秦望廣場地下綜合體樁基承載力自平衡試驗檢測技術

吳曉雷

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南250002）

1 引言

堆載法和錨樁法是較為常用的樁基檢測方法，但是，堆載法具有樁頂上部堆載物過重的缺點；錨樁法具有檢測效率低、危險性大等缺點，且這2種檢測結果均具有不準確性。而樁基承載力自平衡試驗檢測技術可以突破這2種方法的限制，簡化檢測操作過程，因此，在樁基工程中應用較為廣泛。

2 工程概況

秦望廣場地下綜合體為地下2層結構，總建筑面積約219 300 m2。地下1層規劃有公交首末車站、出租車車站、停車庫及商業開發區；地下2層為停車庫、地鐵站廳層。地下綜合體采用柱下鉆孔灌注樁+承臺基礎。該工程樁基主要有3種：立柱樁、抗拔樁、承載樁。鉆孔樁主要采用樁徑為1 200 mm、1 000 mm、800 mm的樁基。該工程鉆孔樁屬于超深樁基，穿越的地層復雜，易出現塌方、縮徑等問題，且施工效率低，進度緩慢，從而導致孔壁穩定性差等一系列問題。秦望廣場A1區域中，筆者所在單位施工范圍內存在工程樁185根，樁徑有800 mm、1 000 mm 2種，樁基長度有37.5 m、38.5 m、39.5 m、40.5 m、41.5 m、41 m 6種，入巖深度有1 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m 4種，持力層為12 3中風化石英閃長巖；存在4根試樁，其中，抗拔樁2根、承壓樁2根，樁徑有800 mm、1 000 mm 2種，試樁長度有48.05 m、50.05 m 2種，入巖深度有1 m、2.5 m 2種。

在該工程中，無法應用傳統錨樁法以及堆載法對樁基承載力進行檢測，因此，應用樁基承載力自平衡試驗檢測技術對其進行檢測。

3 樁基承載力自平衡試驗檢測技術概述

3.1 樁基承載力自平衡試驗檢測技術的優勢

與傳統堆載法及錨樁法不同，自平衡試驗檢測技術是指在施工過程中按照樁承載力的參數要求定型制作荷載箱，并將荷載箱放置在樁身底部，在樁頂部連接施壓油管以及位移測量裝置，待混凝土養護達到標準齡期后，通過頂部高壓油泵給底部荷載箱施壓，從而得出樁端承載力及樁側總摩阻力。相比傳統樁基承載力試驗檢測技術，自平衡試驗檢測技術優勢較多，例如，無須安裝反力裝置系統，可降低試驗成本；操作較為簡單，不需要大型設備，可以減輕技術人員工作壓力；此外，自平衡試驗法受場地限制較小，可以承受較大的噸位，經濟性能較好，所以，需積極推廣自平衡試驗檢測技術。

3.2 樁基承載力自平衡試驗檢測技術的影響因素

自平衡試驗檢測技術優勢較多，但也會受到諸多因素的影響，例如，樁基檢測專項方案、荷載箱的制作與安裝質量、測樁時間與測樁條件等。如果對這些影響因素的重視程度不夠，將會影響自平衡試驗檢測技術的應用效果。為此，在應用自平衡試驗檢測技術檢測樁基承載力之前，需要認真研究樁基檢測專項方案，確保方案中的樁位、樁徑以及承載力特征值與設計樁基相符；嚴格控制荷載箱制作與安裝質量，確保荷載箱的外形尺寸與被測樁基的鋼筋籠內徑尺寸相符，保障安裝質量符合要求；科學選擇測樁時間與條件，一般情況下，澆筑約15 d后，若樁身混凝土強度達到了設計強度的85%以上，就可以進行檢測，檢測前，需要利用超聲波法或小應變法檢測樁身完整性，判斷樁身是否存在斷樁、縮頸等問題。

4 試樁有限元模擬分析

4.1 構建模型

作為大型有限元軟件，ABAQUS可有效解決非線性問題，在工程中應用范圍較為廣泛。為此，為了模擬自平衡試樁過程、分析單樁在豎向荷載作用下的受力性狀，可以利用ABAQUS軟件進行模擬，有限元計算模型如圖1所示[1]。

圖1 有限元計算模型

為了模擬工程情況，可以利用Mohr-Coulomb模型模擬內摩擦角≥22°的土層，利用Drucker-Prager模型模擬內摩擦角＜22°的土層。土體寬度取樁徑的40倍，即32 m。之后，利用線彈性模型模擬狀體，利用ABAQUS基于允許彈性滑動的接觸算法模擬樁土界面模型。

施工前，樁基周邊土體在自重的影響下會產生變形等問題。但是，樁土之間由自重產生的側壓力與摩擦作用有直接聯系，所以，可以利用初始應力平衡方式在模型中增加自重效應，從而消除由自重產生的土體位移情況。

4.2 選擇參數

樁體彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.2。為了降低計算難度，假設各個土層的泊松比都是0.35，所以，泊松比的轉化系數就是0.62[2]。樁土界面之間的摩擦角會影響到摩擦樁的承載特性，對于黏性土，需要將其摩擦角設置為0.6°。

