靜荷載試驗(yàn)與高應(yīng)變動(dòng)測(cè)技術(shù)確定單樁承載力

米焯華

在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,單樁豎向承載力值是一個(gè)非常重要的參數(shù),其取值準(zhǔn)確與否關(guān)系到建筑物的安全和基礎(chǔ)投資的大小。目前主要的單樁承載力的檢測(cè)方法主要有靜載荷試驗(yàn)法和高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)法。靜載試驗(yàn)是確定單樁豎向抗壓承載力最直觀和最可靠的方法[1],但靜載荷試驗(yàn)價(jià)格昂貴、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。樁動(dòng)力測(cè)技術(shù)則測(cè)試時(shí)間短,試驗(yàn)費(fèi)用低,然而由于高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)不僅在理論模型與靜荷載試驗(yàn)中存在差異,在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中參數(shù)的選擇不同都會(huì)引起承載力結(jié)果的誤差。

1 工程概況

根據(jù)某工程的巖土工程勘察報(bào)告,地層由上到下依次為:①素填土:松散,稍濕～濕,主要由黏性土和巖石碎塊組成(0 m～3.3 m);②砂質(zhì)粉質(zhì)黏土:稍濕,可塑(3.3 m～5.6 m);③細(xì)砂:濕,稍密(5.6 m～6.6 m);④砂質(zhì)黏性土:稍濕,硬塑,含云母、石英等礦物,是基巖風(fēng)化殘積土(6.6 m～15.5 m);⑤全風(fēng)化花崗片麻巖:巖芯呈堅(jiān)硬土狀(15.5 m～18.5 m);⑥強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖:巖芯呈堅(jiān)硬土狀、碎塊狀(18.5 m～23.5 m)。

2 檢測(cè)方法原理

2.1 靜荷載法

靜載試樁法是傳統(tǒng)的承載力檢測(cè)方法,其測(cè)試管樁原理是:采用接近于建筑物實(shí)際工作條件的豎向抗壓靜載試驗(yàn),確定單樁豎向極限承載力。靜載試驗(yàn)通過(guò)反力裝置分級(jí)對(duì)樁頂施加垂直荷載,在每級(jí)荷載作用下按規(guī)定時(shí)間間隔測(cè)讀樁頂沉降量獲得可供分析判定樁頂載荷與樁頂沉降關(guān)系的Q—s曲線。其極限承載力可通過(guò)滿足樁頂沉降量的條件或達(dá)到某極限值時(shí)求得,此時(shí)可認(rèn)為巖土阻力已充分發(fā)揮或樁已破壞。

2.2 高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試法

高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)是用重錘沖擊樁頂,使樁周土產(chǎn)生塑性變形,實(shí)測(cè)的力和速度時(shí)程曲線將全面反映巖土對(duì)樁的阻力作用和樁身力學(xué)阻抗的變化。通過(guò)波動(dòng)理論分析得到樁土體系有關(guān)性狀,具體操作時(shí)分兩種方法:1)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及凱斯法估算基樁承載力;2)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)測(cè)曲線擬合法確定基樁承載力。

表1 試驗(yàn)樁靜動(dòng)結(jié)果對(duì)比

3 靜、動(dòng)法測(cè)試結(jié)果

應(yīng)用靜載法與高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試方法中的凱斯法與實(shí)測(cè)曲線擬合法對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4 測(cè)試結(jié)果分析

在檢測(cè)效果較好時(shí)高應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢測(cè)出來(lái)的承載力值與靜載試驗(yàn)是比較接近的,但由于靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變動(dòng)測(cè)在檢測(cè)原理上、樁—土體系荷載的傳遞過(guò)程、計(jì)算方法以及受人為因素影響大小的不同,高應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢測(cè)單樁承載力與靜載試驗(yàn)有一定的誤差是必然存在的,在正常情況下高應(yīng)變動(dòng)力試樁對(duì)單樁承載力的檢測(cè)誤差在20%以內(nèi)。表1數(shù)據(jù)顯示出動(dòng)測(cè)法具有良好的可靠性。

凱斯法檢測(cè)單樁承載力變異性較波形擬合法大。因凱斯法是以3個(gè)近似假定為前提:1)樁身等阻抗,即除截面面積不變以外,樁身材質(zhì)均勻,無(wú)明顯缺陷;2)樁周與樁尖土的動(dòng)阻力全部集中在樁端,忽略了樁側(cè)土阻力;3)樁周與樁尖土的靜阻力模型為理想剛塑性體,忽略了應(yīng)力波在傳播過(guò)程中的能量損耗,包括樁身中內(nèi)阻尼損耗和向樁周土的逸散。但是其假定和實(shí)際工程樁都不完全符合,另外阻尼系數(shù)是一個(gè)綜合性經(jīng)驗(yàn)參數(shù),準(zhǔn)確取值困難,因此會(huì)在實(shí)際測(cè)試中產(chǎn)生誤差。

