基樁大噸位靜載試驗加載時壓重反力平臺產生的地基變形試驗研究

崔 偉

（1.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，對城市建設愈發重視，樁基礎作為一種可以有效減少建筑物沉降和提高地基基礎承載力的基礎形式，其應用也越來越多。準確的預估單樁豎向抗壓承載力一直是樁基礎設計中的重點問題，目前確定單樁極限承載力的方法主要有靜載試驗方法、經驗公式計算方法和動力測試方法等。而基樁靜載試驗法作為一種原位試驗方法，一直被公認為是最直接可靠的方法。影響基樁靜載荷試驗數據的因素主要有初始預壓加載值、加卸載速度、加卸載的分級以及加卸載過程中壓重反力平臺產生的地基變形等因素。

基樁靜載荷試驗時，量測基樁樁頂沉降量的常規方法：在試驗樁的樁頂以下200mm的位置對稱設置2個或4個百分表，百分表的位移量測端支承在試驗樁上，另一端則固定于基準梁，基準梁支承于基準樁之上[1，2]。根據文獻[3～5]，在基樁豎向抗壓靜載試驗開始之前，如圖1所示，所有堆重荷載一次性堆載于壓重平臺之上，此時堆載支墩墩基承受全部堆載平臺的荷載，支墩對其周邊地基土產生了最大的沉降值；隨著靜載荷試驗不斷分級加載，試驗樁樁頂承受千斤頂加載值的不斷增大，隨著越來越多荷載分配與樁頂之上，支墩所受荷載隨之不斷減小。在這個分級加載過程中，隨著試驗樁受荷的增大，支墩受荷的減小，試驗樁對其周邊地基土產生的位移場影響范圍和大小不斷增大，反之支墩對3倍墩寬深度和寬度范圍內的地基土內產生的位移場影響范圍和大小應不斷恢復，可見基準樁產生的豎向變形為這兩個位移場在某點處的具體疊加。而基準梁支承于基準樁之上，基準樁的豎向位移同步傳遞到基準梁上，產生固定于基準梁上的百分表觀測的豎向位移發生變化，造成同等荷載下，測得的樁頂沉降值偏大，從而可能影響基樁極限荷載的正確取值，并且對于基樁沉降控制要求較高的工程項目，容易引起較大誤差。

圖1 靜載荷試驗壓重平臺反力裝置示意圖

基樁大噸位靜載試驗時，經常受設備尺寸和能力的制約，同時想保持較小的支墩接地壓力，試樁中心、基準樁和壓重平臺支墩邊三者之間的距離往往很難滿足規范中不小于4D的要求，加長基準樁又會受到剛度、運輸和氣候環境的影響，因此對加載中壓重平臺引起的地表位移進行分析和研究，確定靜載試驗加載過程中壓重平臺引起的試驗誤差大小以及影響范圍，進而可對樁頂沉降值進行修正以得到更為準確的樁頂沉降值，十分具有工程實用價值。

2 現場試驗

2.1 工程概況

工程地質條件概況為：①-1層為雜填土，褐色為主，以黏性土為主，局部夾少量淤泥質土,具有高壓縮性和濕陷性,層厚1.50～4.80m。①-2層：淤泥質雜填土，褐灰、褐灰色，具有高壓縮性和濕陷性，層厚4.00～4.30m；②層：黏土，褐黃、棕黃色，硬塑，層底標高6.18～13.68m。③層：黃褐、褐黃色，飽和，粉砂呈稍密～中密狀態，層厚14.90～21.80m。④層:全風化泥質砂巖：棕黃、灰黃、灰白、棕紅色，風化成砂土狀，泥質膠結層厚8.10～10.70m。⑤層:強風化泥質砂巖：棕紅色，碎塊狀為主，泥質膠結，層厚1.70～4.20m。⑥層:中風化泥質砂巖,棕紅色，短柱狀-長柱狀，泥質膠結，膠結程度較好,巖石堅硬程度為極軟巖，巖體完整程度為較破碎,揭露最大層厚5.30m。工程基礎采用鉆孔灌注樁，試驗樁樁徑 D為1100 mm，樁長40.0 m，承載力特征值為6000 kN。

