靜壓PHC管樁承載力及樁身完整性的試驗(yàn)研究

閆愛(ài)軍，侯利軍

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西楊凌712100;2.寶雞勘察測(cè)繪院，陜西寶雞721099)

PHC(Prestress High Concrete)管樁，即預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁。通常靜壓法施工在PHC管樁應(yīng)用較為普遍，這是因?yàn)檫@種方法對(duì)PHC管樁施工噪音小、樁身?yè)p傷小、施工質(zhì)量容易控制等因素;同時(shí)，PHC管樁目前被業(yè)界廣泛看好，除了上述因素外，還具備了適應(yīng)范圍廣、施工工藝簡(jiǎn)單、單樁豎向承載力高、穿透能力強(qiáng)，耐久性好，耐打、耐壓，抗震性能好，造價(jià)適宜，施工工期短，容易實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)文明整潔等大量?jī)?yōu)點(diǎn)，從而獲得工程界較為廣泛推崇與認(rèn)可。根據(jù)中國(guó)項(xiàng)目咨詢(xún)網(wǎng)調(diào)查資料顯示，在國(guó)家相關(guān)部門(mén)發(fā)布的相應(yīng)行業(yè)“十二五”規(guī)劃中，2006年—2010年房地產(chǎn)、公路建設(shè)、鐵路建設(shè)等三個(gè)領(lǐng)域的年均增長(zhǎng)率分別為13.3%、8.8%和7.2%。根據(jù)PHC管樁在三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用比例，可以得出2011年—2015年P(guān)HC管樁行業(yè)年均需求增長(zhǎng)率約為11.9%。預(yù)計(jì)到2016年，PHC管樁的需求量將達(dá)到 5.98 億米左右的規(guī)模［1］。

雖然PHC管樁作為一種新型樁，在不斷的發(fā)展壯大，但是在實(shí)際應(yīng)用中，依然存在很多問(wèn)題，例如其承載力計(jì)算大多借鑒混凝土灌注樁。隨著人們不斷實(shí)踐探索研究，已經(jīng)意識(shí)到不同類(lèi)型樁基礎(chǔ)之間工作性狀存在較為明顯地差異，為了真正地掌握PHC管樁實(shí)際性能和實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計(jì)，人們針對(duì)PHC管樁從很多方面展開(kāi)了不同程度的探索分析，并獲得大量有價(jià)值的研究成果:郭宏磊等［2］利用逐次線性概率法加上殘差修正對(duì)PHC管樁單樁豎向承載力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并用有限元進(jìn)行了模擬;黃敏等［3］對(duì)帶翼板預(yù)應(yīng)力管樁的承載力提高機(jī)制進(jìn)行了探討，提出了幾種可能分析該種樁型豎向承載性能的模擬方法［4］。

本文以陜西省楊凌示范區(qū)楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)校南校教工公寓地基為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)靜壓PHC管樁的靜載荷試驗(yàn)與低應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)，確定了PHC管樁的豎向承載力和沉降量變形以及樁體的完整性，為類(lèi)似條件工程項(xiàng)目提供了借鑒與參考。

1 工程概況

本施工場(chǎng)地位于陜西省楊凌示范區(qū)楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)校南校，場(chǎng)地地形平坦，地貌單元屬渭河左岸二級(jí)階地。據(jù)勘察揭露，擬建場(chǎng)地地層由人工填土、第四季全新世沖、洪積黃土狀土，第四紀(jì)晚更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤、沖積砂類(lèi)土、粉土和碎石土等組成。地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分布規(guī)律明顯，各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

2 測(cè)試樁的選擇與試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

2.1 測(cè)試樁的選擇

依據(jù)《建筑工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［5］(JGJ106—2003)第 3.1.1條:“工程樁應(yīng)進(jìn)行單樁承載力和樁身完整性抽樣檢測(cè)”。規(guī)定檢測(cè)數(shù)量:在同一條件下不應(yīng)少于3根，且不宜少于總樁數(shù)的1%;當(dāng)工程樁總數(shù)在50根以?xún)?nèi)時(shí)，不應(yīng)少于2根。本工程選擇測(cè)試樁3根，樁長(zhǎng)12 m，樁徑50 cm，自主編號(hào)為SZ1、SZ2、SZ3，分別采用靜載試驗(yàn)與低應(yīng)變測(cè)試樁的樁承載力和樁身完整性。

表1 施工場(chǎng)地各土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 施工場(chǎng)地各土層物理力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106－2003)中的相關(guān)要求并結(jié)合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)法》(GB50007－2011)相關(guān)要求執(zhí)行，采用慢速維持荷載法，即每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載，加至最大荷載穩(wěn)定后每隔一級(jí)卸荷一次，直至卸至零荷載后結(jié)束試驗(yàn)［5］。

本次試驗(yàn)加荷共分10級(jí)，分級(jí)荷載530 kN，第一級(jí)荷載為分級(jí)荷載的2倍，即1 060 kN，最終試驗(yàn)荷載加至5 300 kN。

