自平衡法靜載試驗(yàn)在哈拉雷機(jī)場(chǎng)航站樓樁基檢測(cè)中的應(yīng)用

潘松

中國江蘇國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作集團(tuán)有限公司海外工程一分公司 江蘇 南京 210009

引言

樁基礎(chǔ)是建筑結(jié)構(gòu)中較為常用的基礎(chǔ)形式之一。單樁承載力的確定是樁基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，而基樁的靜載試驗(yàn)是確定單樁承載力最可靠的方法。然而傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)法一直停留在堆載法或錨樁法，試驗(yàn)工作存在加載力受限、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不經(jīng)濟(jì)等諸多弊端。本項(xiàng)目采用一種新型的南京東大自平衡樁基試驗(yàn)方法--自平衡測(cè)試技術(shù)，該技術(shù)在國內(nèi)近20年的很多工程中取得了良好的效果。本項(xiàng)目將這一先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到“一帶一路”的非洲項(xiàng)目津巴布韋哈拉雷國際機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目航站樓樁基檢測(cè)中。

1 自平衡法靜載檢測(cè)的測(cè)試原理

自平衡法是利用試樁樁身自重、樁側(cè)阻力及樁端阻力互相提供反力的試驗(yàn)方法。在樁端附近或樁身某截面處預(yù)先埋設(shè)單個(gè)或兩個(gè)特制的加載設(shè)備——荷載箱，與鋼筋籠相接。加載時(shí)，荷載箱以下將產(chǎn)生向上的樁底端反力和側(cè)摩阻力以抵抗向下的位移，同時(shí)荷載箱以上將產(chǎn)生向下的側(cè)摩阻力以抵抗向上的位移，上、下段樁的反力大小相等、方向相反，從而達(dá)到試樁自身反力平衡加載的目的。若受檢樁為工程樁，可在試驗(yàn)完后進(jìn)行注漿以保證樁基承載力[1]。

試驗(yàn)時(shí)，在地面上通過油泵加壓，隨著壓力的增加，荷載箱伸長，上下段樁產(chǎn)生彈（塑）性變形，從而促使樁側(cè)和樁端阻力逐步發(fā)揮。荷載箱施加的壓力可通過預(yù)先標(biāo)定的油泵壓力表測(cè)得，荷載箱頂?shù)装宓奈灰瓶赏ㄟ^預(yù)先設(shè)置的位移棒，用位移傳感器測(cè)得。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可測(cè)得上下段樁兩條荷載-位移(Q-S)曲線和相應(yīng)的樁頂受壓時(shí)樁頂?shù)刃Ш奢d-位移曲線（S-lgt、S-lgQ）曲線，采用合理的測(cè)試數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換方法和承載力確定方法，即可確定單樁極限承載力。

2 工程概況

津巴布韋哈拉雷國際機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目，位于津巴布韋首都哈拉雷國際機(jī)場(chǎng)。其擴(kuò)建的新國際航站樓建筑面積約為3.5萬㎡，占地面積約2萬㎡，框架結(jié)構(gòu)，地上三層（網(wǎng)架屋面），半地下一層，結(jié)構(gòu)跨度12m，層高最高為6.9m；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為旋挖鉆孔灌注樁，樁徑800mm，有效樁長為8～12m，樁型為抗壓樁，采用樁底后注漿技術(shù)，單樁抗壓承載力設(shè)計(jì)要求為7000KN。

本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，覆蓋層為灰土、砂土，地下水位線分布在地表以下3～5m，樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖層，須進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖層不小于4.0m。為保證本工程結(jié)構(gòu)的安全可靠和施工的順利進(jìn)行，為旋挖成孔灌注樁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和樁端注漿施工提供可靠、科學(xué)的參考依據(jù)，采用自平衡法靜載試驗(yàn)進(jìn)行樁基試驗(yàn)以確定單樁豎向抗壓極限承載力[2]。

3 試驗(yàn)方法

3.1 受檢樁設(shè)計(jì)及設(shè)備

為確保設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量，結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告，選擇4個(gè)基樁進(jìn)行檢測(cè)，其中1根受檢樁未注漿，有效樁長10m；其余3根受檢樁樁底端注漿，有效樁長8m，每根樁注漿2噸水泥。

