談基樁靜載試驗的數(shù)據(jù)整理和結(jié)果判定

都智剛

(山西建筑工程(集團)總公司，山西 太原 030002)

0 引言

樁基作為建筑物重要的基礎(chǔ)形式之一，以其承載力高、沉降量小且均勻、抗震性能好、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點得到了普遍的應(yīng)用。但由于其屬于隱蔽性工程，質(zhì)量控制尤為重要，準確測試基樁的承載力是保證工程質(zhì)量的必要措施。而基樁靜載試驗(本文僅指基樁豎向抗壓靜載試驗)是人們公認的最常規(guī)、最直觀、最準確的測量基樁承載力的方法，也是國家相關(guān)規(guī)范、標準強制性條文規(guī)定的驗收檢測方法。

基樁靜載試驗的檢測方法規(guī)范中有明文要求，毋庸贅言。但關(guān)于檢測數(shù)據(jù)的分析與判定，則尚有諸多疑問值得探討。

1 問題的提出

在現(xiàn)行的JGJ 106-2006建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范中條文4.4.1對檢測數(shù)據(jù)的分析給出了如下方法“確定單樁豎向抗壓承載力時，應(yīng)繪制豎向荷載—沉降(Q—s)、沉降—時間對數(shù)(s—lg t)曲線”，判定單樁豎向抗壓承載力Qu也在條文4.4.2中給出了明確依據(jù)“根據(jù)沉降隨荷載變化的特征確定:對于陡降型Q—s曲線，取其發(fā)生明顯陡降的起始點對應(yīng)的荷載值”“對于緩變型Q—s曲線可根據(jù)沉降量確定，宜取40 mm對應(yīng)的荷載值”。按說規(guī)范已有明文要求，照此執(zhí)行即可。但由于規(guī)范條文(包括條文解釋)并未對Q—s曲線的橫縱軸比例做出規(guī)定，而“明顯陡降”一詞也難以準確定量，在實際工作中，往往會出現(xiàn)判斷上的困難，甚至做出錯誤的判定，造成很大的經(jīng)濟損失或引發(fā)嚴重的安全事故。

2 思考與分析

眾所周知，在數(shù)據(jù)不變的前提下，僅僅改變坐標軸的比例，圖形就可能會有很大的變化，尤其是曲線的彎曲程度。表1是一組靜載數(shù)據(jù)按不同比例繪制的Q—s曲線圖形。

表1 Q—s靜載數(shù)據(jù)表

如圖1 所示，3 條曲線分別按橫縱坐標 1∶1，1∶1.5，1∶2 繪制，圖形形狀基本相似，而區(qū)別的恰恰是所謂的“陡降”和“緩變”的性質(zhì)及程度。如繪制比例進一步增大或減小，曲線的陡、緩情況還將加劇。所以如果沒有一個合適的曲線繪制比例，就失去了依據(jù)Q—s曲線判定基樁極限承載力Qu的基本條件，而現(xiàn)行JGJ106-2003檢測規(guī)范中并沒有給出一個相應(yīng)的數(shù)值，相反JGJ 4-80工業(yè)與民用建筑灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工規(guī)程中給出了一個Q—s曲線“按整個圖形比例橫∶豎=2∶3”繪制的要求。但這顯然是指數(shù)據(jù)比較完整、已經(jīng)加載至極限荷載或樁頂總沉降量達到60 mm～80 mm的情況。目前隨著國家對建筑質(zhì)量的要求不斷提升，樁基工程設(shè)計時普遍偏保守，而竣工驗收時采用靜載試驗往往考慮到檢測成本、工期等因素，僅加載至設(shè)計要求的極限荷載便停止加載，得出基樁合格或不合格的結(jié)論即可。實踐經(jīng)驗表明，合格的基樁在靜載試驗加載至設(shè)計要求荷載時沉降量并不大，一般僅有20 mm左右。而JGJ 106-2003中4.4.2條文說明里指出“大量實踐經(jīng)驗表明:當沉降量達到樁徑的10%時，才可能出現(xiàn)極限荷載”。所以按目前的靜載試驗現(xiàn)狀，籠統(tǒng)采用2∶3的比例繪制Q—s曲線，顯然是不合適的。如圖2所示，某根樁加載至設(shè)計要求的極限承載力3 000 kN時總沉降量僅19.38 mm，且各級沉降量變化無大的突兀，靜載Q—s曲線若按2∶3比例繪制，就相當于像哈哈鏡那樣將原本扁平的圖形硬生生拉長，結(jié)果是圖形陡降明顯，很容易得出錯誤的結(jié)論。

圖1 Q—s曲線圖（一）

圖2 按2： 3比例繪制的Q—s曲線圖

筆者查閱了一些資料，也與多位同行針對此問題探討過，發(fā)現(xiàn)多數(shù)人對于Q—s曲線的“陡降”都是依據(jù) JGJ 106-2003中4.3.8條第1款“某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍”。對此，筆者認為雖不能說錯，卻也有失偏頗。1)將5倍于上一級沉降量作為“陡降”的物理定義，尚缺乏足夠的理論依據(jù);2)若真將之視作曲線是否陡降的標準，則Q—s曲線無用，出現(xiàn)此種情況即算陡降，那就可判定前一級為極限荷載，又何必再繪制Q—s曲線，反之，如未出現(xiàn)此種情況，便認定無陡降，那就可推論Q—s曲線為緩變型，按s=40 mm或s=0.05D對應(yīng)的荷載值判定極限承載力，則用插值法或曲線擬合法直接用數(shù)據(jù)便可計算出極限值Qu，Q—s曲線仍然沒有繪制的必要了。所以這明顯是不合適的;3)一些工程實踐已經(jīng)證明，當未出現(xiàn)此種情況時，Q—s曲線也已出現(xiàn)陡降，可以由此判定極限承載力Qu。

