單樁豎向抗壓靜載試驗方法及實踐

魏文博

摘要：靜載試驗?zāi)壳叭匀皇谴_定單樁承載力大小的最直接、最可靠的方法。本文首先介紹了靜載試驗的試驗?zāi)康摹⒃囼瀮?nèi)容、數(shù)據(jù)整理，然后分析影響單樁靜載試驗結(jié)果的各種因素，最后總結(jié)了檢測工作中常見的一些工程問題，并介紹了問題的發(fā)生原因和處理措施。

關(guān)鍵詞：荷載測量;沉降觀測;數(shù)據(jù)處理

1 引言

單樁豎向抗壓靜載試驗采用接近豎向抗壓樁的實際工作條件的試驗方法，確定單樁豎向抗壓承載力，是目前公認(rèn)的檢測樁基豎向抗壓承載力最直觀、最可靠的試驗方法。

2 靜載試驗的目的

2.1為設(shè)計提供依據(jù)

在工程樁正式施工前，在地質(zhì)條件具有代表性的區(qū)域，先施工幾根樁，進(jìn)行靜載試驗，以確定設(shè)計參數(shù)的合理性和施工工藝的可行性。必要時，可以在樁身埋設(shè)測量樁身應(yīng)力、應(yīng)變、位移、樁底反力的傳感器或位移桿，測定樁分層側(cè)阻力和端阻力，在這種情況下，可采用中、小直徑樁進(jìn)行試驗來模擬大直徑樁的工作性質(zhì)，以減少試驗成本。

2.2為工程驗收提供依據(jù)

目前,絕大多數(shù)靜載試驗時為工程驗收提供依據(jù)，大多數(shù)為工程驗收提供依據(jù)的靜載試驗，可按設(shè)計要求確定最大加載量，不進(jìn)行破壞試驗，即加載至預(yù)定試驗荷載后終止試驗。為工程驗收提供依據(jù)的靜載試驗，要求最大加載量為單樁豎向承載力特征值的2.0倍。

2.3驗證檢測

針對其它檢測結(jié)果，如低應(yīng)變法或聲波投射法檢測發(fā)生樁身質(zhì)量有問題，或?qū)Ω邞?yīng)變承載力試驗結(jié)果有疑問，需要采用靜載試驗進(jìn)行驗證檢測，判斷樁的豎向抗壓承載力是否滿足設(shè)計要求。

3 靜載試驗內(nèi)容

3.1反力的提供

靜載試驗加載反力裝置可根據(jù)現(xiàn)場條件選擇錨樁橫梁反力裝置、壓重平臺反力裝置、錨樁壓重聯(lián)合反力裝置、地錨反力裝置，巖錨反力裝置、靜力壓樁機(jī)等。在選擇反力裝置的同時應(yīng)注意：反力裝置提供的最大反力不得小于最大試驗荷載的1.2倍，在最大試驗荷載作用下加載反力裝置不得產(chǎn)生大的變形，應(yīng)有足夠的安全儲備。應(yīng)對加載反力裝置的全部構(gòu)件的強度和變形進(jìn)行驗算。當(dāng)采用錨樁橫梁反力裝置時，還應(yīng)對錨樁抗拔力進(jìn)行驗算，并應(yīng)檢測錨樁上拔量。

3.2荷載測量

靜載試驗均采用千斤頂與油泵相連的形式，由千斤頂施加荷載。常用的測力裝置有以下兩種：通過用放置在千斤頂上的荷重傳感器直接測定；2通過并聯(lián)于千斤頂油路的壓力表或油壓傳感器測定油壓，再根據(jù)千斤頂?shù)穆识ㄇ€換算得到壓力值。近幾年來，很多科研單位生產(chǎn)出的自動化靜載試驗設(shè)備，都采用油壓傳感器測定油壓壓強，通過千斤頂?shù)膲簭姾蛪毫Φ霓D(zhuǎn)換關(guān)系得到千斤頂出力值，實在加載、穩(wěn)荷、卸載的自動化過程控制，這樣不僅減輕了檢測人員的工作強度，而且測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。如武漢巖海公司研制的JYC系列靜載測試儀就是這方面的代表。

3.3沉降觀測

在沉降觀測中，最重要但又最容易忽視的問題就是基準(zhǔn)梁和基準(zhǔn)樁的問題。在實際試驗中，應(yīng)避免一些違反規(guī)范要求的做法，如不打基準(zhǔn)樁，直接將基準(zhǔn)梁架設(shè)在地面上或者沙袋上；基準(zhǔn)樁打的不夠深、不穩(wěn)；基準(zhǔn)梁長度不符合規(guī)范要求；基準(zhǔn)梁的剛度不夠，容易產(chǎn)生較大的變形；未采取有效措施防止外界因素對基準(zhǔn)梁的影響?；鶞?zhǔn)梁的一端應(yīng)固定在基準(zhǔn)樁上，另一端應(yīng)簡支于基準(zhǔn)樁上，以減少溫度變化引起的基準(zhǔn)梁撓曲變形。在靜載試驗過程中，試樁、錨樁、壓重平臺支墩對基準(zhǔn)樁會產(chǎn)生一定的影響，其影響程度與它們之間的距離和荷載大小有關(guān)，同樣也與地質(zhì)條件有關(guān)。由土力學(xué)基本原理可知，試樁對基準(zhǔn)樁的影響與試樁的尺寸和試樁承受的荷載大小、試樁與基準(zhǔn)樁之間的距離有關(guān)，同樣、錨樁、壓重平臺支墩與基準(zhǔn)樁也存在如上述的影響關(guān)系。當(dāng)然，試樁、錨樁、壓重平臺支墩的尺寸及荷載大小我們是無法改變的，我們所能做的就是加大它們之間的距離以減少影響程度的大小。具體的距離大小應(yīng)滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

