肖先波

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖州 313000）

1 引言

樁的靜載試驗是確定單樁承載力最可靠的方法，單樁承載力越高，對靜載荷試驗的堆載或反力系統(tǒng)的能力的要求也越高，而且使試驗費用急劇增加；對大直徑樁，其承載力很高，傳統(tǒng)的靜載試驗往往無法得到準(zhǔn)確的承載力數(shù)據(jù)，甚至無法實現(xiàn)樁基靜載試驗。一種簡便易行的較經(jīng)濟(jì)的且能給出完整的靜載試驗結(jié)果的測試方法——自平衡靜載試驗法[1]，取得了良好的效果。

2 測試原理

自平衡靜載試驗法的基本原理是利用試樁自身反力平衡，根據(jù)上段樁的摩阻力與下段樁摩阻力和樁端阻力之和相等的原理，在上、下段樁之間設(shè)置荷載箱，通過荷載箱對上、下段樁施加荷載，從而依據(jù)施加的荷載，推算獲得單樁承載力。該方法的關(guān)鍵之一是根據(jù)荷載箱所施加荷載大小與向上、向下位移的唯一對應(yīng)關(guān)系，可得上、下樁段的Q～S曲線，從而將上段樁的極限抗托承載力經(jīng)修正后轉(zhuǎn)換為極限抗壓承載力，與下段樁承載力相加，得到單樁的極限承載力[2]。

荷載箱的埋設(shè)位置是根據(jù)地質(zhì)報告進(jìn)行計算后確定的，原則是：荷載箱放在樁身平衡點處，使上、下段樁的承載力相等以維持加載。3根試樁荷載箱的擺放位置詳見圖1。自平衡試驗的位移測量包括樁頂位移、荷載箱上位移和荷載箱下位移，位移測量設(shè)備為位移傳感器或高精度大量程百分表。所有測量器具均應(yīng)經(jīng)法定計量單位檢定，且滿足測量誤差不大于0.1%FS，分辨力優(yōu)于或等于0.01 mm。樁頂位移測量與傳統(tǒng)靜載荷試驗位移測試方法一致，利用位移傳感器或百分表直接測量即可。

圖1 自平衡測試系統(tǒng)圖

3 自平衡法在軟土地質(zhì)中的應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)概況

地貌上屬杭嘉湖平原區(qū)的湖海積平原地貌單元。場地原為水塘及稻田，現(xiàn)場地已回填，場地總體呈東高西低，地面高程約2.90～3.65m，地下有供水管道及污水管道。地基土共劃分為6個巖土工程層，其中③層細(xì)分為兩個亞層，并含一夾層，⑥層細(xì)分為兩個亞層。

3.2 施工情況

本工程所測3根試樁是浙江省地球物理技術(shù)應(yīng)用研究所承擔(dān)基樁靜載試驗任務(wù)?，F(xiàn)場測試工作于2008年3月3日～3月6日完成。經(jīng)過一年多的使用觀察，淺樁工程完全滿足上部結(jié)構(gòu)荷載的承重要求。擬建的湖州市進(jìn)出口有限公司生產(chǎn)項目大樓基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，所測3根試樁樁長在52.0m～54.0m之間。

表1 場地主要力參數(shù)

3.3 加載裝置

本次試驗采用自平衡法。其主要裝置是一種特制的荷載箱，在基樁成孔之后，將荷載箱埋設(shè)在樁端或樁身設(shè)計的位置上，依靠荷載箱上部樁的摩阻力、樁重與荷載箱下部樁的摩阻力、端阻力提供的反力，達(dá)到平衡。通過試驗參數(shù)，可以推算出單樁承載力。加載時，從樁頂由高壓油泵通過輸油管對荷載箱內(nèi)腔施加壓力，荷載箱箱蓋、箱底同時被推開，產(chǎn)生位移，荷載逐次傳遞給試樁。本次試驗采用慢速加載法進(jìn)行荷載試驗。

3.4 計測裝置

荷重測定：采用油壓表測控加載量。沉降量測定采用精度為1/100mm，最大量程為50mm的4只百分表（荷載箱底、箱蓋的位移棒上各裝2只），對稱設(shè)置在樁頂兩側(cè)，通過靜止的基準(zhǔn)樁、基準(zhǔn)梁作為靜態(tài)參照物，以測量單樁在不同荷載作用下的位移量。試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法分為以下四個方面：分級加載、位移觀測、終止加載條件、卸載。

4 承載力評定標(biāo)準(zhǔn)

試驗成果評述：

4.1 試驗成果

在各級荷載作用下，試樁的靜載試驗原始記錄匯總，并根據(jù)試驗結(jié)果編繪的曲線見14#、26#、65#樁Q－S曲線圖所示。

（1）根據(jù)位移隨荷載的變化特征確定極限承載力，對于陡變型Q-S曲線，取Q-S曲線發(fā)生明顯陡變的起始點。

（2）對緩變形Q-S曲線，按位移值確定極限值，極限側(cè)阻取對應(yīng)于向上位移S上=40～60mm對應(yīng)的荷載；極限端阻取S下=40～60mm對應(yīng)荷載，或大直徑的S下=(0.03～0.06)D(D為樁端直徑，大樁徑取低值，小樁徑取高值)的對應(yīng)荷載。

圖2 Q-S曲線圖

（3）根據(jù)位移隨時間的變化特征確定極限承載力，下段樁取S-1gt曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級荷載值，上段樁取S-1gt曲線尾部出現(xiàn)顯向上彎曲的前一級荷載值，見65#樁S-1gt曲線圖。

