靜載荷試驗與高應變法、自平衡法對比研究

金凱凱 JIN Kai-kai

（寧波冶金勘察設計研究股份有限公司，寧波 315000）

0 引言

樁基工程中承載力是否滿足設計要求是樁基工程質量檢測中的主要問題，目前檢測單樁極限承載力所采用的方法主要有傳統(tǒng)靜載荷試驗法、高應變法和自平衡法。靜荷載試驗作為目前檢測承載力最直觀的、最可靠的方法，可根據(jù)試驗類型的不同，能夠準確反映受檢樁在實際使用過程中的抗壓、抗拔和水平極限承載力，為設計提供依據(jù)，通過樁身應變、位移測試，還可以測定樁側、樁端阻力。但傳統(tǒng)靜載法的適用范圍受試樁噸位和場地條件的限制，隨著我們各類城市軌道交通和高層建筑的發(fā)展，大直徑大噸位樁越來越普及，軌道交通和橋梁工程樁基，由于場地限制一般不具備靜載試驗場地的條件，其承載力的檢測一直難以準確表達。在寧波以往的軌道交通和市政工程，其主線高架橋基樁的承載力檢測均采用了高應變法，而高應變case 法假定的前提是土阻力得到充分發(fā)揮，樁土間發(fā)生相對塑性位移，適用于摩擦型中、小直徑樁或截面均勻的灌注樁，對于大直徑大噸位的樁土阻力很難得到充分發(fā)揮，擬合檢測值會存在較大的誤差。寧波市機場快速路南延工程檢測項目首次將自平衡法和單樁豎向抗壓靜載試驗運用到軌道交通大直徑大噸位樁的承載力檢測，本文以該項目為研究對象，利用其靜載荷試驗數(shù)據(jù)和自平衡法、高應變法檢測數(shù)據(jù)作對比分析，探究自平衡法和高應變法在檢測承載力方面的適用性和可靠性。

1 工程概況

機場快速路南延工程全長18.8 公里，工程總投資約60.7 億元，采用“主線高架+地面輔道”的建設形式，該工程主要建設內容包括橋梁工程、道路工程，軌道交通土建主體工程及其他附屬工程等。樁型采用旋挖鉆孔灌注樁，主線高架樁基礎設計樁端持力層為中風化砂礫巖，設計單樁極限承載力10000～16000kN，輔道橋樁基礎設計樁端持力層為圓礫，設計單樁極限承載力4200～6600kN，本次對主線高架抽取8 根樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗，抽取2 根樁進行自平衡法檢測；輔道橋抽取3 根樁分別采用單樁豎向抗壓靜載試驗和高應變法做動靜對比。

2 單樁豎向靜載試驗

2.1 測試方法 單樁豎向抗壓靜載試驗設備，由加載裝置、荷載及沉降變形量測裝置三部分組成。加載裝置由千斤頂構成，通過控制儀器自動加載及卸載。荷重由油壓傳感器測讀；沉降變形由4 只對稱分布的量程50.00mm的位移傳感器測讀；荷重及沉降變形直接通過傳感器顯示儀顯示和存儲，所用測試設備的精度滿足相關規(guī)范的要求。試驗均采用慢速法。

2.2 檢測結果 本次試驗的基樁加載到最大值后均達到穩(wěn)定，且Q～s 曲線無明顯拐點，呈緩變型。其中的蔣SZH-1#樁Q～s、s～lgt、s～lgQ 試驗曲線見圖1。所有受檢樁具體試驗數(shù)據(jù)見表1、表2。

圖1 蔣SZH-1# 樁Q～s、s～lgt、s～lgQ 曲線

表2 輔道橋試驗樁靜載試驗成果表

3 自平衡法

3.1 測試方法 基樁承載力自平衡法，是通過在樁體內部預先埋設一種特制的加載裝置——荷載箱，在混凝土澆注之前和鋼筋籠一起埋入樁內相應的位置（位置根據(jù)地質概況計算確定），將荷載箱的加壓管以及所需的其他測試裝置（位移桿及護管、應力計等）從樁體引到地面，然后灌注成樁。到休止齡期后，由加壓泵在地面通過預先埋設的管路，對荷載箱進行加壓加載，使得荷載箱產生上、下兩個方向的力，并傳遞到樁身。由于樁體自成反力，將得到相當于兩個靜載試驗的數(shù)據(jù)：荷載箱以上部分，獲得反向加載時上部樁體的相應反應參數(shù)；荷載箱以下部分，獲得正向加載時下部樁體的相應反應參數(shù)。通過對加載力與參數(shù)（位移、應力等）之間關系的計算和分析，可以獲得樁基承載力、樁端承載力、側摩阻力、摩阻力轉換系數(shù)等一系列數(shù)據(jù)。

3.2 檢測結果 兩根試樁經過計算荷載箱均埋置于樁端位置，試驗分10 級加載，在加載至最大值后沉降量達到相對穩(wěn)定，Q～s、s～lgt 曲線無明顯拐點。其中的Pm257-5#樁Q～s、s～lgt、s～lgQ、Q～s 測試曲線如圖2。兩根受檢樁的具體數(shù)據(jù)如表3。