2.2 試驗方法

本次基樁靜載試驗的反力平臺采用壓重平臺裝置，按照慢速維持荷載法加載，預估單樁豎向抗壓極限荷載值為12000 kN，加載分級值為單樁豎向抗壓極限荷載值的1/10，第一級荷載按2倍荷載分級加載。壓重平臺支墩邊距離基準樁和試樁中心的距離滿足規范[2]要求，試驗采用液壓千斤頂分級自動加載。

為確定加載過程中壓重反力平臺對樁頂沉降測量值的影響，試驗分別采用精密水準儀[7]和百分表基準梁兩套相互獨立的位移量測系統來量測樁頂位移量。百分表基準梁量測系統作為規范要求的基樁靜載試驗方法測量樁頂沉降，精密水準儀量測系統則用來量測支墩周邊地基豎向變形量和樁頂沉降值。將沉降觀測釘從側面植入樁頂以下20cm的位置，作為精密水準儀量測系統的前視尺。在壓重平臺30D（其中D為試樁直徑）處設置后視尺，以減少地基變形對量測結果的影響，精密水準儀也架設在壓重反力平臺對地基變形的影響范圍之外。然后在壓重反力平臺的支墩中軸線上，且距試樁距離為1D、2D、4 D、6D、8D和10D處設置6個位移觀測點，觀測點埋置深度與百分表基準樁深度相同，其中4 D位置處也為基準樁埋設位置，各豎向位移觀測點的平面位置如圖2所示。

圖2 位移觀測點平面布置示意圖

靜載試驗壓重平臺尺寸為12 m×10m，單側壓重反力平臺支墩基底尺寸為3m×12 m，壓重平臺總重量14400 kN，支墩基底初始壓力200kPa。

3 試驗結果與分析

①本次試驗采用兩套位移量測系統得出的試驗樁樁頂荷載Q—樁頂沉降s關系曲線如圖3所示。

圖3 樁頂荷載Q—沉降s曲線

本次試驗可認為精密水準儀量測系統基本不受壓重平臺的影響，量測結果較為準確，由圖3可知，當加載至最大荷載級別時，百分表基準樁量測的樁頂沉降值比精密水準儀量測的樁頂沉降大5.33 mm，以精密水準儀測量的樁頂沉降為準確值，誤差占樁頂總沉降值的42.7%，誤差較大，已經影響靜載試驗數據的可靠性，即百分表基準樁量測系統測得的樁頂沉降值偏大42.7%。

②精密水準儀量測系統量測的距離試樁中心1D、2D、4D、6D、8D和10D的地基豎向變形在加載過程的變化情況見圖5，最大荷載下不同距離處的地基土體位移占精密水準儀測量的樁頂沉降值的比例見圖4所示。