4.3 結果分析

在自平衡試驗加載過程中，樁的上段樁體與下段樁體都保持獨立，但在樁體與樁周土的相互作用以及樁周土的側摩阻力作用的影響下，上段樁體與下段樁體之間會相互影響。為了檢測上段樁體與下段樁體是否相互影響，需要利用自平衡試驗檢測技術在3種加載模式下通過樁體位移情況明確其是否相互影響。第一種加載模式為自平衡受力模式；第二種加載模式為上樁段樁底受向上的托樁力模式；第三種加載模式為下樁段樁頂受向下的壓樁力[3]模式。最終發現，在相同荷載、不同加載模式下，同一個位置產生的位移不同，這就說明上樁段與下樁段之間會相互影響、相互作用。

5 現場試樁

5.1 測試系統

需要在鋼筋籠下部焊接荷載箱，在荷載箱底部與頂部設置2根位移桿，并設置位移桿保護管，在設置位移桿保護管時，需要像高壓油管一樣沿著鋼筋籠引出地面。在試驗檢測過程中，需要在地面利用液壓泵為荷載箱施壓，使活塞頂開荷載箱頂蓋與底蓋，這時就可以通過位移桿頂端的百分表確定其位移量[4]。再根據工程勘察報告提供的地質資料，在土層分界面設置混凝土應變計與振弦式鋼筋計，可以將混凝土應變計與振弦式鋼筋計換算為樁身軸力，繼而相互調整。同時，應在樁端對稱設置2個土壓力盒，測定樁端應力。SZ1樁儀器布置情況如圖2所示，SZ2與SZ3樁儀器的布置原則與其相同。

圖2 SZ1樁儀器布置

根據相關規范，需要采用慢速維持加載法，利用油泵對荷載箱進行加壓，促使荷載箱頂蓋與底蓋發生位移。

5.2 荷載-位移特性分析

在試驗過程中，試驗樁采用的是慢速維持加載法，第一級荷載是1 540 kN，之后每一級荷載都比上一級荷載多770 kN。當荷載達到8 470 kN時，荷載箱位移量以及樁頂位移量都比上一級荷載作用下的位移量多5倍，這時，需要停止加載，之后再逐級卸載，分級卸載量為1 540 kN。試驗樁的Q-s（荷載-位移）曲線如圖3所示。

圖3 SZ1、SZ2、SZ3的Q-s曲線

從圖3可以看出，3根試驗樁的曲線形態相似，沉降量也沒有較大差別。同時，3根試驗樁的上樁段位移與下樁段位移都呈漸進式發展趨勢，當荷載最大時，沒有被破壞。當卸載后，SZ1樁的上樁段位移回彈率為74.4%，下樁段位移回彈率為68.1%；SZ2樁的上樁段位移回彈率為72.7%，下樁段位移回彈率為68.2%；SZ3樁的上樁段位移回彈率為70.9%，下樁段位移回彈率為74.1%。這些情況都說明，3根樁的上樁段與下樁段都沒有進入塑性破壞階段，即承載力未全部發揮。

5.3 樁身軸力特性分析

在各級荷載作用影響下，樁身軸力F隨著深度H的分布如圖4所示。從圖4可以看出，3根試驗樁軸力分布十分相似。即在自平衡試驗檢測過程中，樁身軸力會從荷載箱的位置同時向上、向下傳遞。其中，上樁段減小的軸力主要是由樁自重以及樁與土的側摩阻力共同承擔，但下樁段減小的軸力只有樁與土的側摩阻力承擔。并且上樁段曲線斜率會自上而下不斷增大，這是因為在這一方向上樁段軸力會受到自重與樁側摩阻力的影響而不斷增大。在自平衡試驗檢測過程中，樁頂不受力，所以，樁頂軸力一直都是0 kN。

圖4 SZ1、SZ2、SZ3在各級荷載作用下的樁身軸力分布

5.4 樁側摩阻力特性分析

在各級荷載作用影響下，3根試驗樁的平均樁側摩阻力f如圖5所示。

從圖5可以看出，這3根樁的平均樁側摩阻力都呈現弓形，主要是因為應用了樁基承載力自平衡試驗檢測技術。荷載箱附近樁土存在較大相對位移，樁側摩阻力達到了峰值，這就說明荷載箱附近土層摩阻力大于荷載箱土層摩阻力，而樁頂與樁端位置縱向荷載降低，樁側摩阻力相對較小。

圖5 SZ1、SZ2、SZ3在各級荷載的平均樁側摩阻力

土的特性會影響樁側摩阻力發揮。3根試驗樁的平均樁側摩阻力在樁身附近10 m位置處存在縮減情況，而這一位置屬于粉土層，與黏土層相比，粉土層的樁側摩阻力發揮對樁土相對位移要求較高，且其極限值相對較小。

此外，在7 700 kN荷載影響下，3根試驗樁的平均樁側摩阻力都在不斷增長，說明還沒有達到其極限值。

通過現場試樁，分析了樁的Q-s特性、樁身軸力特性以及樁側摩阻力特性，明確了樁荷載的傳遞特性。從這些特性分析結果來看，樁基承載力自平衡試驗檢測技術可以滿足樁承載力需求，與利用ABAQUS軟件得到的分析結果相同。

6 結語

通過試驗發現，該工程中上樁段與下樁段位移會互相影響，但不會有較大影響，利用樁基承載力自平衡試驗檢測技術可以滿足工程精度需求，因此，應積極應用樁基承載力自平衡試驗檢測技術對樁基工程進行檢測。