新型基樁抗拔檢測反力裝置的設計研究

劉強LIU Qiang

（深圳市房屋安全和工程質量檢測鑒定中心，深圳 518000）

0 引言

土地資源日益緊缺是建筑行業發展面臨的重大難題，在資源相對有限的情況下，為滿足居民的住房需求，創造行業發展的經濟增長點，房屋建筑開始朝著高層建筑、超高層建筑方向發展。建筑體高度不斷增加，建筑規模、體積不斷增大，基樁工程的施工質量也被提出了更高的要求。基樁的承載能力是其施工質量的重要評估指標，同時也是建筑體穩定、長期使用的必要保障[1-2]。在現有的檢測方法中，基樁工程涉及的檢測項目眾多，圍繞力學指標的測定主要有抗拔試驗、抗壓試驗等，采樣的方法則有鉆孔抽芯取樣等，不同檢測技術的原理與內容存在一定差異?？拱卧囼炇菃螛冻休d力檢測的主要內容之一，現有的檢測技術主要是通過向其承力部分施加豎向抗拔力來實現抗拔能力的測定，而測定過程的關鍵指標是單樁頂部的位移量，通過相應公式的核算，最終確定單樁的實際荷載能力[3]。反力裝置是抗拔試驗常見的設備之一，現階段市售裝置的檢測荷載普遍偏低，應用場景相對有限，且使用過程中尚存成本偏高、安裝步驟繁瑣等問題。為克服上述問題，本研究擬提出一種新型基樁抗拔檢測反力裝置，以下對其設計方案進行論述。

1 基樁抗拔檢測的重要意義

基樁抗拔檢測是檢驗基樁承載能力的有效方法，施工結束后對基樁進行抗拔檢測具有重要的意義。從既往施工經驗看，基樁施工質量受到多種因素的影響，以保障工程施工質量、減少工程事故風險、控制項目建設成本等為目的，技術人員對樁基礎的受力形式以及各個檢測項目的必要性進行了多層次分析。正常情況下，樁基礎主要存在抗壓力（豎向）、抗拔力（豎向）、水平力三種受力形式，根據樁基礎所處環境以及建筑結構的不同，樁基礎可能承受其中一種力的作用，或者多種力共同作用。根據樁基礎受力形式的差異，樁基礎被人為地劃分為多種不同類型，例如，以承受抗拔力為主的單樁又被稱為抗拔樁，主要用于水工工程（如地下人防工程）之中。在豎向抗拔力的作用過程中，單樁承受的荷載會以摩擦阻力的形式向周圍的土壤中傳遞，除方向相反外，其他作用規律與樁身承受下壓荷載相同。從破壞模式看，在初始階段，淺部土層是提供上拔阻力的重要主體，樁身所受到的拉應力主要分布于上半部分；隨上拔荷載的作用，單樁的上拔位移量將逐漸增加，此時樁身的應力開始向下擴展，樁身所受拉應力的分布情況發生明顯變化；待樁身的上拔位移量超過某一限定數值后（一般情況下，樁端位移量的極限值約為6-10mm），樁身所處土層的抗拔阻力達到極限，抗拔阻力的數值開始顯著下降；在上拔荷載進一步增加的情況下，基樁即進入破壞模式。基于上述分析，實際工程項目中，單樁樁身周圍的土壤性質、抗剪強度、側壓力洗漱、樁身側表面的粗糙程度、樁周土體的擾動等均有可能對單樁的抗拔能力產生影響，模擬實際受力環境，對基樁的抗拔能力進行檢測，能夠確保技術人員掌握單樁樁體的豎向抗拔極限承載能力，從而為后續施工、質量驗收工作的開展提供保障。

2 新型基樁抗拔檢測反力裝置的基本結構

在抗拔試驗中，反力裝置是一種比較常用的儀器，對檢測基樁的抗拔能力有重要價值。目前實際工程中應用反力裝置大多通過反力樁來提供支座反力，此種策略下反力樁頂面的平整程度以及裝置自身的強度等會對實際的測定結果產生影響，為保證測試結果能夠反映基樁的豎向抗拔極限承載能力，檢測前需要根據實際檢測任務對反力樁的強度、頂面的平整程度進行檢驗。參考既往的設計經驗，在反力梁的穩定性不符合實際測試項目的要求時，檢測人員可考慮通過調整頂面直徑與反力梁梁寬之間的大小關系或者適當增加鋼板墊塊等方式增強其穩定性。一般情況下，構建反力架系統檢測基樁的抗拔能力時，整個系統應當具備不低于1.2 倍的安全系數。除通過反力樁進行測定外，也可考慮利用天然地基，即由施工現場的地基作為“反力樁”，為樁體提供支座反力。

