王兆亮，吳秋霜，黃建平，劉守花

（1.淮安市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 淮安 223000；2.中大智能科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006；3.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

0 引言

承載力檢測(cè)是樁基工程中必須進(jìn)行的檢測(cè)項(xiàng)目之一，規(guī)范提供的檢測(cè)方法有傳統(tǒng)的堆載法或錨樁法，也有自平衡法與高應(yīng)變法。傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)是承載力檢測(cè)的直接法，考慮檢測(cè)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和隨機(jī)性，房建工程項(xiàng)目基本采用傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法進(jìn)行樁基承載力檢測(cè)。但是傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)，因成本高、工期長(zhǎng)、場(chǎng)地要求嚴(yán)格和安全風(fēng)險(xiǎn)大等因素對(duì)某些項(xiàng)目不適用，而必須采用其他檢測(cè)方法［1］。自平衡靜載試驗(yàn)適用于傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)條件受限時(shí)的豎向承載力檢測(cè)，具有裝置簡(jiǎn)單，試驗(yàn)省時(shí)、省力、安全、無(wú)污染、直接測(cè)得樁側(cè)阻力與端阻力，綜合費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，但也有試驗(yàn)土體的受力方向與工程不一致，試驗(yàn)隨機(jī)性差和抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值等局限性［2］。高應(yīng)變曲線擬合法相比傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)而言是一種半直接法，是利用樁頂平面荷載的瞬時(shí)沖擊產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，使樁土之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，隨著相對(duì)移動(dòng)的延續(xù)，促使樁側(cè)及樁端阻力順序發(fā)揮作用，也有自身方法假定條件的局限性。

本文基于長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟住宅樁基工程由于場(chǎng)地條件的限制，不適用傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法，項(xiàng)目檢測(cè)方案經(jīng)專家論證后擬采用自平衡靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變擬合曲線法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)承載力的檢測(cè)。根據(jù)兩種方法的試驗(yàn)原理分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)比分析高應(yīng)變法和自平衡靜載試驗(yàn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，明確兩種檢測(cè)方法的配合使用，可以有效地補(bǔ)充兩種檢測(cè)方法在房建工程檢測(cè)中的局限性，從而達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)定樁基工程承載力的目的。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟住宅，建筑高度 52.4 m，地上 17 層，地下 1 層，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)乙級(jí)，建筑物等級(jí)二級(jí)。28# 棟住宅基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，旋挖機(jī)械成孔，樁身直徑d=800 mm，設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁﹥煞N承載力檢測(cè)值，工程樁數(shù)量為 92 根。根據(jù)檢測(cè)方案要求，先進(jìn)行 5 根基樁的自平衡靜載試驗(yàn)，樁頭處理滿足要求后再進(jìn)行基樁的高應(yīng)變法試驗(yàn)。樁基及樁側(cè)土層參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟樁基靜載試驗(yàn)參數(shù)

表2 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目樁側(cè)土層及參數(shù)

2 試驗(yàn)原理

2.1 自平衡靜載試驗(yàn)

自平衡靜載試驗(yàn)是利用與鋼筋籠連接并安置于樁身平衡點(diǎn)處的一種特制的荷載箱，通過(guò)預(yù)埋在樁身內(nèi)的壓力管傳遞試驗(yàn)壓力，使荷載箱頂板和底板向上、向下移動(dòng)，從而調(diào)動(dòng)樁周土的摩阻力與端阻力，直至破壞。因此，將荷載箱上段的樁側(cè)摩阻力與荷載箱下段的側(cè)阻力和端阻力迭代計(jì)算可順利獲得試驗(yàn)樁的極限承載力。自平衡靜載試驗(yàn)示意圖如圖1 所示。

圖1 自平衡靜載試驗(yàn)示意圖

平衡點(diǎn)即是基樁上段樁樁身自重及極限樁側(cè)摩阻力之和與下段樁極限樁側(cè)摩阻力及極限樁端阻力之和基本相等的位置。自平衡法加載點(diǎn)平衡計(jì)算后一般置于樁身或樁底，故自平衡法樁身應(yīng)力分布及樁側(cè)土層應(yīng)力分布與樁實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)不同，而且自平衡法靜載試驗(yàn)為雙向加載，樁身產(chǎn)生的應(yīng)力是傳統(tǒng)堆載法試驗(yàn)的一半［3］。