試樁的儀器設(shè)備主要包括：加載設(shè)備有檢測(cè)荷載箱和高壓油泵；量測(cè)裝置包括電子位移傳感器、采集儀和壓力表。荷載箱主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成。其中，荷載箱蓋板外徑為600mm、高度290mm、最大加載值4200kN。在頂、底蓋上布置位移棒。本工程將荷載箱預(yù)埋在樁底端，與鋼筋籠焊接成一體放入樁體。高壓油泵的最大加壓值為60MPa，加壓精度為每小格0.5MPa。電子位移傳感器的量程為50mm（可調(diào)），測(cè)試時(shí)通過磁性表座固定在基準(zhǔn)鋼梁上，每根樁使用4只，2只測(cè)量荷載箱的向上位移，2只測(cè)量荷載箱的向下位移。

3.3 試樁施工要求

試樁施工與一般鉆孔灌注樁施工方法相同，除水下澆筑混凝土等嚴(yán)格滿足建筑樁基技術(shù)規(guī)范以及設(shè)計(jì)要求外，由于自平衡法測(cè)試的需要，自平衡試驗(yàn)樁施工時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

3.3.1 綁扎和焊接鋼筋籠時(shí)，位移管連接用套筒圍焊，管壁無孔洞，確保護(hù)管不滲泥漿。

3.3.2 位移管采用50鋼管，位移桿采用φ16的圓鋼，單樁4根位移管和位移桿。

3.3.3 荷載箱應(yīng)立放在場(chǎng)地上，鋼筋籠所有主筋與荷載箱焊接，保證在同一軸線上，并確保鋼筋籠與荷載箱起吊時(shí)不會(huì)脫離。

3.3.4 通過導(dǎo)管對(duì)試樁進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，導(dǎo)管應(yīng)利用鋼筋導(dǎo)向穿過荷載箱。

3.3.5 埋完荷載箱，保護(hù)油管，位移管管口封頭，用鋼板焊，防止水泥漿漏入。

3.3.6 灌注混凝土?xí)r，要求制作一定量的混凝土試塊，待測(cè)試時(shí)作混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)[3]。

3.3.7 試驗(yàn)期間應(yīng)保證不間斷供電，提供現(xiàn)場(chǎng)辦公桌椅、照明設(shè)備，試驗(yàn)樁周圍10m內(nèi)不得有較大的振動(dòng)。

3.3.8 布置2根跨度不小于6m基準(zhǔn)梁，用于固定位移傳感器。基準(zhǔn)梁和基準(zhǔn)樁均采用I25a工字鋼?；鶞?zhǔn)樁打入土中不少于1m。基準(zhǔn)梁一端與基準(zhǔn)樁鉸接，另一端與基準(zhǔn)樁固定。

3.3.9 為盡量減少試驗(yàn)樁時(shí)儀表不受外界環(huán)境的影響，須搭設(shè)寬3m×高2m×長6m防風(fēng)蓬架（保護(hù)罩），材料可采用彩條布或者油布。

3.4 檢測(cè)方法

3.4.1 試驗(yàn)方法。

3.4.1.1 加、卸載分級(jí)。將其均分10級(jí)加載，其中第一級(jí)加載量取分級(jí)荷載的2倍；每級(jí)卸載量為加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍。

3.4.1.2 位移觀測(cè)。采用慢速維持荷載法，即逐級(jí)加載，每級(jí)荷載施加后第1h內(nèi)應(yīng)在第5min、10min、15min、30min、45min、60min時(shí)測(cè)讀位移，以后每隔30min測(cè)讀一次，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后方可加下一級(jí)荷載，直至試樁破壞或達(dá)到預(yù)定的最大加載量。卸載到零后應(yīng)維持3h，觀測(cè)殘余變形。測(cè)讀時(shí)間間隔同加載。

3.4.1.3 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。每級(jí)加載每小時(shí)的向上、向下位移量均不大于0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次（從加載后30min開始，按1.5h連續(xù)三次每30min的位移量計(jì)算）。每級(jí)荷載下位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再施加下一級(jí)荷載。