圖2 Pm257-5# 樁Q～s、s～lgt、s～lgQ、Q～s 等效曲線圖

表3 主線高架自平衡法試驗成果表

4 高應變法

4.1 測試方法

基樁高應變法檢測法將樁視為一維連續(xù)線性桿件，用接近基樁極限承載力的沖擊荷載取代靜載荷考核樁土體系，在樁頂附近某一有代表性的截面實測樁頂截面的軸向應力和加速度的時程曲線，根據(jù)一維波動方程實測數(shù)據(jù)包含有樁身完整性和樁周土對樁的作用力波的信息。運用一維波動方程的數(shù)值解，對樁身阻抗和樁周土實行分層分段計算，從而判定單樁的極限承載力和樁身結構完整性。本工程共檢測3 根輔道橋樁進行動靜對比，設計單樁極限承載力4400～5000kN，均采用7 噸重錘進行錘擊，通過CASE法和曲線擬合法對承載力進行估算。其中曲線擬合法模型計算有如下假定：①假定樁為一維均質彈性體，可包含有裂隙、阻抗變化和截面變化等缺陷，信號沿樁身傳播可發(fā)生衰減；②土的靜力學模型為理想的彈塑性體，各部分的靜阻力與它們的變形有關；加載時由彈性轉為塑性時對應的位移值稱為最大彈限，同時考慮卸載及重加載對變形和阻力的影響，又引入卸載彈限、卸載系數(shù)、卸載水平、復載水平和線性硬化軟化系數(shù)等概念；③土的動阻力模型為Smith 模型，認為土的動阻力存在于樁側的每一個部位，且與相應時刻的靜阻力、質點速度成比例，其阻尼系數(shù)為Simth 阻尼系數(shù)。

4.2 測試結果

其中的G3-39#樁高應變法CASE 曲線和擬合曲線見圖3；被測試的3 根樁高應變法的試驗成果見表4。

圖3 G3-39# 樁高應變法CASE 曲線和擬合曲線

5 試驗結果對比分析

主線高架的自平衡法和靜載荷試驗試驗樁位于同一場地，地層無明顯變化，對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)靜載試驗在最大試驗荷載下的樁頂沉降量普遍在20mm 以上，而自平衡法檢測的基樁上、下段樁的總位移僅僅在5～7mm，相比靜載試驗結果要小很多，其一方面原因是兩種方法試驗時的樁身軸力和土摩阻力模型是不同的，傳統(tǒng)靜載最大軸力在樁身頂部，隨深度增加土阻力的發(fā)揮，樁身軸力逐漸變小，樁頂位移最大，上部土摩阻力得到充分發(fā)揮，越往下樁土相對位移越小，下部土層阻力發(fā)揮比例越來越小。自平衡法在荷載箱位置樁身位移最大，荷載箱附近土摩阻力發(fā)揮最充分。另一方面是傳統(tǒng)靜載荷試驗所得到的沉降量包括了樁身的壓縮變形，所測到的沉降量為樁頂沉降量，實際的樁端沉降要遠遠小于試驗值，樁端阻力尚未充分發(fā)揮。在實際工程中我們對設計試樁進行靜載試驗去確定極限承載力時，根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》JGJ106-2014，4.4.2-4條，當Q～s 曲線呈緩變型時，以s=40mm 和0.05D（D 為樁端直徑）對應荷載值去確定單樁極限承載力，這是非常保守的。

輔道橋3 根樁對比靜載荷檢測和高應變法檢測的試驗成果，動靜承載力相對誤差均在8.8%以內，動靜對比效果良好，高應變法能大致反映樁的承載力。但值得注意的是，本次靜載荷試驗并非破壞試驗，實際樁的極限承載力可能遠高于試驗值，因此，強調動靜承載力檢測誤差并沒有意義。高應變法檢測樁的樁端持力層為圓礫，持力層較硬，在樁頂錘擊力充分激發(fā)的情況下，貫入度值僅為1.4～2.6mm，根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》JGJ106-2014，9.3.4條，單擊貫入度在2～6mm 作為樁已經被“打動”的參考，樁土是否充分發(fā)揮是影響高應變法檢測承載力結果的關鍵因素。對于樁端土層較硬的樁，實際承載力往往很高，此時樁錘匹配能力會下降，錘的重量不能僅扣規(guī)范的最小值按特征值的2%去匹配，本次試驗錘重與樁的承載力特征值比值約為3%，仍無法保證樁土阻力充分發(fā)揮。為了安全起見，本次高應變檢測不進行承載力外推，只是估算其承載力能否滿足設計要求。

6 結論

自平衡法解決了傳統(tǒng)靜載試驗對場地的要求，能大大節(jié)省成本，避免了因吊裝運輸造成的安全隱患和材料浪費，省時、省力、安全、環(huán)保，優(yōu)點明顯，但缺點也不容小覷，其在檢測完成后會造成斷樁，后續(xù)注漿處理無法保證該樁的完整性質量，其次是平衡點的位置取決于精準的地勘資料，地勘的誤差會引起荷載箱偏離基樁的平衡位置，容易造成測試誤差甚至失敗?？傮w而言，選擇勘探孔附近的基樁作為試驗樁，自平衡法能較準確地表達樁的承載力情況，在場地受限、大噸位樁領域值得推廣。

高應變法具有經濟、簡便、快速等優(yōu)點，對中、小摩擦型樁，樁土阻力容易充分發(fā)揮，能較準確反映樁的承載力，對設計要求低、成樁質量可靠性高和不具備靜載試驗場地，用高應變法做承載力驗收檢測也是可行的。對持力層較硬的端承摩擦樁，試驗難以保證基樁達到較大的貫入度，宜評價高應變法的適用性。錘重不能僅扣規(guī)范的最小值按特征值的2%去匹配，應采用更高比例去匹配。對大噸位大直徑樁、端承樁和Q～s 曲線呈緩變型的樁，難以保證樁土間發(fā)生相對塑性位移，錘擊力的大小可能直接決定擬合承載力檢測值的大小，擬合承載力檢測值存在較大的離散性，不適用于評價樁的承載力。