本研究設計裝置考慮利用天然地基提供支座反力，按照該測試策略的要求，在測定過程中需要合理控制支座兩邊的地基強度、接觸面積，保證地基強度水平以及實際接觸面積等相近。一般情況下，向地基施加的壓應力需要警惕沉降不均勻等問題，保證支座中心與反力梁支點重心重合。在設計加載裝置時，反力裝置一般采用油壓千斤頂作為加載裝置，千斤頂一般有兩種不同的方式，如圖1 所示。根據測試樁體的直徑、設計承載力等合理選取千斤頂的布置方式，是設計過程的重要難題。荷載量測裝置一般指放置于千斤頂上的傳感器或者與千斤頂直接相連的其他儀表，其量測的主要原理是測定千斤頂的實際油壓，然后結合相關曲線、公式進行核算，最終確定實際荷載數值。

綜合考慮上述設計要點，本研究設計了如圖2 所示的反力裝置，用于測定基樁的抗拔能力。僅從整體結構與裝置包含的構件來看，本裝置的構件與既往裝置相似，主梁（2 根）、反力梁（2 根）、千斤頂（4 個）、鎖固組件，而其結構創新主要體現在反力梁、主梁以及千斤頂的布置等方面。圖2 中，2 根反力梁與2 根主梁分別平行布置，參考現有的設計標準與既往設計經驗合理控制梁間間距，反力梁置于地基表面，主梁布置于反力梁的上方。完成反力梁與主梁的布置任務后，即可開始安置受檢基樁。為保證抗拔試驗環境與單樁實際工作環境的一致性，直接將受檢基樁埋設于施工場地的地基內部，然后將基樁主筋與鎖固組件進行連接。從整體結構來看，2 根反力梁與2 根主梁形成了穩定的對稱結構，在主梁、反力梁對應的跨接處安裝千斤頂。

圖2 基樁抗拔檢測反力裝置具體實施例的平面圖

3 新型基樁抗拔檢測反力裝置的工作原理

單樁抗拔檢測的主要目的是用現有的技術條件模擬基樁工作的實際條件，通過測定其單樁的抗拔承載力來判斷該基樁是否能夠滿足設計要求。從檢測過程的特征與目的來看，基樁與土之間的相互作用是基樁抗拔檢測必須慎重考慮的問題，通過恰當的技術手段，對樁身與圍巖的總抗拔摩擦力極限值進行測定，對判斷其力學性能有重要意義。而既往采用的加載反力裝置策略的核心是將單樁的受力鋼筋（主筋）與加載反力裝置進行妥善連接，由相應施工場地的天然地基參與試驗，負責提供支墩反力，通過測定該狀態下單樁的上拔位移量，綜合評定其承載力。本研究設計裝置的側重點是增加其檢測荷載，簡化應用過程的安裝步驟與操作。本裝置的工作原理為：千斤頂正常動作，主梁和反力梁隨油壓的升高開始受力；在千斤頂的底部，反力梁直接將作用力傳至堅硬的地基，或由反力支座完成傳力；在千斤頂的頂部，單樁受到豎直向上的拔力作用；通過讀取油壓數據，即可了解基樁的承載力，然后與基樁工程的設計標準進行比對，判斷該受檢基樁是否能夠滿足本工程的設計要求。按照圖1 所示安裝、調整好裝置之后，即可開始進行基樁抗拔檢測。而從現有的技術條件來看，獲取數據以及根據數據分析基樁荷載能力并無技術難題[4]。將本裝置應用于基樁抗拔檢測，具有一定的可行性。

4 新型基樁抗拔檢測反力裝置的技術方案

為有效完成基樁抗拔檢測任務，簡化裝置安裝流程，提高裝置的檢測荷載，本裝置采用了如下技術方案：

①2 根反力梁之間的間隔形成方形區域，受檢基樁置于中心，2 根反力梁間距＞4m；

②鎖固組件由多個鎖板（高強度鋼板）和多個鎖具構成，相鄰鎖板之間預留間隔空間，以便在安裝基樁時主筋能夠順利穿過；

③鎖具由鋼圈和至少兩個夾片組成，鋼圈呈梯形，主要用于套接主筋，鋼圈內部設有夾片，用于穩固主筋；

④考慮到檢測時的平衡性，所有千斤頂選擇同一型號。而從構件的布置特點與整體結構來看，本裝置共設計四臺千斤頂，呈對稱布置，該方案增加了傳力的穩定性，增大了檢測荷載。鎖固組件與鎖具的結果如圖3 所示。在選擇鎖緊方案時，現有的技術手段也能夠將主筋鎖緊在主梁上，但其實際效果不如上述技術方案③，綜合考慮操作的便捷性、鎖緊的效果等多種因素，最終決定選擇鋼圈和夾片配合的結構來完成鎖緊。