圖3 S-1gt曲線圖

4.2 轉(zhuǎn)換系數(shù)分析

（1）分別求得上、下段樁的極限承載力QU上、QU下，然后考慮樁自重影響，得出單樁豎向抗壓極限承載力為：

式中：W——荷載箱上部樁自重；轉(zhuǎn)換系數(shù)取1.25～1.4。

（2）根據(jù)壓樁和托樁受力機(jī)理的不同，在相同外荷載作用下，壓樁和托樁的位移值不同，計算所得的荷載沉降曲線也不同，“按照托樁的Q+～S+曲線找出與位移S-i對應(yīng)的Q+i，由此可以得到一系列點(Q+i，S-i)，i=1，2，…，n，將這些點光滑相連得到本文的計算轉(zhuǎn)換曲線如圖4所示，若與堆載壓樁測得的QS曲線較吻合，說明k的取值較準(zhǔn)確；反之，則不準(zhǔn)確。

圖4 Q-S曲線與轉(zhuǎn)換曲線

(3)k值影響分析：自平衡測試頂樁負(fù)摩阻力大于拔樁時的負(fù)摩阻力，同時考慮樁身軸向變形的影響(壓樁大于頂樁)，將上述系數(shù)適當(dāng)提高后可取壓樁正摩阻力與自平衡負(fù)摩阻力的比值為0.6～0.8。建議根據(jù)工程地質(zhì)情況k值取用范圍為1.25～1.6(根據(jù)樁端土強(qiáng)度對樁側(cè)阻力的增強(qiáng)效應(yīng)，樁側(cè)土層相同，樁端土強(qiáng)度越高k取值越大)。本工程三根樁荷載箱擺放在樁底，樁底位于中風(fēng)化花崗巖層，轉(zhuǎn)換系數(shù)取1.25～1.4。另外，如果對于采用泥漿護(hù)壁的鉆孔灌注樁，當(dāng)泥漿過稠時在樁身表面形成“泥皮”，剪切滑動面將發(fā)生在泥皮內(nèi)，對此種情況可忽略正負(fù)摩阻的差異，將綜合轉(zhuǎn)換系數(shù)取值為1.00。

（4）承載力推定：根據(jù)托樁的承載力與壓樁的承載力之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，上述的評定標(biāo)準(zhǔn)及公式，通過現(xiàn)場實測資料驗證，推定試樁的單樁豎向極限承載力參數(shù)如表2。

表2 試樁單樁豎向極限承載力參數(shù)表

5 樁底托樁的承載特性與樁頂壓樁的承載特性

據(jù)Q～S曲線可以確定極限荷載和極限沉降量以及不同荷載時的沉降量。從荷載傳遞機(jī)理的角度分析，樁底托樁的承載特性與樁頂壓樁的承載特性顯然是不同的[3]，具體表現(xiàn)在以下方面[7-10]:(1)樁底托樁過程中，樁頂部存在臨空面，使得托樁的摩阻力下降較多；而樁頂壓樁時，由于樁端土層對下部土的約束加強(qiáng)作用，壓樁時摩阻力下降較小。(2)樁頂壓樁時，在荷載作用下樁身產(chǎn)生彈性壓縮，樁身側(cè)向膨脹，使得樁周土體中徑向應(yīng)力σr增大，通常認(rèn)為摩阻力τ＝c+σrtanφ(φ為摩擦角)，于是引起樁側(cè)摩阻力的增加。由于臨空面的存在，使得樁底托樁時樁側(cè)摩阻力的增加較小。所以，壓樁的正側(cè)摩阻力一定大于托樁的負(fù)側(cè)摩阻力。(3)從受力力學(xué)機(jī)理分析，托樁的承載力由負(fù)側(cè)摩阻力和樁身有效自重組成，而壓樁的承載力由正樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成。綜合托樁的受力特點，其破壞形式更接近于摩擦形式。

6 自平衡試驗影響

（1）自平衡加載方式下荷載箱上下樁段存在相互影響，其影響程度因樁土參數(shù)而異。

（2）上下段樁位移影響量隨下段樁樁周土體彈性模量的增加而減少，隨上段樁樁周土體彈性模量的增加而減少，隨著樁長徑比的減少而增加。

（3）隨著荷載等級的增加，上下段樁位移影響量非線性同步增加，但其影響率大幅度下降。下段樁由于受到樁側(cè)、樁端土的約束，隨荷載等級的增加先增加而后減小且上段樁對其影響明顯減弱。

（4）對于實際工程需求精度而言，上下樁段間的位移影響量很小，并不影響單樁極限承載力的判定，故試驗轉(zhuǎn)換分析時可將其忽略。

7 結(jié)論

（1）在復(fù)雜地質(zhì)條件下或大直徑樁基靜載試驗中，自平衡加載試驗是一種安全、高效的基樁承載力測試方法，其結(jié)果的準(zhǔn)確性已得到大量工程試驗的驗證，具有良好的應(yīng)用前景。

（2）14#試樁、26#試樁、65#試樁在各自最大試驗荷載作用下，Q-S曲線呈緩變型，位移量均小于40mm；S-1gt曲線沉降間隔逐級增大，最后一級曲線未下彎。根據(jù)規(guī)范，其單樁豎向抗壓極限承載力取值分別取為8290kN、10500kN、6304kN。

通過對本工程推定3根試樁的現(xiàn)場單樁豎向自平衡法靜載試驗，淺樁的承載力滿足要求。

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