自平衡試樁法在基樁檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)隨著建筑業(yè)技術(shù)的不斷更新，越來(lái)越多的建筑體量朝著超大規(guī)模發(fā)展，作為基礎(chǔ)的樁基也向著高承載力、超長(zhǎng)樁方向不斷邁進(jìn)，試驗(yàn)噸位的加載難度己使得基樁的靜載試驗(yàn)根本無(wú)法進(jìn)行。作為一種新興的單樁承載力測(cè)試技術(shù)-自平衡試樁法，在測(cè)試技術(shù)上凸顯出的優(yōu)越性，已使其在一定程度上得到了檢測(cè)行業(yè)的認(rèn)可和推廣。

關(guān)鍵詞：自平衡；基樁檢測(cè)

樁基礎(chǔ)是人類在軟弱地基上建造建筑物的一種創(chuàng)造，具有抗地震性能好、沉降小、承載力高和可以解決特殊地基土承載力的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，在橋梁、高層建筑、重型廠房、港口碼頭、海上采油平臺(tái)等工程中大量采用樁基礎(chǔ)，例如上海建造的超高層建筑88的層金茂大廈，已經(jīng)采用了80多米長(zhǎng)的鋼管樁，從而要求檢測(cè)業(yè)不斷加強(qiáng)檢測(cè)頻率、檢測(cè)方法。

1 樁基檢測(cè)發(fā)展的現(xiàn)狀

1.1 樁基檢測(cè)技術(shù)方法

由于樁基廣泛應(yīng)用于市政、交通、水利、房屋建筑等各項(xiàng)工程領(lǐng)域，又是構(gòu)筑物的重要組成部分，對(duì)工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量起著相當(dāng)重要的作用。所以樁基檢測(cè)已引起社會(huì)各界的高度重視。通過(guò)樁基檢測(cè)對(duì)單樁承載力和樁身質(zhì)量等內(nèi)容進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，以便及時(shí)對(duì)不合格樁采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

在我國(guó)樁基檢測(cè)技術(shù)作為一門新興行業(yè)，起源于20世紀(jì)80年代末，當(dāng)時(shí)的檢測(cè)方法主要采用聲波透射法來(lái)抽檢。目前，通過(guò)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者、研究人員和工程技術(shù)人員在不同的途徑進(jìn)行探索和實(shí)踐，發(fā)展了很多基樁承載力檢測(cè)的方法，大致可分為三大類:靜荷載試驗(yàn)、動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)和靜-動(dòng)聯(lián)合的試驗(yàn)方法，包括①靜荷載試驗(yàn)(錨樁法、堆載法、錨樁-堆載法);②低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試(動(dòng)力參效法、機(jī)械阻抗法、共振法、水電效應(yīng)法、瞬態(tài)導(dǎo)納調(diào)整系數(shù)法等);③高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試(動(dòng)力打樁公式、錘擊貫入法、實(shí)測(cè)曲線擬合法等);④靜-動(dòng)試樁法。這些方法已經(jīng)在大量的工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用，并取得了一定的成果。

1.2 樁基檢測(cè)面臨的問(wèn)題

盡管試樁方法種類較多、發(fā)展也較為完善，但各個(gè)方法都存在一定的缺陷和不足。多年來(lái)的樁基工程靜、動(dòng)檢測(cè)研究和工程實(shí)踐表明，目前國(guó)內(nèi)外的動(dòng)力檢測(cè)方法精度還較低并帶有一定經(jīng)驗(yàn)成份，還是一種處于發(fā)展階段的新興技術(shù)，尚在不斷完善之中，只能是靜載試驗(yàn)的一種補(bǔ)充，可作為工程樁驗(yàn)收的手段之一，還不能代替樁的靜載試驗(yàn)。而面對(duì)近年來(lái)大跨度、高層建筑工程的不斷發(fā)展，限于特殊的地質(zhì)條件，為提高單樁極限承載能力、減小樁基沉降量，樁基工程出現(xiàn)了兩個(gè)大的特點(diǎn):一是超大噸位，二是超長(zhǎng)。很多工程單樁設(shè)計(jì)承載力超過(guò)幾萬(wàn)千牛，且還在不斷提高，現(xiàn)有的方法都已不能檢測(cè)其承載力，而且超長(zhǎng)樁的理論研究表明，動(dòng)力測(cè)樁技術(shù)已經(jīng)不再適用，這為我國(guó)基樁承載力檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。為此，迫切需要探索研究一種新的試驗(yàn)方法來(lái)解決目前試樁方法所面臨的困境。