圖3 新型基樁抗拔檢測反力裝置鎖固組件示意圖

與現有的檢測裝置相比，本裝置具有以下特征：

①裝置中有2 根反力梁、2 根主梁，主梁橫跨布置于反力梁之上，梁間采取平行布置策略，根據基樁的直徑、設計標準等控制間距，主梁、反力梁、千斤頂形成穩固結構；

②通過鎖固組件將基樁的主筋固定在主梁上，千斤頂正常工作后，主梁和反力梁開始受力，并分別將力傳遞給受檢基樁、地基，主梁所受拔力是抗拔檢測的關鍵；

③參考JGJ 106-2014 的相關規定，對梁間間隔做進一步優化，重點在于受力和傳力的穩定性；

④鋼圈和夾片配合的結構具有現場安裝、操作方便等優勢，檢測前將主筋置于鋼圈之內，銅鼓夾片卡進行緊固，千斤頂正常工作后，隨油壓的逐步升高，主筋開始受到拉力的作用，方向向下，夾片卡在鋼圈與主筋之間，從而達到鎖緊主筋的作用；

⑤鎖板是鎖固組件的重要組成部分，考慮到增加檢測荷載這一需求，選用HC420LA 高強度鋼制成的鎖板，然后采取側立式排布策略，以方便鎖緊主筋，提高支撐強度。

5 新型基樁抗拔檢測反力裝置的實施

本裝置的目的之一是提升裝置的性能，在原有裝置設計經驗的基礎上，增加千斤頂的數量，以對稱布置的策略與巧妙的結構，保證傳力的穩定性，提升檢測荷載。經過現場試驗，本裝置可以達到2000 噸的荷載。但在具體實施過程中，仍然需要根據基樁抗拔檢測的實際需要對裝置進行適當調整。以下對幾種常見情況進行分析。

在千斤頂工作過程中，由于環境條件的差異，千斤頂有出現傾斜的風險，繼而對最終的檢測結果產生負面影響。從保障檢測結果的準確性出發，需要在原有結構的基礎上增加第一反力支座和第二反力支座等裝置，提高千斤頂工作時的穩定性。但增加支座也會帶來新的問題，即底部的平整性。按照千斤頂工作的基本要求，在作業過程中，千斤頂的底部不平會影響反力的大小與方向，繼而影響最終的測定結果。第一反力支座和第二反力支座的出現，勢必會對其底部平整性產生干擾作用，而為了抵消這一因素帶來的影響，支座必須配備水平儀，并由專業檢測人員對裝置進行調整，通過觀察水平儀情況判斷支座是否調平，以及千斤頂的底部是否平整。以上僅探討了兩個千斤頂共用一個反力支座的情形，具體實例中，反力支座的數量可進行適當調整。與共用支座相比，獨立配置方案更具靈活性，既為檢測過程中的便捷移動創造了條件，又方便了檢測人員的操作。

除直接加裝支座、配備水平儀外，在實際檢測任務中，受地基不平等因素的影響，單純依靠調整位置等測量難以實現調平，而將支座設計成可調式結構，能夠有效解決此類特殊場景的調平問題?？烧{節的核心是增加可調部件，具體措施是在底部四角安裝調節螺桿，螺桿通過螺紋孔與反力支座之間形成有效連接，然后再加裝轉動手柄，通過操作手柄來調節角度，實現調平目的。需要注意的是，螺桿的可調角度與其適用性有著密切關聯，根據抗拔檢測的需要以及現場環境選擇可調反力支座，能夠有效提升調平的效率。不僅如此，在實際檢測過程中發現，可調式反力支座能夠有效擴大本裝置的適用場景，滿足不同場景下單樁抗拔檢測的需求。

6 結語

基樁抗拔檢測是施工檢驗的重要內容，是驗證單樁承載能力是否能夠滿足設計要求的必要過程，對建筑體的施工質量有一定的保障作用。針對目前市售基樁抗拔檢測反力裝置存在的檢測荷載有限、安裝過程繁瑣等問題，以及實例中基樁抗拔檢測的實際需要，本研究提出了一種新型裝置，通過四臺千斤頂對稱布置，增加了裝置的檢測荷載，反力梁之間間距的合理控制以及結構的巧妙設計，形成了相對穩固的結構，增加了傳力的穩定性。此外，考慮到檢測實例中地基不平等風險，本裝置在應用時可通過加裝可調式支座的方式來穩定整個結構，增加千斤頂工作的穩定性。