鐵路站房基樁靜載試驗與高應變法的對比應用

鄒魁

（湖南中大設計院有限公司，湖南長沙 410075）

0.引言

基樁檢測工作中，對于樁基承載力的要求是重中之重[1-3]，目前常用的基樁承載力檢測方法有靜載試驗及高應變法。不同的檢測方法具有不同的適用性：靜載試驗的載荷結果更直觀，試驗數據也準確，是目前獲得樁基承載力的直接方法，但是費時費力。高應變法計算簡單，速度快，可提供的參數多，可進行實時分析承載力及樁身完整性判別。

本文介紹了靜載試驗及高應變法的檢測原理，并結合紹興城際鐵路二期工程迪蕩站項目中樁基承載力檢測結果，對比分析2種檢測方法的異同，有利于提高樁基檢測質量的準確度，并為類似工程提供參考。

1.靜載試驗及高應變法檢測原理

1.1 靜載試驗檢測原理

現場進行單樁豎向抗壓靜載荷試驗，是指在樁基上逐級或者循環施加豎向壓力，觀測樁基或地基基礎頂部隨時間產生的沉降以確定相應的樁基豎向抗壓承載力試驗方法[4]，豎向荷載作用下，樁頂荷載由樁側阻力和樁端阻力承擔。樁側阻力的發揮與相對于樁側土的樁身位移有關。樁端阻力的發揮與樁底持力層有關。受荷時，樁身上部側阻力先發揮，然后是下部側阻力和端阻力發揮。側阻力先達到極限，端阻力后達到極限。在達到極限值后繼續增加的荷載則全部由樁底持力層承擔。隨著樁端持力層的壓縮和塑性擠出，樁頂位移增長速度加大，在樁端阻力達到極限值后位移迅速增大而破壞，此時樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。

單樁豎向抗壓靜載試驗檢測系統主要由加載反力系統、荷載測試系統、位移測試系統、儀器控制采集系統4個部分組成。各組成部分見圖1～圖6。

圖1 千斤頂

圖2 油泵

圖3 反力裝置

圖4 位移計

圖5 壓力傳感器

圖6 測試儀器

1.2 高應變法檢測原理

高應變法的基本原理[5]是：利用重錘沖擊樁頂，使樁-土產生足夠的相對位移，以充分激發樁周土阻力和樁端支承力，通過安裝在樁頂以下樁身兩側的力和加速度傳感器接收樁的應力波信號，利用應力波理論分析處理力和速度時程曲線判定樁的承載力和評價樁身質量完整性。現場工作示意圖如圖7～圖9所示。

圖7 高應變法現場試驗

圖8 位移計及應變環

圖9 高應變現場測試示意圖

2.靜載試驗及高應變法適用范圍及存在的問題

2.1 靜載試驗適用范圍及存在的問題

以單樁豎向抗壓靜載荷試驗為例。該試驗前期準備工作中，需要進行反力裝置的堆載，一般反力裝置選擇混凝土試塊。但當混凝土試塊放在壓重平臺上時，由于混凝土材料性能和堆載場地的影響，其重心往往不穩定，容易造成堆載偏載，進而影響試驗數據。且其加載試驗通常采用慢速加載法周期長，若試驗過程中出現樁周土體下沉的情況，往往會造成千斤頂超載或反力裝置重心不穩，進而影響試驗數據的準確性。