圖3 Q—s曲線圖（二）

圖4 s—lg t曲線圖

如圖3，圖4所示為同一根樁的靜載Q—s曲線和s—lg t曲線，從2 720 kN加荷至3 060 kN時，本級沉降量為6.96 mm，為上一級沉降量的2.35倍(本級沉降相對穩(wěn)定時間為2.0 h)。但Q—s曲線已出現(xiàn)陡降，結(jié)合s—lg t曲線“尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲”的情況，可判定該樁的極限承載力為2 720 kN。綜上所述，“某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍”的情況是“明顯陡降”的一種典型形式，但兩者之間卻不能簡單的畫等號。

那么如何理解“明顯陡降”，從純文字的角度講，就是沉降增大且表現(xiàn)明顯。根據(jù)多年工作經(jīng)驗，靜載試驗在加載時，每一級的沉降量的增量一般都會比前一級的沉降量增量大，且隨著加載壓力增加會越來越明顯。但究竟達到什么程度才算“明顯陡降”，就是一個相對的概念了。如前文所述，“5倍”當然算“明顯”，但3倍、4倍，恐怕就難以給出一個視覺上的直觀標準了。所以必須從數(shù)學(xué)的角度給出一個明確的數(shù)值。但如前所述，所謂“陡降”是一個相對的概念，是指沉降量增量的變化，即物理上的加速度。而在幾何意義上，指的是曲線上第二拐點的切線的斜率，即數(shù)學(xué)中的導(dǎo)數(shù)。然而Q—s曲線并非一條可以定義f(x)的函數(shù)曲線，僅在為規(guī)律的緩變型時可使用曲線擬合的方法，而在有明顯陡降時是無法推導(dǎo)出其導(dǎo)數(shù)函數(shù)f′(x)的，所以不具可操作性。綜合前人的經(jīng)驗，我認為定義“陡降”的方法可采用Q—s曲線相鄰兩級連線與橫軸(Q，kN)的角度更加實用。結(jié)合前文，Q—s曲線可采用橫軸∶縱軸=2∶3的比例繪制，橫軸(Q，kN)最大數(shù)值為最大加載壓力，而縱軸(s，mm)則應(yīng)區(qū)別對待:當試驗已出現(xiàn)極限荷載(JGJ 106-2003中4.3.8第1款、第2款)或已加載至樁頂總沉降量60 mm～80 mm(JGJ 106-2003 中4.3.8 第5 款)時，縱軸(s，mm)最大數(shù)值應(yīng)為試驗的總沉降量;而當最大加載壓力僅達到設(shè)計要求(JGJ 106-2003中4.3.8第3款)且沉降量并不大的時候，宜將縱軸(s，mm)最大數(shù)值設(shè)置為60 mm或樁徑的10%。則圖2的Q—s曲線如圖5所示，為緩變型Q—s曲線，是可以準確反映基樁質(zhì)量的?；蚩筛鶕?jù)實際情況縮短縱軸(s，mm)長度以使成果圖更加美觀，但應(yīng)保持橫縱軸的數(shù)值比(kN/mm)，如圖6所示。

而陡降以角度α定義的話，如圖7所示，tgα=［(si+1－si)/(Qi+1－Qi)］×BQ/s。其中，Qi和si分別為發(fā)生明顯陡降的起始點對應(yīng)的荷載值和沉降量;Qi+1和si+1分別為發(fā)生明顯陡降起始點的下一級所對應(yīng)的荷載值和沉降量;BQ/s為圖形繪制時橫縱軸的數(shù)值比(kN/mm)，取相同長度單位代表的荷載和沉降量的比值。筆者統(tǒng)計了14個工程20個出現(xiàn)“陡降”的靜載試驗數(shù)據(jù)，tgα的平均值為2.51。由此推論定義α可取70°，即Q—s曲線某兩級數(shù)據(jù)點之間的連線與橫軸(Q)的夾角達到70°可定性為“明顯陡降”，該線段起始點對應(yīng)的荷載為極限承載力Qu。

圖5 Q—s曲線圖（三）

圖6 Q—s曲線圖（四）

3 結(jié)語

本文通過對基樁靜載試驗Q—s曲線的數(shù)據(jù)對比和分析，得出了繪制的比例和確定極限承載力Qu的具有實際可操作性的方法，且經(jīng)實踐驗證該結(jié)論是合理的。但需要說明的是，本文的統(tǒng)計數(shù)據(jù)均為混凝土灌注樁，而預(yù)應(yīng)力混凝土管樁經(jīng)幾個工地實踐驗證也基本適用，但由于數(shù)據(jù)量較少，仍需繼續(xù)驗證其可靠性。而復(fù)合地基靜載荷試驗成果分析需要繪制的p—s曲線圖，由于受力機制不同，曲線變化規(guī)律尚需統(tǒng)計和摸索，其相關(guān)的曲線繪制和判定方法仍需進一步的分析與探討。

圖7 Q—s曲線圖（五）

隨著時代的發(fā)展和科技的進步，現(xiàn)在的基樁檢測人員已經(jīng)不再需要用坐標紙繪制Q—s曲線了，從Word，Excel的圖表到全自動靜載設(shè)備的曲線自動生成，便捷的同時也使人們越來越忽略一些最基本的問題。檢測試驗是一項需要細心、耐心、責(zé)任心相結(jié)合的工作，只有注重每一個細節(jié)，才能得出準確的結(jié)論，科學(xué)、準確反映工程施工質(zhì)量，保證工程建設(shè)的安全性和合理性。