3.4加載方式的選擇

對大多數(shù)樁基而言，為保證上部結(jié)構(gòu)能正常使用，控制樁基絕對沉降是最重要的，這是地基基礎(chǔ)按變形控制設(shè)計的基本原則。我國靜載試驗的傳統(tǒng)做法是慢速維持荷載法，但在某些工程驗收樁檢測中，也可容許采用快速維持荷載法。規(guī)范規(guī)定慢速維持荷載法的樁頂沉降穩(wěn)定為⊿S≤0.1mm/h，且需連續(xù)出現(xiàn)兩次；而對快速維持荷載法則采用等時距加載的方式；每級荷載維持1h后就施加下一級荷載。對于卸載階段而言，慢速維持荷載法要求每級荷載維持一小時，而快速維持荷載法則僅要求維持15分鐘。

相對于慢速維持荷載法，快速法可以縮短試驗周期，又可以減少晝夜溫差等環(huán)境影響引起的沉降觀測誤差，特別是在某些工程樁驗收試驗中，每級荷載施加不久，沉降迅速穩(wěn)定，縮短荷載維持時間不會明顯影響試樁結(jié)果，是可以采用快速維持荷載法的。

4 試驗數(shù)據(jù)整理

根據(jù)載荷試驗可得到兩種典型的P-S曲線，如圖1所示，

分為陡降型和緩變型曲線。對于陡降型p-s曲線而言，單樁豎向抗壓承載力取其發(fā)生明顯陡降的起始點所對應(yīng)的荷載值。對于緩變型P-S曲線可根據(jù)沉降量確定，宜取S=40mm對應(yīng)的荷載值；當(dāng)樁長大于40m時，宜考慮樁身彈性壓縮量；對于直徑大于或等于800mm的樁，可取S=0.05D對應(yīng)的荷載值。

對于極限承載力取值的問題，各國標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)不同規(guī)范有不同的規(guī)定，基本原則就是盡可能的挖掘樁的極限承載力而又保證有足夠的安全儲備。

5 靜載試驗結(jié)果的影響因素分析

5.1試驗剛度對試驗結(jié)果的影響

采用靜載試驗獲得的沉降量是樁頂或樁身的某一點沉降值，并沒有真實反映樁端的沉降。特別是在超長樁的靜載試驗中，這種現(xiàn)象就反映的非常明顯，所以應(yīng)對沉降值加以修正：

S=S-⊿S

式中S—單樁實際沉降量

S—樁頂實測沉降量

⊿S—樁身彈性壓縮量

樁身彈性壓縮量合一根據(jù)最大試驗荷載時的樁身平均軸力P、樁長L、橫截面積A、樁身彈性模量E，按照下式計算：

⊿S=PL/AE

對于摩擦樁，樁身軸力可按三角形分布計算（假設(shè)樁端軸力為零），對于端承樁，樁身軸力可按矩形分布計算（假設(shè)樁端軸力等于樁頂軸力），對于摩擦端承樁，則認(rèn)為樁身軸力按體型分布，樁端軸力根據(jù)實際經(jīng)驗估計。

5.2反力裝置的影響

當(dāng)采用堆載反力裝置時，其壓重平臺的支墩會對地基土產(chǎn)生一定的影響，如圖2所示，特別是在一些大噸位的樁基靜載試驗中，由于上部荷載引起地基土的附加應(yīng)力比較大，這樣就會出現(xiàn)過大的樁基負(fù)摩擦力和附加摩擦力，影響了試驗結(jié)果的精度。在這種情況下，我們應(yīng)盡量擴(kuò)大承壓區(qū)的面積。

有關(guān)人員做過關(guān)于堆載承臺對試樁的影響和研究，其研究結(jié)果認(rèn)為：

（1）堆載引起的負(fù)摩擦力在加載的過程中逐漸消除，雖然對加載開始階段的沉降有很大影響，但對樁的極限承載力沒有多大影響。

（2）附加應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)壁摩阻力開始時對樁又一定的影響，隨著試樁上荷載的增加，影響逐漸減少，試樁承載力加至最大時，其影響值不超過2%。

（3）堆載使地基加密，提高了承載力，由于土的壓縮模量和樁周摩阻力的關(guān)系非常復(fù)雜，難以定量分析，認(rèn)為承載力不超過實際承載力的10%。

6 靜載試驗過程中常見問題及處理

在樁基承載力試驗中，可能碰到的問題可歸結(jié)為三類，第一類是樁的結(jié)構(gòu)性問題，第二類是加載系統(tǒng)問題，第三類是量測系統(tǒng)問題。