3.4.1.4 加載終止條件及最終加載值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，4個(gè)試驗(yàn)樁的設(shè)計(jì)預(yù)估加載為破壞或2×3500kN，對(duì)于單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，加載終止條件和相應(yīng)的最終加載值應(yīng)分別從向上、向下兩個(gè)方向按以下規(guī)定進(jìn)行判定和取值：

①累積位移量小于40mm，但加載值已大于或等于預(yù)估最大加載值，終止加載。取本級(jí)荷載為最終加載值。②累計(jì)位移量大于或等于40mm，本級(jí)荷載下的位移量大于或等于前一級(jí)荷載下位移量的5倍時(shí)，終止加載。取其終止時(shí)荷載小一級(jí)的荷載為最終加載值。③累計(jì)位移量大于或等于40mm，本級(jí)荷載加上后24h未達(dá)穩(wěn)定，終止加載。取其終止時(shí)荷載小一級(jí)的荷載為最終加載值。④Q-S曲線出現(xiàn)明顯陡變，終止加載。取明顯陡變的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為最終加載值。⑤S-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯彎曲，終止加載。取前一級(jí)荷載為最終加載值[4]。⑥當(dāng)Q-S曲線呈緩變型時(shí)，可加載至位移60mm～80mm。

4 測(cè)試結(jié)果、分析和結(jié)論

4.1 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)中，加、卸載均勻連續(xù)，每級(jí)荷載在維持過程中的變化幅度未超過分級(jí)荷載的10%。4個(gè)試驗(yàn)樁的檢測(cè)結(jié)果如下：

4.1.1 未注漿的1根試驗(yàn)樁。當(dāng)加載至2×2800kN時(shí)，荷載箱向上Q-S曲線出現(xiàn)明顯陡變，荷載箱上段位移9.26mm，上段樁已達(dá)到極限值；此時(shí)啟用樁頂配重繼續(xù)加載，當(dāng)加載至2×3500kN時(shí)，荷載箱下段位移32.37mm，荷載箱下段位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)且達(dá)預(yù)估加載值，故終止加載。該樁上段樁最終加載值為2450kN，下段樁極限加載值為3500kN。

4.1.2 注漿的3根試驗(yàn)樁。此3根試驗(yàn)樁在加載至2×3500kN時(shí)，累計(jì)位移量均小于40mm，荷載箱上段位移分別為3.15mm、3.44mm和2.36mm，下段位移分別為36.54mm、12.49mm、12.60mm。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)且荷載達(dá)到預(yù)估最大加載值，終止加載。樁上段樁最終加載值分別為3500kN、3850kN和3850kN，下段樁極限加載值為3500kN、3850kN和3850kN。

4.2 匯總分析

根據(jù)上、下段樁最終加載值即上、下段樁承載力，計(jì)算受檢樁極限抗壓承載力Qu，按如下算式確定：

式中 Qu：單樁承載力極限值；Quu、Qud：上、下段樁承載力；W：上段樁自重與附加重量；γ：試樁i的修正系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土的類型確定：黏性土、粉土γ=0.8；砂土γ=0.7；巖石γ=1；若上部有不同類型的土層，γ取加權(quán)平均值，本工程取值0.9。經(jīng)計(jì)算：抗壓極限承載力Qu（KN）分別為7305、6122（樁端未注漿）、8043、8043。

檢測(cè)結(jié)果分析匯總?cè)绫?所示。

表1 試驗(yàn)樁承載力表

4.3 檢測(cè)結(jié)論

根據(jù)表1可得出結(jié)論，在采用樁端后注漿工藝時(shí)，8米深的試樁極限承載力平均值為7797kN，極差738kN，極差/平均值為9.5%＜30%，因此可確定工程樁豎向抗壓承載力為7797kN，滿足8米深單樁抗壓承載力7000kN的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

自平衡法靜載試驗(yàn)具有檢測(cè)噸位高達(dá)數(shù)萬噸、場(chǎng)地不受限制、試驗(yàn)設(shè)備簡單、試驗(yàn)周期短、多樁聯(lián)測(cè)、試驗(yàn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)它也可分別確定基樁側(cè)阻和端阻的單項(xiàng)極限值，可供有關(guān)設(shè)計(jì)單位參考；驗(yàn)證了鉆孔灌注樁施工工藝的可靠性，為樁基施工設(shè)備選擇和施工工藝的改進(jìn)提供了依據(jù)，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。