2 自平衡測(cè)試法

2.1 自平衡測(cè)試法的試驗(yàn)原理

美國(guó)西北大學(xué)教授Jorj.o.osterberg于20世紀(jì)80年代中期開展了樁承載力自平衡試驗(yàn)方法的研究，稱其為Osterberg試樁法，也稱為樁端加載試樁法。目前此法己在美、日、加拿大、菲律賓、新加坡等10國(guó)及我國(guó)香港、臺(tái)灣等地廣泛應(yīng)用，并成功應(yīng)用于鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、管樁、沉管灌注樁中。

該法的基本出發(fā)點(diǎn)是利用樁自身反力平衡原則，加載設(shè)備采用特別設(shè)計(jì)的荷載箱，它與鋼筋籠焊接在一起后安裝在樁身的合理部位，荷載箱位移方向與樁身軸線夾角不小于5°，同時(shí)將高壓油管和位移棒引到地面。試驗(yàn)時(shí)，在地面上用高壓油泵通過(guò)高壓油管對(duì)荷載箱內(nèi)腔施加壓力，隨著壓力逐漸增加，箱頂與箱底被推開，荷載箱上下分離，產(chǎn)生向上和向下的推力，漸漸促使上段樁的樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮和下段樁的樁周土的側(cè)阻力和樁端土的端阻力的發(fā)揮。隨著荷載箱壓力的不斷增大，直至試樁破壞，達(dá)到樁的極限承載能力狀態(tài)。自平衡測(cè)試法最終目的是建立單樁樁頂?shù)腝-S曲線，并依據(jù)傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)Q-S曲線的數(shù)據(jù)分析方法，判定單樁的極限承載力。

2.2 自平衡測(cè)試法的測(cè)試系統(tǒng)

自平衡測(cè)試法的主要裝置是荷載箱，根據(jù)樁型、樁徑、截面尺寸和荷載大小等因素分別設(shè)計(jì)制作。荷載箱主要由活塞、頂蓋、底蓋及箱壁四部分組成，其它設(shè)備還包括電動(dòng)高壓油泵、電子百分表、數(shù)據(jù)采集儀等。

樁基加載系統(tǒng)采用荷載箱，通過(guò)高壓油泵輸油加載，試樁的位移量測(cè)采用電子百分表?？蓺w納為加載系統(tǒng)、位移測(cè)試系統(tǒng)、內(nèi)力測(cè)試三大系統(tǒng)。荷載箱加載時(shí)，電子百分表對(duì)樁頂位移、荷載箱向上、向下位移進(jìn)行量測(cè)記錄。經(jīng)應(yīng)變儀與電腦相聯(lián)，由電腦控制量測(cè)并在電腦屏幕上實(shí)時(shí)顯示(Q-S)曲線和(S-lgT)曲線和(S-lgQ)曲線。

軸向應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)采用的儀器設(shè)備為振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)和頻率接收儀基樁自平衡試驗(yàn)開始后，荷載箱產(chǎn)生的荷載沿著樁身軸向往上、往下傳遞。假設(shè)基樁受荷后，樁身結(jié)構(gòu)完好(無(wú)破損，混凝土無(wú)離析、斷裂現(xiàn)象)，則在各級(jí)荷載作用下混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變量等于鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)變量，通過(guò)量測(cè)預(yù)先埋置在樁體內(nèi)的鋼筋計(jì)，可以實(shí)測(cè)到各鋼筋應(yīng)力計(jì)在每級(jí)荷載作用下所得的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，可以推出相應(yīng)樁截面的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，相應(yīng)樁截面微分單元內(nèi)的應(yīng)變量亦可求得。由此便可求得在各級(jí)荷載作用下各樁截面的樁身軸力值及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規(guī)律。

