云質灰巖角礫為主，粒徑約0.5～1.0cm，呈棱角狀，含約10%～15%白云質灰巖碎石，碎石粒徑約5～10cm，鈣質、白云質膠結為主，少量泥質膠結，中厚層狀構造，其物理力學性質見表1。巖芯較破碎，多呈散粒狀～碎塊狀，少量呈短柱狀，如圖2所示。

圖2 試樁嵌巖段角礫狀白云質灰巖

1.2 自平衡法原理

本文采用基樁自平衡測試方法進行基樁承載力及巖層側阻力測量，并使用雙荷載箱進行加載。該方法的基本原理是將荷載箱埋入樁基相應位置，通過高壓油管與放置在地面的高壓油泵相連。測量過程中由高壓油泵向荷載箱千斤頂充油加載，加載過程中其上部樁身的摩擦力及自重與下部樁身的摩擦力及端阻力相平衡保證維持加載，且荷載箱上安裝有位移桿進行位移數據測量。根據向上、向下Q-s曲線（荷載-位移曲線）判斷樁承載力、樁基沉降、樁彈性壓縮和巖土塑性變形。試樁自平衡測試法示意圖如圖3所示。

圖3 基樁自平衡測試法示意圖

2 現場測量

2.1 加載設備

該雙荷載箱自平衡測試試驗的加載設備主要由荷載箱、加載水泵、傳感器、數據采集系統組成。

（1） 荷載箱

荷載箱加載的率定曲線由計量部門標定，荷載箱參數詳見表 2。

表2 荷載箱參數表

（2） 加載水泵

加載水泵最大加壓值為63MPa，壓力傳感器精度達到相應規范要求。壓力傳感器亦由計量部門標定并提供標定證書。

（3）位移量測裝置

該試驗使用電子位移傳感器進行位移量測量，該傳感器量程50mm，每樁5支，通過磁性表座固定在基準鋼梁上。試驗過程中，2支用于測量荷載箱附近樁體的向上位移，2支用于測量荷載箱附近樁體的向下位移，1支用于測量樁頂處的向上位移。

（4）數據采集儀

數據自動采集儀采用適用于自平衡法檢測的專用配套系統，與電子位移傳感器等均有針對性的數據接口。

2.2 加載方式

（1） 加載程序

本次試驗采用雙荷載箱加載，先進行荷載箱Ⅱ（下荷載箱）加載，荷載箱Ⅱ加載完后不卸載，繼續進行荷載箱Ⅰ（上荷載箱）加載，試驗完后再統一卸載，如圖4所示。

圖4 雙荷載箱加載示意圖

由圖4可以看出，該加載試驗采用兩個荷載箱加載，樁體分為A、B和C三部分，黑色部位代表荷載箱，上荷載箱用Ⅰ表示，下荷載箱用Ⅱ表示。成樁滿足休止期后，先進行荷載箱Ⅱ加載，得到C段樁極限加載值。荷載箱Ⅱ加載完后不卸載，進行荷載箱Ⅰ加載，得到A段樁極限加載值。上下荷載箱加載均為獨立完成，因此試驗過程互不影響。

（2）加載分級

該雙荷載箱自平衡測試試驗采用的加載方式為慢速維持荷載法，分級荷載設置為最大加載值的10%，第一級加載值取分級荷載的2倍。試驗過程中不進行分級卸載，具體加卸載分級情況見表3。

表3 加載分級表

2.3 試驗步驟

靜載試驗步驟如下：

（1）每級荷載開始施加后，60min內每間隔5min測讀一次位移，60min后每間隔30min測讀一次位移；

（2）分級荷載開始施加30min后，將1.5h內每30min測得的位移值作為該小時位移量，當每小時位移增量不超過0.1mm且連續出現兩次時，位移變化進入相對穩定階段；

（3）當判斷位移變化速率進入相對穩定階段后，施加下一級荷載；

（4）終止加載。

3 結果分析

通過對秀山縣垃圾焚燒發電項目試樁靜載試驗現場所有檢測數據進行整理，分別繪制了試樁的豎向荷載-位移（Q-s）及位移-時間對數（s-lgt）曲線，如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知：

（1） 3# 試樁（下荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當加載至2500kN級時，下段位移增量已大于前一級荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過40mm，即終止加載，3#試樁下段樁極限加載值Qud取2250kN。3#試樁（上荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當加載至3600kN級時，上段位移增量已大于前一級荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過40mm，即終止加載，3#試樁上段樁極限加載值Quu取3200kN。

圖5 荷載箱Q-s曲線

圖6 荷載箱s-lgt曲線

（2） 2# 試樁（下荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當加載至2500kN級時，下段位移增量已大于前一級荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過40mm，即終止加載，2#試樁下段樁極限加載值Qud取2250kN。2#試樁（上荷載箱）加載值均已達到試驗方案的荷載箱最大加載值4000kN，且上段和下段位移均達到相對穩定標準，2#試樁上段樁極限加載值Quu取4000kN。

（3）1#試樁（下荷載箱）加載值均已達到試驗方案的荷載箱最大加載值2500kN，且上段和下段位移均達到相對穩定標準，1#試樁上段樁極限加載值Qud取2500kN。1#試樁（上荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當加載至2800kN級時，上段位移增量已大于前一級荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過40mm，即終止加載，3#試樁上段樁極限加載值Quu取2400kN。

（4）由圖6可以發現，由于2#試樁嵌入中等風化以上巖層的厚度較大，因此該曲線比較平緩，變形較小。說明嵌巖深度的增大，對提高樁基的承載力和變形是有利的。另外，由于上荷載箱的荷載對上部巖層側摩阻力有抵消作用，因此下荷載箱所測出的巖層側摩阻力比較可靠。

依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008），結合現場靜載試驗測得的下段樁極限加載值Qud和上段樁極限加載值Quu，可按下式求得試樁嵌巖段的極限端阻力和極限側阻力：

式中，W為上段樁自重與附加重量之和（kN），地下水位以下應取浮重度；

γ1為抗壓摩阻力轉換系數，巖石取1.0；

u為樁身周長（m）；

l為樁嵌巖深度；

Ap為樁端底面積。

通過式1計算得到3個試樁的極限側阻力標準值和極限端阻力標準值，計算結果如表4所示。

對表4所得的試樁極限側阻力qs和極限端阻力qp分別取平均值，可得試樁極限側阻力標準值qsk和極限端阻力標準值qpk，分別為：343kPa 和 4.7MPa。

表4 自平衡法測量結果

4 結論

本文針對重慶秀山地區的嵌角礫狀白云質灰巖樁，使用自平衡法對試樁的側阻力與端阻力進行測量，針對測量結果得到以下結論：

（1）通過對重慶秀山地區某嵌角礫狀白云質灰巖樁進行雙荷載箱自平衡試驗檢測，計算得出該工程試樁試樁極限側阻力標準值qsk和極限端阻力標準值qpk，分別為：343kPa和4.7MPa。

（2）該工程的雙荷載箱自平衡試驗成果表明，當基樁加載到13500kN時，樁底處于壓縮增強階段，仍具有一定的安全儲備，據此證明該工程沒有必要加大樁基的長度。

（3）本文使用自平衡靜載試驗對嵌角礫狀白云質灰巖地層條件下的基樁承載力進行了檢測計算，試驗過程中使用了雙荷載箱的加載方法。結果表明，該方法在嵌角礫狀白云質灰巖地層條件下效果較好，能夠較好地對試驗地層條件下基樁自平衡檢測進行分析，有一定的實用意義。