2.2 高應變法適用范圍及存在的問題

高應變法目前主要是Case法和波動方程擬合法判定樁承載力。

Case法有一定的局限性，即：（1）假設條件苛刻且樁土模型理想化，與工程樁實際差別較大，計算結果的可靠性降低。（2）Case法阻尼系數Jc為地區性經驗系數，物理意義不明確，取值的人為因素較多，需要通過動、靜對比試驗來確定。（3）樁身阻抗有較大變化時，Case法無法考慮，嚴重影響計算結果。（4）Case法不能將樁側摩阻力與樁端承力分開，且不能得到樁側摩阻力分布。因而，高應變Case法適用條件為：（1）只限于中、小直徑樁。（2）樁身材質、截面應基本均勻。（3）阻尼系數Jc宜根據同條件下靜載試驗結果校核，或應在已取得相近條件下可靠性對比資料后采用實測曲線擬合法確定Jc值。（4）在同一場地、地質條件相近和樁型及其截面積相同情況下，Jc值的極差不宜大于平均值的30%。且當樁身結構破壞，檢測樁基為嵌巖樁時高應變法不適用于檢測其承載力，且要忽略時間效應、土的蠕變、砂土的液化過程對樁基承載力的影響。

波動方程擬合法，即通過使重錘從一定的高度沖擊樁頂，從而產生沿樁身向下傳播的應力波，且樁、土產生相對位移。通過安裝在樁身的加速度計和應變計，采集檢測截面的Fm（t）及V（t）曲線，進而建立樁、土模型，通過擬合即可得到單樁承載力。但該方法需要得到前期準確的地勘資料，且對安裝的傳感器精度要求較高，需要準確采集到樁、土阻抗信息。

因此，其承載力精度較靜載試驗偏低。但高應變法測試時間較短，且測試速度快，應用應力波理論分析處理力和速度時程曲線判定承載力和評價樁身完整性，可與靜載試驗結果相佐證。

3.工程實例分析

紹興城際鐵路二期工程迪蕩站項目中，地道主體結構基底采用高壓旋噴樁加固。開展了現場試驗，對同一根樁進行了單樁豎向抗壓靜載荷試驗與高應變法檢測。樁P3-3設計樁長37.5m，設計樁徑0.6m，混凝土強度等級為C35，樁基承載力特征值為1000kN。

3.1 靜載試驗及結果

根據樁P3-3的單樁豎向抗壓靜載試驗Q-S曲線圖可知，在最大加載量2000kN時，該樁的樁頂最大沉降量為9.24mm，Q-S曲線呈緩變型；卸載完全完成時，最大回彈量為2.22mm，回彈率為24.03%。依據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）可知，判定該試驗點單樁承載力特征值為1000kN，滿足設計要求。現場試驗曲線圖如圖10和圖11所示。

圖10 Q-S曲線

圖11 s-lgt曲線

3.2 高應變法及結果

打開擬合軟件，通過鼠標將豎線分別置于樁頭和樁底，右鍵確定樁頭和樁底位置，人工計算現場參數的樁周長，并按照地勘資料信息分別輸入樁側土阻力和樁端土阻力參數，然后自動擬合，得到擬合的承載力結果，檢測結果見圖12～圖15。

從分析結果可以看出，高應變法檢測時，單樁最大沉降量為9.86mm，最大回彈量2.46mm，回彈率24.95%，樁身計算總阻力為2188kN，且根據圖12～圖15可看出，樁身完整性較好。依據《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）可知，判定該試驗點單樁承載力特征值為1000kN，樁身完整，滿足設計要求。

圖12 實測力及實測速度曲線

圖13 實測速度及計算速度曲線

圖14 模擬Q-S曲線

圖15 摩阻力分布及荷載傳遞曲線

3.3 結果分析

通過對比分析靜載試驗法和高應變法的分析結果可知：

（1）發現樁P3-3樁基單樁豎向承載力滿足設計要求，樁身完整。

（2）單樁豎向承載力值，相較于靜載試驗法，高應變法所測結果較高，為使檢測結果偏保守，可優先參考靜載試驗法檢測結果。

（3）高應變法還能較好地分析樁身完整性。

4.結論

靜載試驗和高應變法均能較好地測出樁身承載力。相較于高應變法，靜載試驗的載荷結果更直觀，相較于靜載試驗，高應變法還能進一步判別樁基的完整性。實際工程中，可根據檢測要求合理選用測試方法，對比分析結果，提高檢測結果準確度。