自平衡法樁基檢測中轉換系數敏感性分析

諶洪菊 CHEN Hong-ju

（廣東惠佳工程檢測有限公司，惠州 516023）

0 引言

隨著我國高層建筑的崛起，樁基礎已經成為工程建設一種主流的形式，樁基礎的合理建設對實際工程建設至關重要。樁基的承載力檢測方式有很多種，其中自平衡測試法在一定程度上解決了承載力檢測的難題，同時也給出了自平衡樁基檢測轉換系數的取值范圍，但在實際工程應用中，還是根據經驗確定，由于實際環境中的不確定性因素，導致現場實際荷載施加的平衡點位置取值保守。為此，不斷有學者開展關于自平衡法樁基檢測中轉換系數取值的研究。如潘學忠[1]通過實際工程項目試驗樁進行了自平衡法靜載試驗分析，并與傳統試樁檢測方式進行對比，得到對比結果，對實際工程結構設計提供了有力的依據。張健[2]等人對巖溶區試樁工程案例進行分析，采用自平衡法樁基檢測方式對樁基承載力進行檢測，結果表明，由于研究實際工程的復雜性，自平衡法不適用于承載力檢測試驗。蔡雨[3]等人研究自平衡檢測與傳統緊壓樁荷載的傳遞規律的差異以及形成的原因，通過花崗巖殘積土進行試驗，經過分析得到荷載的傳遞規律。本文通過實際的工程案例進行分析，對自平衡法樁基檢測轉換系數的敏感性進行了詳細研究，本文的研究成果可為今后的工程設計提供一定的指導與借鑒意義。

1 工程概況

本次研究以江西省南昌市某校園擴建教學樓工程為例，該建筑為框架結構，共7 層，其中地下2 層，地上5 層，總高度為20.45m。考慮到上部結構載荷對基樁的整體需求，本建筑結構共涉及286 根樁，主要分為抗壓樁和抗壓、抗拔樁兩種，其中抗壓樁有110 根，抗壓、抗拔樁有176根。所有樁設計樁徑為800mm，樁長為9.0～17.6m。該工程場地的地質從上至下依次為雜填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、細砂、粗砂、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖，土體具體參數如表1 所示。

表1 土體參數建議值

2 試驗研究及分析

本文主要選取典型樁558#進行研究，該樁設計樁徑為800mm，樁類型為自平衡試樁，樁長約為11.70m，設計承載力特征值抗壓為4500kN，荷載箱頂底蓋直徑為690mm。

試驗檢測前，首先預估自平衡試樁平衡點所在位置，并預先將荷載埋在平衡點位置處，本次設計的荷載箱采用自平衡試樁上下兩部分進行加載。當試驗開始時，載荷箱內部通過油泵進行加壓，上下樁同時施加荷載，通過荷載傳感器對平衡點處的荷載箱施加的荷載進行采集，采用兩個位移傳感器分別獲取上段樁的樁底位移和下段樁的樁底位移。

對558#樁承載力現場檢測，將現場采集到的實驗數據進行整理并繪制相應的Q-s 曲線，見圖1。

圖1 558# 樁承載力試驗的Q-s 曲線圖

現場監測得到的558#樁承載力試驗圖如圖1 所示，當平衡點處的施加載荷為4600kN 時，達到預定的荷載值，這時停止荷載施加，上樁段沉降位移為7.04mm，而下樁段位移為10.21mm，根據圖1Q-s 曲線可以看出該曲線為緩變型，卸載后，上段樁最大回彈量達到3.86mm，下樁段最大回彈量為6.22mm。

3 有限元模擬分析

3.1 模型建立與簡化

對教學樓的典型樁558#樁進行模擬，由于土層分布的復雜性，在進行分析時，需要進行合理的簡化，根據具體的工程現狀，本工程建筑具有兩層地下結構，地下室平面自上而下土層為淤泥粉質黏土、粗砂、強風化泥質粉砂巖及中風化泥質粉砂巖，相關土體參數見表1。

本次分析典型樁558#樁選用彈性模型，土的材料選用摩爾庫倫模型，由于存在邊界效應，為了避免邊界效應對實驗結果的影響，本次設計將邊界的寬度設為8m、深度23m、樁徑0.8m、上段樁長度8.2m、下段樁長度2.8m。采用Plaxis 3d 軟件建模分析，根據實際情況，對傳統壓樁進行模擬，加載過程分為25 步，每一級施加荷載1kN，得到荷載位移曲線，從而得到轉換系數的取值范圍。

