自平衡法在巖溶地區(qū)基樁檢測(cè)中的應(yīng)用

魏偉瓊楊文超徐永旺

（1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550014）

0 引言

近年，樁基礎(chǔ)的應(yīng)用向著載荷大、長(zhǎng)度深、用量多、范圍廣的方向發(fā)展，采用傳統(tǒng)的靜載荷（堆載法、錨樁法）來(lái)對(duì)樁基進(jìn)行承載力檢測(cè)具有檢測(cè)成本高、周期長(zhǎng)、安全風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)學(xué)者Osterberg提出了一種新的靜載荷樁基承載力測(cè)試法——Osterberg法[1]（自平衡法），該方法對(duì)檢測(cè)場(chǎng)地要求低，加載簡(jiǎn)便，免去了搭建大型反力裝置的繁瑣，測(cè)試所需時(shí)間短，可多根樁同時(shí)檢測(cè)，還能同時(shí)測(cè)出樁的端阻力和側(cè)阻力，自該方法提出后，在國(guó)內(nèi)外樁基檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。

結(jié)合貴州省溶巖地區(qū)的甲、乙2個(gè)類(lèi)似工程，分析中風(fēng)化白云巖樁徑尺寸選取的合理性及自平衡測(cè)樁法在貴州巖溶地區(qū)的可行性。

1 自平衡法測(cè)樁原理

自平衡法靜載試驗(yàn)核心裝置是荷載箱，該種荷載箱是根據(jù)工程勘察、設(shè)計(jì)文件委托專(zhuān)業(yè)廠家專(zhuān)門(mén)訂制，并通過(guò)計(jì)量單位檢驗(yàn)出廠的。把生產(chǎn)的荷載箱在平衡點(diǎn)與鋼筋籠焊接相連，使之形成一體后放入樁孔內(nèi)，同時(shí)將荷載箱上的高壓油管和位移桿（絲）均引到地面，再進(jìn)行混凝土澆搗即可形成一根試驗(yàn)樁。達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，使用油泵加壓使荷載箱產(chǎn)生壓力，上下兩段樁分別向上向下產(chǎn)生位移，促使樁側(cè)阻力、樁端阻力的發(fā)揮，從而測(cè)出整個(gè)樁身的抗壓或抗拔承載力。自平衡法測(cè)樁原理及安裝示意圖如圖1所示[3]。

圖1 自平衡法測(cè)樁原理及安裝示意圖

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)

甲乙工程均位于貴州省溶巖地區(qū)，建筑基礎(chǔ)均采用嵌巖樁基礎(chǔ)，持力層巖性均為中風(fēng)化白云巖，場(chǎng)區(qū)均存在不同程度的溶槽、溶溝、石芽等不良地質(zhì)作用發(fā)育。甲、乙工程巖層物理力學(xué)參數(shù)推薦值見(jiàn)表1。

表1 甲、乙工程巖層物理力學(xué)參數(shù)推薦值

3 平衡點(diǎn)計(jì)算選擇

3.1 一般嵌巖樁的平衡點(diǎn)計(jì)算

甲工程所在區(qū)域?yàn)槿軒r地區(qū)，樁型為嵌巖樁，樁端置于中風(fēng)化白云巖中，嵌巖段長(zhǎng)度為0.5m，豎向極限承載力由樁周土總極限側(cè)阻力和嵌巖段總極限阻力組成[4-5]。公式為：

式中：Quk——單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

qsik——樁周第i層土的極限側(cè)阻力；

u——樁身周長(zhǎng)；

li——樁周第i層土的厚度；

ζr——嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)；

frk——巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

Ap——樁端面積；

Qrs、Qrp——分別為嵌巖段側(cè)、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

一般情況下，平衡點(diǎn)計(jì)算應(yīng)遵循的原則是：上段樁的反向摩阻力+上段樁的自重=下段樁的端阻力+下段樁的摩阻力。平衡點(diǎn)的計(jì)算原理不復(fù)雜，但在工程實(shí)踐中，要精確地計(jì)算出平衡點(diǎn)卻不容易，根據(jù)地勘資料結(jié)合規(guī)范計(jì)算出來(lái)的平衡點(diǎn)誤差難以避免。一般情況下，平衡點(diǎn)滿(mǎn)足在測(cè)試過(guò)程中上下段樁達(dá)到反力平衡即可。針對(duì)4種不同工況，根據(jù)公式（1）的基本原理可推導(dǎo)出4個(gè)不同的平衡點(diǎn)計(jì)算公式：

（1）平衡點(diǎn)位于樁底時(shí)

式中：W——樁身自重。

（2）平衡點(diǎn)位于樁身嵌巖段內(nèi)時(shí)

式中：Qrk上——平衡點(diǎn)以上嵌巖段側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qrk下——平衡點(diǎn)以下嵌巖段側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）平衡點(diǎn)位于樁身嵌巖段頂部時(shí)

（4）平衡點(diǎn)位于樁身非嵌巖段時(shí)

式中：Qsk上——平衡點(diǎn)以上嵌巖段側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qsk下——平衡點(diǎn)以下嵌巖段側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qrs、Qrp——分別為嵌巖段側(cè)、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。工程上前2個(gè)工況比較常見(jiàn)，后2個(gè)工況少見(jiàn)。

基樁靜載試驗(yàn)的主要目的有：測(cè)試出樁的極限承載力，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)；驗(yàn)證工程樁是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力要求，為驗(yàn)收提供依據(jù)。前者的試樁目的應(yīng)使基樁端阻力和側(cè)阻力均能充分發(fā)揮，荷載箱的上下段樁能基本同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)，對(duì)平衡點(diǎn)計(jì)算選擇精度要求更高。