圖4 最大荷載下各點地基土體位移占樁頂沉降的比例曲線

圖5 距試樁中心不同距離處地基土體豎向位移值

圖6 兩量測系統測得樁頂沉降量差值與精密水準儀測得的基準樁處位移值對比曲線圖

本次試驗以地基土體豎向位移以向上（回彈）記為正值，向下（沉降）記為負值。距離試驗樁中心1D處的地基豎向變形變化趨勢由負值變為正值，表示該處土體首先發生向下沉降，最大沉降值為-1.21mm，隨著樁頂千斤頂試驗加載的分級增加，支墩基底壓力逐漸減小，該處地基土體發生向上的回彈。由于液壓千斤頂對試驗樁施加分級集中荷載加載時，試驗樁周邊地基土體將隨樁產生沉降位移場。隨著試驗樁受荷的增大，支墩受荷的減小，試驗樁對其周邊地基土產生的位移場影響范圍和大小不斷增大，反之支墩對3倍墩寬深度和寬度范圍內的地基土內產生的位移場影響范圍和大小應不斷恢復和回彈，由于1 D處觀測點與試驗樁距離很近，試驗樁對其周邊地基土體產生的沉降值要遠大于由于支墩基底受力減小而產生的地基回彈。試驗樁樁頂加載沉降對地基土的影響，隨著距離試驗樁中心越遠而隨之減弱，同步反之支墩基底受力逐漸減小而產生的地基回彈量影響逐漸加強，因此該處出現了先沉降（向下）后變為回彈（向上）的變化規律，2D處沉降規律也與1D類似。至距試樁中心4D位置時，試驗樁對該處地基土體產生的沉降效應已顯著小于回彈效應，回彈（向上）的最大位移量已達5.45 mm，占樁頂總沉降量43.6%。在距試驗樁中心6 D與8 D位置處，產生的豎向回彈位移值基本相同，最大回彈位移值分別為6.75 mm和6.37mm，占樁頂總沉降量的54.0%和51.0%，其位移值比4 D處要大，是因為這兩處離試驗樁中心的距離比離支墩邊的距離要遠，因此所受支墩基底壓力影響較大。在距試驗樁中心10 D位置處，最大豎向回彈位移值為2.48 mm，占樁頂總沉降值的19.9%，為本次試驗量測的最小值，這說明10D位置處地基變形受壓重反力平臺的影響較小。

③精密水準儀和百分表基準梁兩套系統測得的樁頂沉降量差值與4D處（即基準樁處）量測的位移曲線圖如圖6所示。

可見，4D基準樁處的位移值與兩系統量測的數據差值基本相同，這說明百分表量測樁頂沉降量時的誤差即為地基土體的豎向回彈位移而產生。由此可認為常規的百分表基樁樁量測出的數值為樁頂沉降值與基準樁處地基土體豎向回彈位移的疊加之和。基于此，提出兩種方法位移修正法：可用每級荷載下精密水準儀量測系統測得4D處的地表變形量，對百分表測得的相應荷載級下的樁頂位移值進行修正，可得到更準確的Q-s曲線；僅在最大荷載下用精密水準儀量測系統量測4D處的地表變形一次，利用兩量測系統差值對百分表測得的最大荷載級下的樁頂位移值進行修正，其余荷載級下的位移可采用線性插值修正，可得到較準確的Q-s曲線。

4 結語

①在場地表層地基土含較厚淤泥質土時，基樁采用大噸位堆載反力平臺載荷試驗時，壓重平臺將引起平臺周邊地基土體豎向位移。據本次試驗可知，最大荷載下，百分表基準樁系統量測的樁頂沉降值比用精密水準儀量測系統測得的樁頂沉降值大5.33 mm，沉降值偏差較大；兩套量測系統量測樁頂沉降量的差值與精密水準儀系統量測的基準樁處的豎向位移基本相等，說明百分表基準樁量測系統測讀樁頂沉降量時的產生的誤差主要由于該處地基土體的豎向回彈位移而產生的，因此在表層較厚軟土場地，當用壓重平臺反力裝置進行大噸位基樁荷載試驗時，可額外引入一套精密水準儀對樁頂和基準樁處的豎向變形值進行監測，以減小試驗加卸載時壓重反力平臺產生的地基豎向變形對試驗結果帶來的影響。

②可用每級荷載下精密水準儀量測系統測得百分表基準樁處即4D處的地表變形量，對百分表測得的相應荷載級下的樁頂位移值進行分級修正，可得到準確的Q-s曲線；或僅在最大荷載下用精密水準儀量測系統量測4D處的地表變形一次，利用兩量測系統差值對百分表測得的最大荷載級下的樁頂位移值進行修正，其余荷載級下的位移可采用線性插值修正，可得到較準確的Q-s曲線。