3.2 工程樁荷載沉降位移分析

通過Plaxis 3d 對實際工程進行數值模擬分析，將其結果與現場試驗的結果進行對比，樁558#荷載位移對比圖如圖2 所示。在同樣條件下，當施加4600kN 荷載，數值模擬上段樁位移為8.85mm，下段樁位移為-10.85mm；而現場試驗上段樁位移為7.04mm，下段樁位移為-10.21mm。結果表明，現場試驗檢測值小于數值模擬值，但其呈現的趨勢一致，經過模擬分析后結果與現場試驗的數據接近，因此，該模擬結果同樣適用于工程應用中。

圖2 樁558# 荷載位移對比圖

4 不同因素對轉換系數的影響分析

4.1 轉換系數與粘聚力c、內摩擦角φ 的關系

采用Plaxis 3d 進行有限元計算，在同樣的條件下，分別對比粘聚力c 為16.0kPa、19.0kPa、22.0kPa、25.0kPa 和28.0kPa，內摩擦角為15.3°、18.3°、21.3°、24.3°、和27.3°，一共分為10 種不同的工況，得到10 種工況下各個荷載級對應的沉降位移，如圖3 所示。可以看出自平衡法樁基檢測的Q-s 曲線幾乎沒有太大的差異，因此，粘聚力和內摩擦角對自平衡法樁基檢測中轉換系數的影響較小。

圖3 自平衡試樁Q-s 對比圖

4.2 轉換系數與樁土剛度比Ep/Es 的關系

在同樣的情況下，對比樁土剛度比Ep/Es 為5604、4133、3274、2710 和2312，一共分為5 種不同的工況，得到5 種工況下各個荷載級對應的沉降位移，如圖4 所示。隨著樁土的剛度比的增大，轉換系數也隨之增大。通過等效位移對比的方法，得到轉換系數γ 的取值分別為0.87、0.89、0.91、0.92、和0.92。

圖4 自平衡試樁荷載位移對比圖

4.3 轉換系數與樁徑比1/d 的關系

根據實際工程現狀，模擬樁的長度為11.7m，在其他控制參數不變的情況下，樁徑比分別為12.32、13.00、13.76、14.63 和15.60，一共5 種工況。由于樁徑比的不同，各個荷載級的應力也是不同的。

根據圖5 所示，隨著樁徑比的增大，在同一荷載級下下段樁的沉降位移出現減小的趨勢，而上段樁隨著樁徑比增大，上段樁的沉降位移出現減小趨勢。通過計算自平衡樁試驗的等效位移，得到各樁剛度比下的轉換系數分別為0.83、0.85、0.86、0.87 和0.89，并且隨著樁徑比的增大，轉換系數也隨著增大。

圖5 自平衡試樁荷載位移對比圖

4.4 轉換系數與平衡點位置的關系

平衡點位置的確定對于自平衡樁基檢測有較大的影響，在自平衡模擬樁其他參數不變的情況下，自平衡樁基檢測設置平衡點的位置分別為2.0m、2.4m、2.8m、3.2m 和3.6m，經過有限元計算，得到各平衡點下的沉降位移對比圖如圖6 所示。從圖中可以看出，平衡點位置離樁底的距離越長，同一荷載級的上段樁的沉降位移會出現增大的趨勢，而同一荷載級的下段樁的沉降位移會出現減小的趨勢。

圖6 自平衡試樁荷載位移對比圖

對比圖6 計算得到各個平衡點處對應的轉換系數的取值分別為0.89、0.88、0.87、0.86、0.84，并且隨著平衡點位置距離樁底的位置越遠，轉換系數的取值越小。

5 結論

本文以具體的工程實例，基于有限元模擬和現場檢測兩種方式分析了自平衡檢測樁和傳統靜壓樁的模型試驗，通過等效位移曲線對比方法得到其轉換系數，并研究了不同因素對于轉換系數取值的影響，得到以下結論：

①通過Plaxis 3d 對自平衡檢測和傳統靜壓樁試驗進行計算，結果表明現場試驗檢測值略小于數值模擬值，但其呈現的趨勢一致，數值模擬的可靠性得以驗證。

②通過自平衡樁基檢測試驗，將等效位移曲線對比得到轉換系數，分析了不同影響因素對于轉換系數的影響：結果表明，粘聚力、內摩擦角對自平衡法樁基檢測中轉換系數取值的影響較小；隨著樁土的剛度比、樁徑比的增大，轉換系數也隨之增大；平衡點位置距離樁底的距離越近，其轉換系數也就越大。