3.2 試樁平衡點(diǎn)的確定

甲工程基樁嵌入中風(fēng)化白云巖深度為0.5m，從表2可以看出，甲工程設(shè)計(jì)者是按樁端承載力來(lái)設(shè)計(jì)樁徑和樁長(zhǎng)的，僅樁端承載力已能滿(mǎn)足單樁的設(shè)計(jì)極限承載力。乙工程基樁嵌入中風(fēng)化白云巖深度為2.5～3.0m。甲乙兩工程的測(cè)樁目的在于驗(yàn)證樁基能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力，并不需要測(cè)試出樁基的單樁極限承載力。試樁所用的荷載箱最大出力為樁基設(shè)計(jì)承載力的1.2倍。在計(jì)算選擇平衡點(diǎn)時(shí)，考慮到樁底的樁端承載力均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力的一半以上，故將荷載箱均安置于樁底。

表2 甲乙工程試樁平衡點(diǎn)

分析表2可知，甲3與乙1、乙2的承載力相當(dāng)，但甲3的樁徑是乙1和乙2的1.3倍，樁身截面積約為乙1和乙2的1.8倍，由此可知，合理加大嵌巖樁的入巖深度可以有效提高整個(gè)基樁的豎直承載力。在能夠滿(mǎn)足工程上部荷載的條件下，可適當(dāng)縮小樁徑，從而有效節(jié)約工程成本。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)甲工程5根不同直徑的預(yù)埋荷載箱的基樁（ZK1、ZK24、ZK148、ZK359、ZK398）進(jìn)行自平衡法靜載荷試驗(yàn)，測(cè)試按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）以及貴州省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《基樁承載力自平衡檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 52/T079-2016）進(jìn)行。甲、乙工程試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)分別見(jiàn)圖2、圖3，甲、乙工程試樁1的試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖分別見(jiàn)圖4、圖5，甲、乙工程自平衡靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 甲、乙工程自平衡靜載試驗(yàn)結(jié)果

圖2 甲工程自平衡靜載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 乙工程自平衡靜載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖4 甲工程試樁1的試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖

圖5 乙工程試樁1的試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖

甲乙兩工程均位于貴州省溶巖地區(qū)，地層巖性類(lèi)似，樁底持力層均為中風(fēng)化白云巖，具有對(duì)比分析和總結(jié)的價(jià)值。對(duì)比分析認(rèn)為，甲工程5根試樁位移均很小，位移曲線(xiàn)均處于彈性位移階段，說(shuō)明上段樁的側(cè)阻力和下段樁的端阻力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)還未發(fā)揮出來(lái)，承載力潛力還很大。乙工程與甲工程同樁徑的樁進(jìn)行對(duì)比，乙工程的設(shè)計(jì)承載力幾乎是甲工程的2倍。乙工程試樁的上下位移相對(duì)適中，但乙1、乙3上下位移差較大，經(jīng)分析是由于荷載箱平衡點(diǎn)選取誤差較大造成的。乙工程樁基承載力尚有一定的潛力，而甲工程設(shè)計(jì)偏于保守，可考慮適當(dāng)縮小樁徑，節(jié)省工程成本。

5 自平衡檢測(cè)法存在的不足

5.1 對(duì)樁本身施工的影響

若采用自平衡法試樁，樁身澆筑前荷載箱與鋼筋籠焊接為一體后一起放入樁孔，荷載箱的存在會(huì)對(duì)樁身混凝土澆筑時(shí)樁底沉渣和浮漿的排出產(chǎn)生一定的阻礙作用，使得部分沉渣和浮漿滯留在荷載箱的下部，這對(duì)樁身質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響。因此，該處對(duì)荷載箱形體改進(jìn)及樁身施工提出了更高的要求。

5.2 樁身受力機(jī)理不足

采用自平衡法試樁，荷載箱在油壓的作用下，將樁身分為上下兩段，上段樁所受的力實(shí)際是向下的抗拔摩阻力，這與實(shí)際工程上段樁受壓摩阻力是有差異的；另一方面，上段樁上拔的過(guò)程會(huì)帶起周?chē)耐馏w，使樁側(cè)土體圍壓降低。

5.3 試樁代表性不足

抽選的試樁在澆筑前已確定，施工時(shí)會(huì)有針對(duì)性地提高試樁的質(zhì)量，使得試樁代表性不足。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）甲乙工程樁基經(jīng)自平衡法檢測(cè)，其豎向抗壓承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，實(shí)踐說(shuō)明自平衡法在巖溶地區(qū)可以廣泛推廣應(yīng)用。

（2）巖溶地區(qū)樁基多采用嵌巖樁，持力層承載力通常較好，采用自平衡法測(cè)試單樁承載力時(shí)，平衡點(diǎn)（荷載箱安裝點(diǎn)）多設(shè)置于樁底。

（3）巖溶地區(qū)勘探時(shí)若存在溶溝溶洞，樁身應(yīng)穿越溶洞（溝），將樁底嵌于溶洞（溝）下部的巖層，樁基多為端承類(lèi)樁。存在高、大溶洞時(shí)應(yīng)采取塊石、混凝土充填或設(shè)置護(hù)筒等措施，若采用充填方式，樁身側(cè)阻力易因擴(kuò)徑而增大，若采用設(shè)置護(hù)筒的方式則其溶洞段側(cè)阻力可以忽略不計(jì)。

（4）實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，自平衡檢測(cè)法操作過(guò)程對(duì)樁身受力機(jī)理存在認(rèn)知不足，試樁代表性不足等問(wèn)題，在這方面值得繼續(xù)探究。