基于砼基樁豎向荷載傳遞機理探討鉆芯法的應用

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州350008)

基于砼基樁豎向荷載傳遞機理探討鉆芯法的應用

■張志國

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州350008)

鉆芯法作為混凝土基樁成樁質量檢測中的一種半破損檢測方法，具有比其他無損檢測方法更直觀的一面，尤其是在樁身混凝土抗壓強度檢測方面，但也存在一孔之見代表性差的缺陷。為確保工程質量的安全可靠，在鉆芯法檢測結果評定中，基于基樁豎向荷載傳遞機理方面考慮，結合工程算例，探討在鉆芯法的應用過程中應綜合考慮基樁具體受力狀況的必要性及相關注意事項。

基樁豎向荷載承載力鉆芯法抗壓強度

0 引言

在工程建設中樁基礎是一種被普遍采用的深基礎形式，基樁常常作為豎向受力構件考慮，樁通過樁側阻力和樁端阻力將荷載傳遞給土體。在樁基計算中，按土對樁的阻力確定單樁承載力后，還要驗算樁身材料強度是否滿足樁的承載力設計要求，對于混凝土樁而言，也就是要驗算混凝土強度是否滿足樁的承載力設計要求[1]。在混凝土基樁施工過程中受成孔灌注方法、地層特性及各種突發(fā)狀況的影響，基樁易產(chǎn)生很多質量問題，那么有針對性的檢測方法和手段就顯得尤為重要。聲波透射法及低應變法雖然在檢測樁身完整性方面能達到較好的效果，但是在檢測樁身混凝土強度、樁底沉渣厚度及樁端巖土性狀等方面卻無法給出準確的結果，而鉆芯法對于以上各個方面都能達到更為直觀準確的檢測效果。鉆芯法在樁身完整性判定、樁身取樣抗壓及樁端巖土性狀判定等方面包含了一定程度的個人主觀因素，為了能客觀地反映基樁的成樁質量，試驗檢測人員有必要結合基樁的受力機理及樁周地層實際情況，有針對性的布孔取樣評定。必要時應與設計單位溝通，為設計單位提供有針對性的檢測結果，以便設計單位進行測算，確保基樁使用的安全可靠。

本文通過闡述基樁的豎向荷載傳遞機理并結合鉆芯法檢測工程實例，探討鉆芯法在實際應用中依據(jù)規(guī)范但不拘泥于規(guī)范的針對性原則及相關注意事項。

1 基樁豎向荷載傳遞機理

在較小的豎向荷載作用下，混凝土樁身材料將發(fā)生彈性壓縮變形，樁與樁側土體發(fā)生相對位移后達到穩(wěn)定，這時樁側、端阻阻力總和與樁頂荷載處于靜力平衡。隨著樁頂荷載不斷增大，樁身的壓縮變形和樁土間相對位移相應增大，樁側、端阻力也逐漸增大，樁身壓縮變形和樁土間相對位移沿樁身深度遞減，側阻力的發(fā)揮也相應遞減。隨著荷載再增加，壓縮量和位移再增大，樁身下段側阻力和端阻力也逐步增大，在某一級荷載下，樁將出現(xiàn)不停滯下沉，這時樁側、端阻力充分發(fā)揮，即樁處于承載力極限狀態(tài)[2]。

在樁頂荷載逐級增加的過程中，樁截面的軸力、位移和樁側摩阻力不斷變化，起初荷載較小，樁身截面位移主要發(fā)生在樁身上段，荷載主要由上段樁側摩阻力承擔，當荷載增大到一定數(shù)值樁端產(chǎn)生位移，樁端阻力開始發(fā)揮。樁側極限摩阻力與所在的深度、土的類別和性質、成樁方法等多種因素有關，而樁側摩阻力達到所需的樁土相對滑移極限值則基本上只與土的類別有關，一般黏性土為4～6mm，沙土為6～10mm。樁端阻力的發(fā)揮不僅滯后于樁側阻力，而且其充分發(fā)揮所需的樁底位移值比樁側摩阻力達到極限所需的樁身截面位移值大得多，一般砂類土的樁底極限位移為(0.08～0.1)d,一般黏性土為0.25d，硬黏土為0.1d。因此，在工作狀態(tài)下，基樁樁端阻力的安全儲備一般大于樁側阻力的安全儲備[3]。

2 混凝土基樁鉆芯法

鉆芯法是一種半破損檢測方法，屬于直接法。適用于基樁直徑不小于800mm，基樁混凝土強度等級不低于C25，檢測基樁混凝土齡期不小于28d的各類混凝土基樁?；鶚躲@芯法可檢測基樁樁身完整性、樁長、樁身混凝土強度、樁底沉渣厚度和樁端持力層巖土性狀，以評定基樁成樁質量[4]。

3 結合基樁受力原理探討鉆芯法的應用

3.1 從樁身混凝土正截面受壓角度進行分析

某嵌巖樁樁徑1.2m,保護層厚度為40mm,樁身配筋率為0.5%，樁長30m，樁身混凝土設計強度等級C25，樁頂豎向力為6600kN，干作業(yè)非擠土灌注樁，自樁頂往下0～10m范圍內(nèi)樁周土層為不排水抗剪強度小于10kPa的軟弱土層。