6.1樁的結(jié)構(gòu)性問題

(1)樁帽壓壞：由于樁頂（樁帽）頂面不平或強度不夠、樁帽中心與樁身中心不在同一鉛垂線上、樁帽與樁身結(jié)合處強度不夠等，造成加載過程中樁帽破壞、靜載試驗無法繼續(xù)。我們在靜載試驗前的準(zhǔn)備工作中應(yīng)注意盡量避免該情形發(fā)生。

(2)樁身傾斜、破壞：由于樁身強度不夠、樁身傾斜度過大或預(yù)制樁接頭處理不妥，在靜載試驗過程中造成樁身傾斜、破壞、折斷等，而地基土的承載力遠(yuǎn)未發(fā)揮完畢，使靜載試驗無法真實反映樁土體系共同測承載力狀況。

6.2加載系統(tǒng)問題

(1)千斤頂量程用完：由于在上次試驗過程結(jié)束以后，沒有把千斤頂?shù)牧砍袒亓悖沟帽敬卧囼炦^程中，千斤頂在未達(dá)最大試驗荷載時已完全頂出，無法進(jìn)行下一級荷載，所以在試驗開始之前，需檢查千斤頂量程是否回零。

（2）裝置提供的反力荷載不夠；采用堆載加荷時，由于堆載量不足，或有時由于堆載噸位過大，堆載中心難以控制，造成偏心過大，試驗中在達(dá)到目標(biāo)噸位前堆載被向上頂動，試驗不得不中止。故此大噸位試樁，試驗前必須編制詳細(xì)的檢測方案。

（3）主梁、次梁變形過大：試驗未結(jié)束之前，由于剛梁自身的強度不夠，發(fā)生較大的撓曲變形，如不停止試驗，容易發(fā)生工程安全事故；同時，正是因為剛梁發(fā)生比較大的撓曲變形，使得千斤頂?shù)牧砍滩粔颍坏貌恢型窘K止試驗

6.3測量系統(tǒng)問題

（1）基準(zhǔn)樁、基準(zhǔn)梁移動：為保證基準(zhǔn)穩(wěn)定，固定基準(zhǔn)梁的樁必須設(shè)置在被測試樁的影響范圍之外，此外還應(yīng)防止或減少溫度及其他因素的影響。

（2）量測系統(tǒng)失靈；此種情況偶有發(fā)生，試驗前量測系統(tǒng)必須檢測好。在試驗的過程中，應(yīng)盡量做好位移傳感器的防水工作，減少一起出現(xiàn)故障的概率。

7 工程實例

7.1端承樁靜載實例

河北張家口某工地采用堆載試驗法，設(shè)計樁截面直徑為800mm,單樁承載力設(shè)計值為3150KN，要求試驗最大荷載值為6300KN， 現(xiàn)將1#樁試驗結(jié)果介紹如下

顯然，荷載-沉降曲線為緩變型曲線，為此，取S=40mm對應(yīng)的荷載值為單樁極限承載力，取P=4429KN。由試驗結(jié)果分析可得，此樁為端承樁，樁端阻力所占比例比較大，發(fā)揮端阻力所需位移大，破壞特征不明顯。雖然端阻的潛力比較大，但對建筑物而言已失去利用的價值，因此以一定的位移值控制單樁極限承載力。

7.2摩擦樁靜載試驗實例

河北張家口某工地采用堆載試驗法，設(shè)計樁截面直徑為500mm,單樁承載力設(shè)計值為600KN，要求試樁最大試驗荷載為1200KN，現(xiàn)將3#樁試驗結(jié)果介紹如下：

由圖4可得，顯然荷載-沉降曲線為典型的陡降型，取曲線的拐點處對應(yīng)的荷載值為極限承載力，則p=1050KN,由試驗結(jié)果分析可得，此樁為摩擦型樁，摩阻力占有很大比例，樁端一般為刺入剪切破壞，破壞特征明顯。

8 結(jié)束語

相對于其它一些低應(yīng)變、高應(yīng)變、聲波透射等動測方法而言，靜載試驗是一項耗時長、費用高、危險系數(shù)高的工程，因此在進(jìn)行單樁豎向靜載試驗的過程中，各項規(guī)劃工作必須細(xì)致全面。每項工作、每個步驟、包括每個試件，每次加卸載，每次的量測內(nèi)容都應(yīng)十分明確，在試驗進(jìn)行以前，應(yīng)對一整套測量系統(tǒng)進(jìn)行檢查，避免在試驗過程中發(fā)生各種各樣的情況，使得試驗無法進(jìn)行。更為重要的是要對剛梁、錨筋等進(jìn)行承載力判斷，防止發(fā)生嚴(yán)重的工程安全事故。在試驗的過程中，各項工作應(yīng)盡量按照規(guī)范要求展開，這樣才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。只有這樣才能讓檢測工作真正做到位建設(shè)工程質(zhì)量保駕護(hù)航。

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