2.2 高應(yīng)變法

高應(yīng)變法為一種半直接法，是基于樁體位移僅在一個(gè)尺寸上進(jìn)行，其余兩個(gè)尺寸方向上的變形均為零，樁周土體均勻連續(xù)，樁身應(yīng)力均勻連續(xù)分布等假定的試驗(yàn)方法［4］，是基于一定質(zhì)量的重錘（不小于承載力特征值的 0.02 倍），使其從設(shè)定的高度自由下落，沖擊樁頂并通過(guò)樁身傳遞荷載從而激發(fā)足夠的土阻力。試驗(yàn)中通過(guò)預(yù)設(shè)于樁身或者重錘上的傳感器記錄樁頂部的速度和力時(shí)程曲線，再通過(guò)應(yīng)力波一維桿件的波動(dòng)理論對(duì)其進(jìn)行分析并檢測(cè)樁的承載力［5］。

高應(yīng)變檢測(cè)應(yīng)力波的一維波動(dòng)方程，如式（1）所示。

式中：u為應(yīng)力波沿一維方向x處的位移量，m；c為應(yīng)力波沿一維方向的傳播速度，m/s；t為應(yīng)力波沿一維方向的傳播時(shí)間，s；x為一維方向的長(zhǎng)度，m。

基于波動(dòng)理論，高應(yīng)變檢測(cè)的應(yīng)力波是由上行波、下行波疊加形成的，試驗(yàn)時(shí)樁身任一截面的F或V，均可根據(jù)一維波動(dòng)方程的通解導(dǎo)出，如式（2）、（3）所示。

式中：A為基于波動(dòng)理論的樁身均一截面的面積，m2；E為基于樁身材料和一維假定的彈性模量，N/m2；F為應(yīng)力波傳播過(guò)程中樁身任一截面處波疊加的質(zhì)點(diǎn)力，N；V為應(yīng)力波傳播過(guò)程中樁身任一截面處波疊加的質(zhì)點(diǎn)速度，m/s。

曲線擬合法即是基于變量F、V以及土參數(shù)，利用將變量V的曲線或變量F的曲線設(shè)置為目標(biāo)曲線，并通過(guò)持續(xù)的合理調(diào)整土參數(shù)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將F或V的計(jì)算和實(shí)測(cè)變量擬合至最佳狀態(tài)，從而獲得單樁極限承載力［6］。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 自平衡靜載試驗(yàn)

1）試驗(yàn)利用靜載荷測(cè)試儀自動(dòng)采集記錄樁身位移量，如表3 所示。由于篇幅限制，本文只列出 5 根基樁自平衡靜載試驗(yàn)的Q-s曲線，如圖3～圖7 所示。

表3 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟基樁自平衡靜載試驗(yàn)位移統(tǒng)計(jì)表 mm

圖3 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟 6# 樁 Q-s 曲線

圖4 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟 7# 樁 Q-s 曲線

圖5 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟 52# 樁 Q-s 曲線

圖6 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟 74# 樁 Q-s 曲線

圖7 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟 92# 樁 Q-s 曲線

2）根據(jù)自平衡試驗(yàn)原理，計(jì)算得到荷載箱上段樁的極限摩阻力、荷載箱下段樁的極限承載力以及基樁的單樁豎向抗壓極限承載力，如表4 所示。

表4 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟基樁自平衡靜載試驗(yàn)承載力統(tǒng)計(jì)表

3.2 高應(yīng)變法

自平衡靜載試驗(yàn)完成，樁頭處理滿足試驗(yàn)要求后，立即進(jìn)行高應(yīng)變法靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)整體錘錘重為 8 t，落錘高度設(shè)置為 1.0 m。試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表5 所示。

表5 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟基樁高應(yīng)變靜載試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)果分析