波形擬合法的數(shù)字模型比凱斯法更接近生產(chǎn)實(shí)際,它可以考慮抗自由阻尼的應(yīng)力波能量衰減、樁身裂縫受力過(guò)程的閉合和張開(kāi)、局部混凝土的非線性特性、土加卸載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的不同變化、樁底沉渣或預(yù)制樁上抬引起的土隙等。它還可以不斷調(diào)整樁土各分段單元的參數(shù),使計(jì)算和實(shí)測(cè)波形吻合,從而判斷單樁承載力。但是如何對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行取值還是要依賴工程技術(shù)人員的操作經(jīng)驗(yàn)。

5 靜載法與高動(dòng)力應(yīng)變法對(duì)比成立的條件

要使兩種測(cè)試方法結(jié)果具有可對(duì)比性,則兩者必須滿足以下條件:1)樁土體系在試驗(yàn)時(shí)必須相同。此條件同時(shí)涉及兩因素,分別是時(shí)間效應(yīng)因素與測(cè)試引起的擾動(dòng)效應(yīng)。巖土對(duì)樁的阻力在成樁后隨時(shí)間變化,由于不可能在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)一根樁進(jìn)行兩種方法的測(cè)試,因此不論如何設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn),它們均存在時(shí)間間隔,其樁土體系的相同只能是相對(duì)的。2)巖土的阻力必須在試驗(yàn)時(shí)得以激發(fā)。樁在土中的位移與巖土阻力激發(fā)的程度有關(guān),動(dòng)測(cè)在樁頂每擊貫入度超過(guò)2.5 mm時(shí)能充分激發(fā)巖土阻力,否則樁身下部的巖土阻力由于未被充分激發(fā)的緣故,動(dòng)測(cè)獲得的總阻力將低于其極限值。3)試驗(yàn)時(shí)的破壞模式必須相同。靜載試驗(yàn)的破壞模式可能是多種多樣,只有靜載試驗(yàn)的破壞模式屬于巖土阻力被克服,靜動(dòng)對(duì)比才有意義,如果是因?yàn)闃渡聿牧系钠茐亩@得靜載試驗(yàn)的極限承載力,那么對(duì)比將毫無(wú)意義。動(dòng)力試樁以激發(fā)土壤的極限阻力作為樁的極限承載力。

6 靜荷載法與高應(yīng)變動(dòng)力法所得結(jié)果差異性分析

1)高應(yīng)變法是以行波理論為基礎(chǔ),假定了樁和土的力學(xué)模型,雖然對(duì)其模型參數(shù)的取值范圍作了限定,但畢竟與樁和土的實(shí)際力學(xué)性狀存在一定的差別。這種誤差是由于高應(yīng)變法原理本身引起的,需要通過(guò)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累和特定樁型及地質(zhì)條件下的動(dòng)靜對(duì)比,來(lái)不斷完善樁—土力學(xué)模型及其參數(shù)的合理取值。2)樁在豎向荷載作用下,樁頂荷載是由樁側(cè)摩阻力和端承力共同承擔(dān),且側(cè)阻和端阻的發(fā)揮是不同步的[2]。靜載試驗(yàn)的荷載作用時(shí)間較長(zhǎng),與實(shí)際情況較為接近。而高應(yīng)變動(dòng)測(cè)所用重錘畢竟重量有限,而且自由落錘產(chǎn)生的力脈沖持續(xù)時(shí)間通常不超過(guò)20 ms,作用時(shí)間相對(duì)很短,使得土的動(dòng)阻力影響加大,從而增加了承載力測(cè)試分析結(jié)果的誤差。3)高應(yīng)變動(dòng)測(cè)易受人為因素影響,由于每個(gè)檢測(cè)人員的技術(shù)水平不同,對(duì)樁和土的力學(xué)模型的理解程度不同,其主要參數(shù)的設(shè)定亦不盡相同。雖然都在合理的范圍內(nèi)取值,但得出的計(jì)算結(jié)果卻不同,且實(shí)測(cè)曲線擬合法具有多解性,其結(jié)果并非惟一性。

7 結(jié)語(yǔ)

從目前來(lái)說(shuō),高應(yīng)變動(dòng)測(cè)技術(shù)的理論原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)雖然已經(jīng)日趨成熟,并且可獨(dú)立完成對(duì)單樁承載力的判定,但影響因素較多,相對(duì)誤差較容易控制的靜載試驗(yàn)而言,很多因素都能對(duì)高應(yīng)變動(dòng)力試樁產(chǎn)生誤差,其中對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響的是其理論原理以及試驗(yàn)人員的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和水平等,只有通過(guò)試驗(yàn)可靠度較高的靜載試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證高應(yīng)變的承載力檢測(cè),有目的地進(jìn)行動(dòng)靜對(duì)比,分析兩者之間產(chǎn)生誤差的原因,在工程樁的檢測(cè)時(shí)采取有效的措施,同時(shí)選用合適的樁—土計(jì)算模型,取得更為合理的參數(shù),才能提高高應(yīng)變單樁承載力檢測(cè)的可靠度。

[1]JGJ 106-2003,建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]侯玉賓,吳繼敏.樁基檢測(cè)[M].南京:河海大學(xué)出版社,1998.

[3]宋 揚(yáng),吳忠良,趙 軍.某工程擴(kuò)底灌注樁單樁承載力試驗(yàn)結(jié)果分析[J].山西建筑,2008,34(21):93-94.