此樁為頻率取芯，根據(jù)規(guī)范規(guī)定初步打算鉆A、B共2個孔(如圖1所示)。A孔在樁頂下9.03～9.92m范圍內(nèi)芯樣側面見蜂窩、小溝槽，混凝土膠結稍差(如圖2所示)。B孔芯樣完整無缺陷(如圖3所示)。因樁頂往下0～10m范圍內(nèi)樁周土層為不排水抗剪強度小于10kPa的軟弱土層，考慮到壓屈影響可能導致樁身正截面受壓承載力不夠，為確定缺陷部位橫截面面積，故增設一個鉆孔C孔，經(jīng)鉆孔取樣，C孔在樁頂下9.11～9.87m范圍內(nèi)出現(xiàn)與A孔同深度位置基本一致的成樁效果，芯樣側面見蜂窩、小溝槽，混凝土膠結稍差。為了確認薄弱部位的強度(結構承載能力)能否滿足使用要求，在A、B、C三個孔同深度缺陷位置(表1所示)截取三組試樣進行抗壓強度試驗。芯樣試件抗壓強度的評定原則為同一組三塊試件強度值的平均值作為該組試件抗壓強度檢測值，同一受檢樁同一深度部位有兩組或兩組以上抗壓強度檢測值時取平均值作為該樁該深度處混凝土芯樣試件抗壓強度檢測值[5]?？箟簭姸葯z測結果如表1所示。

雖然在A、C孔同深度位置芯樣側面見蜂窩、小溝槽，混凝土膠結稍差，但由抗壓強度檢測結果可見，該深度部位抗壓強度代表值滿足設計強度等級要求，依據(jù)規(guī)范則可判定基樁的混凝土質量滿足設計要求。

考慮到缺陷橫截面積可能達到0.5倍樁身橫截面積，并且樁周0～10m存在軟弱土層，可能產(chǎn)生壓屈影響破壞，故對該樁正截面受壓承載力進行了驗算。從最不利條件考慮，樁身抗壓強度檢測值取A、C孔平均值18MPa，不計入樁身縱向鋼筋的抗壓作用[6]。

圖1 開孔孔位

圖2 A孔(中)芯樣

圖3 B孔(中)芯樣

表1 芯樣試件抗壓強度試驗檢測結果表

樁身正截面受壓承載力驗算如下[7]。

圓截面樁樁身換算截面受拉邊緣截面模量：

表2 樁身穩(wěn)定系數(shù)

表3 混凝土軸心抗壓強度設計值(MPa)

混凝土軸心抗壓強度設計值[8]由A、C孔缺陷部位兩組芯樣抗壓強度平均值18MPa及表3按內(nèi)插法：

因fc是由實際抗壓值算得故不考慮成樁工藝系數(shù)的折減，取ψc=1.0。

由計算結果可知該樁承載力不滿足設計要求。為驗證該樁的實際承載能力，經(jīng)與施工單位溝通，采用單樁豎向抗壓靜載試驗進行驗證。靜載試驗按最大加載值1320t分10級加載，在第10級13200kN荷載作用下Q～s曲線產(chǎn)生明顯陡降，樁頭一側土體隆起，單樁豎向抗壓極限承載力取Q～s曲線發(fā)生明顯陡降起始點對應的荷載值11880kN，承載力特征值為5940kN，不滿足設計要求。經(jīng)五方商定該樁做原位返工處理。

3.2 從樁周土對樁支撐作用角度進行分析

某摩擦樁樁徑1.8m,樁長78m，樁身混凝土設計強度等級C35，樁頂豎向力9900kN，樁周土層分布情況如表4所示。

表4 樁側土層分布情況表

該樁為頻率取芯，開孔3個，其中A孔在60.50～61.31m、B孔在60.55～61.26m、C孔在60.47～61.36m范圍內(nèi)芯樣嚴重離析(見圖4～圖6)，抗壓強度檢測結果如表5所示。由表5可知該深度位置(取為60.90m)芯樣試件抗壓強度深度代表值為11.1MPa，不滿足設計要求。為此，對60.90m處截面的樁身軸力進行了理論計算[9]。

圖4 A孔(中下)芯樣

圖5 B孔(中下)芯樣

圖6 C孔(中下)芯樣

該截面樁身壓應力：

本案例意在從理論上說明樁身軸力上大下小，在樁身下部存在低質混凝土的既定事實的情況下，為減少加固補強處理費用，縮短工期，可由設計單位根據(jù)基樁實際受力狀況及鉆芯法試驗檢測數(shù)據(jù)進行測算，以確定基樁能否滿足工程使用要求。

4 結束語

混凝土基樁鉆芯法試驗檢測中芯樣抗壓取樣位置的選取要有針對性，以能反應基樁薄弱部位狀況為準則。芯樣試件抗壓數(shù)據(jù)離散性較大，為提高數(shù)據(jù)的準確可靠性，在試件的截取加工過程中要確保尺寸的精準。在鉆取樁底芯樣時，要特別注意掉桿及回水狀況，以便準確反應樁底沉渣厚度及性狀。試驗檢測人員應了解基樁的荷載傳遞機理，提供有針對性的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測結果結合基樁具體受力狀況綜合判定處理，在依據(jù)規(guī)范的同時不拘泥于規(guī)范，確保工程質量的安全可靠。

[1]陳希哲，葉菁.土力學地基基礎：第5版[M].北京：清華大學出版社，2013：371-372.

[2]劉興錄.注冊巖土工程師執(zhí)業(yè)資格專業(yè)考試300問[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2003：112.

[3]于海峰.全國注冊巖土工程師專業(yè)考試培訓教材：第五版上[M].武漢：華中科技大學出版社，2011：754-756.

[4]DB35/T 1446-2014，福建省公路工程基樁鉆芯法檢測技術規(guī)程[S].福州：福建省質量技術監(jiān)督局，2014.

[5]JGJ 106-2014，建筑基樁檢測技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[6]GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7]JGJ 94-2008，建筑樁基技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[8]GB 50010-2010，混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[9]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007.