2.2.2 低應(yīng)變測(cè)試

低應(yīng)變反射波法的主要功能是檢驗(yàn)樁身結(jié)構(gòu)的完整性，如樁身缺陷程度與位置的判斷、校對(duì)施工樁長(zhǎng)和混凝土強(qiáng)度等級(jí)定性估計(jì)等。隨著低應(yīng)變反射波法技術(shù)的不斷完善，在檢測(cè)樁身完整性方面，以其特有的方便、快捷、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛地認(rèn)可與應(yīng)用。其檢測(cè)原理是用手錘或力錘、力棒敲擊樁頂進(jìn)行豎向擊振，由此產(chǎn)生的應(yīng)力波沿著樁身向下傳播，當(dāng)樁身存在明顯波阻抗差異的界面(如夾異物、縮徑、擴(kuò)徑、混凝土離析等)，將產(chǎn)生反射波，并由安裝在樁頂?shù)募铀俣然蛩俣葌鞲衅鳎邮辗瓷洳ㄐ盘?hào)，通過(guò)高精密儀器接收記錄各種反射波波形，經(jīng)放大、濾波和數(shù)據(jù)處理［6－7］，得到加速度時(shí)程曲線。從曲線形態(tài)特征可以判斷阻抗變化位置或校核樁長(zhǎng)，由平均波速大小估計(jì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，測(cè)試示意圖見(jiàn)圖1。

3 試驗(yàn)成果評(píng)價(jià)

3.1 靜載試驗(yàn)成果

試驗(yàn)根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［5］(JGJ106－2003)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加荷方式采用慢速維持荷載法(即逐級(jí)加載)，分別對(duì)3根單樁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載分10級(jí)，加載到加載值為5300 kN穩(wěn)定時(shí)，停止加載。然后卸載至零，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3～表5。

圖1 低應(yīng)變測(cè)試示意圖

表3 SZ1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)分析

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表，經(jīng)計(jì)算校核后繪制3根試樁的Q－S、S－lgQ及S－lgt曲線圖見(jiàn)圖2～圖4。

對(duì)試樁SZ1、SZ2、SZ3對(duì)應(yīng)的曲線進(jìn)行分析，從Q—S曲線可以看出，當(dāng)荷載最大加至5 300 kN時(shí)，曲線均無(wú)明顯的陡降起始點(diǎn)，3根試樁樁頂最大沉降量分別為 22.00 mm、24.50 mm、27.02 mm，滿足對(duì)沉降量的規(guī)定(40 mm)。從卸載回彈情況看，完全卸載后樁頂殘余沉降分別為13.56 mm、15.54 mm、15.29 mm，最大回彈量分別為 8.44 mm、8.96 mm、11.73 mm，回彈率為 38.4%、36.6%、43.4%;由S－lgt曲線可看出，各級(jí)荷載作用下，所對(duì)應(yīng)的沉降曲線變化不大，走勢(shì)較平坦，沒(méi)有明顯起伏［8］;從S－lgQ曲線看，3根測(cè)試曲線都沒(méi)有明顯的陡降直線段變化，依據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，對(duì)三種曲線對(duì)比分析，可以判斷最大荷載5 300 kN，正是3根試樁的單樁豎向抗壓極限承載力。

表4 SZ2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 SZ3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果及分析

本次試樁共檢測(cè)樁基3根，樁體混凝土波速在3 980 m/s～4 160 m/s之間，平均波速為4 095 m/s。實(shí)測(cè)低應(yīng)變曲線圖見(jiàn)圖5～圖7。

圖2 檢測(cè)樁SZ1靜荷載檢測(cè)曲線圖

圖3 檢測(cè)樁SZ2靜荷載檢測(cè)曲線圖

依據(jù)SZ1、SZ2、SZ3等三條檢測(cè)波形曲線圖比對(duì)分析得知:樁土作用在時(shí)域波形中有明顯反映，信號(hào)的一致性良好，曲線完整，樁底反射與入射同相，樁底反射明顯。

又依據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，Ⅰ類(lèi)樁:時(shí)域信號(hào)特征為2 L/c時(shí)刻前無(wú)缺陷反射波，有樁底反射波。而實(shí)測(cè)樁波形曲線規(guī)則而圓滑，有明顯的樁底反射信號(hào)，中間沒(méi)有任何子波反射，波形干凈，樁底二次反射清晰可見(jiàn)，波速正常，樁底反射清晰，達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，這樣的波形表明，樁身完整，為優(yōu)質(zhì)樁。

4 結(jié)論

(1)本次靜載試驗(yàn)和低應(yīng)變檢測(cè)，通過(guò)不同的檢測(cè)方式對(duì)同樣的試樁進(jìn)行試驗(yàn)分析，非常直接地了解了單樁豎向承載力與沉降變形之間的關(guān)系，同時(shí)也較為真實(shí)地反應(yīng)了PHC管樁在豎向荷載作用下的實(shí)際工作狀況。

(2)依據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［5］，通過(guò)3根試樁的單樁豎向抗壓極限承載力實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，測(cè)試數(shù)值極差沒(méi)有超過(guò)平均值的30%，取平均值為單樁豎向抗壓極限承載力即:Quk=Qum=5 300 kN;由于樁間土為濕陷性黃土，需要扣除樁周土層對(duì)PHC管樁豎向承載力的不利影響，取單樁豎向抗壓極限承載力:Quk=4 000 kN，滿足設(shè)計(jì)要求;同時(shí)樁基沉降也滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 檢測(cè)樁SZ3靜荷載檢測(cè)曲線圖

圖5 SZ1號(hào)樁檢測(cè)波形曲線

圖6 SZ2號(hào)樁檢測(cè)波形曲線

圖7 SZ3號(hào)樁檢測(cè)波形曲線

(3)根據(jù) SZ1、SZ2、SZ3等三條檢測(cè)波形曲線圖，與《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》低應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)要求，可以判斷依據(jù)波速正常，樁底反射清晰，達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，這樣的波形表明，樁身完整，為優(yōu)質(zhì)樁。

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