1）將本項(xiàng)目 5 根樁自平衡法試驗(yàn)的荷載－位移曲線按建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，從而獲得傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)的荷載-位移曲線，如圖8、圖9 所示。

圖8 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟 6#、7# 樁等效轉(zhuǎn)換自平衡試驗(yàn) Q-s 曲線

圖9 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟 52#、74#、92# 樁等效轉(zhuǎn)換自平衡試驗(yàn) Q-s 曲線

由規(guī)范可以確認(rèn)上述曲線均為緩變形的Q-s曲線，樁的豎向抗壓極限承載力取最大加載值［7］，與現(xiàn)場(chǎng)自平衡試驗(yàn)結(jié)果相符合。

2）對(duì)比兩種方法的樁端阻力發(fā)揮情況，如圖10 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)自平衡靜載試驗(yàn)的樁端阻力發(fā)揮程度要高于高應(yīng)變法的樁端阻力發(fā)揮程度，這與兩種方法的試驗(yàn)原理密切相關(guān)。理論計(jì)算的樁端極限承載力為 3 619.1 kN，自平衡靜載試驗(yàn)時(shí)樁端承載力發(fā)揮比例最大的樁為 7# 樁，發(fā)揮比例為 91 %；高應(yīng)變?cè)囼?yàn)時(shí)樁端承載力發(fā)揮比例最大的樁同樣為 7# 樁，發(fā)揮比例為 79 %。

圖10 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟自平衡與高應(yīng)變法樁端阻力比對(duì)圖

3）對(duì)比兩種方法的樁側(cè)摩阻力，如圖11 所示。高應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)總側(cè)摩阻力比自平衡法靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)略有偏大，這是因?yàn)樽云胶忪o載試驗(yàn)時(shí)土體的實(shí)際受力方向與工程受力方向是不一致的，而高應(yīng)變?cè)囼?yàn)是與土體的實(shí)際受力方向一致出現(xiàn)的。不考慮負(fù)摩阻力的影響，對(duì)樁側(cè)土體而言，樁身上拔時(shí)，會(huì)使樁側(cè)土的側(cè)摩阻力有所下降，而樁身受壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力一定量的增長(zhǎng)。上述結(jié)果與兩種試驗(yàn)方法的原理相呼應(yīng)。

圖11 長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目 28# 棟自平衡與高應(yīng)變法樁側(cè)摩阻力比對(duì)圖

4）由本文上述數(shù)據(jù)及分析后發(fā)現(xiàn)，自平衡靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變?cè)囼?yàn)獲得的承載力均大于設(shè)計(jì)承載力要求，說(shuō)明上述 5 根基樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求為合格樁。同時(shí)，5 根基樁均存在自平衡靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的單樁極限承載力，要略高于高應(yīng)變曲線擬合法獲得的極限承載力。本項(xiàng)目自平衡靜載試驗(yàn)的極限承載力檢測(cè)值比高應(yīng)變法大 5 %～7 %，誤差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明兩種方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)均可用于判定該項(xiàng)目的基樁承載力。

5）高應(yīng)變的整體沉降量比自平衡靜載試驗(yàn)的沉降量略小，其原因一方面是自平衡靜載試驗(yàn)時(shí)，樁底已經(jīng)被部分壓密；另一方面是高應(yīng)變?cè)囼?yàn)樁端阻力未充分發(fā)揮；另外，高應(yīng)變?cè)囼?yàn)是在自平衡靜載試驗(yàn)結(jié)束后立即進(jìn)行的，未滿足充分休止時(shí)間的要求，也會(huì)對(duì)最終沉降量產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)長(zhǎng)沙市某房建項(xiàng)目進(jìn)行基樁自平衡靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變法試驗(yàn)檢測(cè)。通過(guò)整理分析承載力檢測(cè)數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)的曲線圖，判定兩種方法獲得的單樁豎向抗壓承載力均滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)合兩種方法的原理，確認(rèn)兩種方法判定房建工程的承載力是適用的，而且實(shí)現(xiàn)了兩種檢測(cè)方法的互補(bǔ)，為房建項(xiàng)目靜載試驗(yàn)方法的選擇提供了一個(gè)新的思路。