2.3 自平衡測(cè)試法的試驗(yàn)方法

2.3.1 試驗(yàn)加載方式

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法。逐級(jí)加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一級(jí)加載，直至試樁破壞，然后分級(jí)卸載至零。若僅對(duì)工程樁做檢驗(yàn)性試驗(yàn)，考慮縮短試驗(yàn)時(shí)間，可采用快速維持荷載法，初始加載量為預(yù)估極限承載力的5%，每級(jí)加載后分1、2、4、8min各測(cè)讀1次，然后進(jìn)行下一級(jí)加載，直到加至預(yù)估極限荷載。卸載階段應(yīng)至少有四級(jí)荷載一位移數(shù)據(jù)點(diǎn)。以下為慢速維持荷載法試驗(yàn)規(guī)則。

根據(jù)工程要求，可進(jìn)行多次加卸載循環(huán)，且最后一次循環(huán)之前的加載量應(yīng)控制在設(shè)計(jì)極限荷載70%以下。

2.3.2 加卸載及位移觀測(cè)

①加載分級(jí) 每級(jí)加載為預(yù)估極限荷載的1/10-1/15，當(dāng)樁端埋入巨粒土、粗粒土以及堅(jiān)硬的粘性土中時(shí)，第一級(jí)可按2倍分級(jí)荷載施加。

②位移觀測(cè) 每級(jí)加載完畢后第一小時(shí)每隔15min測(cè)讀一次，以后每隔30min測(cè)讀一次。

③位移相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn) 在每級(jí)荷載作用下，若樁身位移量在每小時(shí)內(nèi)小于0.lmm，或試樁的位移速率隨未達(dá)到小于0.1m/h，但在連續(xù)觀測(cè)的30min位移量中，出現(xiàn)相鄰三次平均位移速率(由1.5小時(shí)內(nèi)連續(xù)觀測(cè)的4次位移量計(jì)算)呈現(xiàn)衰減，即可認(rèn)為該級(jí)荷載的位移已經(jīng)穩(wěn)定。

2.3.3終止加載條件 當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，即可終止加載:總位移量雖未達(dá)到40mm，但已達(dá)到極限加載能力或試驗(yàn)規(guī)定荷載;總位移量大于或等于40mm，本級(jí)荷載下的位移量大于或等于前一級(jí)荷載下位移量的5倍;總位移量大于或等于40mm，本級(jí)荷載下位移24h未達(dá)穩(wěn)定;總位移量達(dá)到40mm，繼續(xù)增加二級(jí)或二級(jí)以上荷載仍無(wú)陡變。

2.3.4 卸載與卸載回彈觀測(cè)

卸載分級(jí)為加載分級(jí)的2倍，每級(jí)卸載后每隔15min測(cè)讀一次殘余沉降，讀兩次后，隔30min再讀一次，即可卸下一級(jí)荷載，全部卸載后隔3-4h再讀一次。

2.4 自平衡測(cè)試法的優(yōu)勢(shì)

該測(cè)試方法裝置較簡(jiǎn)單，試驗(yàn)方便，費(fèi)用低，不占用場(chǎng)地，不需運(yùn)入數(shù)百噸或數(shù)千噸物料，不需構(gòu)筑笨重的反力架，并可多根樁同時(shí)測(cè)試，試樁準(zhǔn)備工作省時(shí)、省力、安全，尤其適合于超大荷載樁基。當(dāng)設(shè)置傳統(tǒng)的堆載平臺(tái)或錨樁反力架特別困難或特別花錢時(shí)，該法更顯示其優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著城市高樓大廈、大跨度橋梁、火力發(fā)電廠等一些高大建筑物的建設(shè)發(fā)展，對(duì)承載力要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、試驗(yàn)費(fèi)用高且對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地有著極高的要求，已逐漸滿足不了行業(yè)的需要，作為一種新興的單樁極限承載力測(cè)試技術(shù)-自平衡試樁法，它所凸現(xiàn)的優(yōu)越性，已使之成為公認(rèn)的進(jìn)行基樁靜荷載試驗(yàn)的首選方法，相信隨著自平衡測(cè)試技術(shù)及理論研究的不斷完善，必將有著廣泛的應(yīng)用前景。

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