嵌巖樁內(nèi)力測試探討

文/張立新、馬曉蕾 河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司 河北滄州 061113

尹宏磊 、莊從國 北京國巖華北技術(shù)檢測有限公司 北京 100120

1、引言

電力工程設(shè)計中，嵌巖樁因沉降小、能提供的豎向承載力大而受結(jié)構(gòu)設(shè)計者的青睞，但目前對嵌巖段的受力機(jī)理研究的不夠清楚[1-2]，原體試驗仍是確定嵌巖樁豎向承載力的重要手段。為了方便設(shè)計者根據(jù)需要調(diào)整嵌巖深度，在原體試驗中就必須進(jìn)行樁身內(nèi)力測試，確定樁的側(cè)摩阻力和端阻力。

在摩擦樁中，內(nèi)力測試一般可獲得較準(zhǔn)確的樁側(cè)和樁端阻力，但對于嵌巖樁而言，嵌巖段的內(nèi)力測試值很小，不符合概念中巖體側(cè)摩和端阻相當(dāng)大的印象。

2、樁身內(nèi)力測試方法

樁身內(nèi)力測試可采用應(yīng)變式傳感器、鋼弦式傳感器或者滑動測微計等。傳感器應(yīng)設(shè)置在兩種不同性質(zhì)土層的界面處。在地面處或以上應(yīng)設(shè)置一個測量斷面作為傳感器標(biāo)定斷面。傳感器埋設(shè)斷面距樁頂和樁底的距離不宜小于1倍樁徑。在同一斷面處可對稱設(shè)置2～4個傳感器。

2.1 鋼弦式傳感器測試內(nèi)力原理

振弦式鋼筋計屬于鋼弦式傳感器。鋼弦在一定范圍內(nèi)的荷載作用下，其自振頻率是固定的，當(dāng)荷載變化時，其自振頻率隨之發(fā)生變化，鋼弦的自振頻率與作用荷載有如下的關(guān)系：

式中：

Ns——鋼筋計鋼筋荷載；

Kv——傳感器系數(shù)，其數(shù)值與承壓膜和鋼弦的尺寸及材料性質(zhì)有關(guān) (kPa/Hz2)；

F0——零壓力(大氣壓力)下鋼弦的自振頻率(Hz)；

Fi——某荷載作用下鋼弦的自振頻率(Hz)。

當(dāng)鋼筋計承受軸向力時，引起彈性鋼弦的荷載變化，從而改變鋼弦的振動頻率，通過頻率測定儀測定鋼弦頻率變化，即可測出鋼筋所受荷載大小。

鋼筋計測量點上的軸向應(yīng)變按下式計算：

式中：

Ns——鋼筋計受力（N）；

Es——鋼筋的彈性模量（N/mm2）；

As——測試鋼筋的橫截面積（mm2）。

按式（2）計算獲得的是鋼筋的軸向應(yīng)變。在一般情況下鋼筋與樁身混凝土是協(xié)調(diào)變形的，所以按式（2）求得的鋼筋的軸向應(yīng)變亦為樁身的軸向應(yīng)變。

求出同一斷面有效測點的應(yīng)變平均值，并按下式計算該斷面處樁身軸力：

式中Qi——樁身第i斷面處軸力（kN）；

Ei——第i斷面處樁身材料彈性模量（kPa），當(dāng)混凝土樁樁身測量斷面與標(biāo)定斷面兩者的材質(zhì)、配筋一致時，應(yīng)按標(biāo)定斷面處的應(yīng)力與應(yīng)變的比值確定；

由樁頂極限荷載下對應(yīng)的各斷面軸力值計算樁側(cè)土的分層極限摩阻力和極限端阻力：

式中qsi—— 樁第i斷面與i+1斷面間側(cè)摩阻力（kPa）；

qp——樁的端阻力（kPa）；

i——樁檢測斷面順序號，i=1，2，……，n，并自樁頂以下從小到大排列；

u——樁身周長（m）；

li——第i斷面與第i+1斷面之間的樁長（m）；

Qn——樁端的軸力（kN）；

A0——樁端面積（m2）。

2.2 鋼弦式傳感器內(nèi)力測試方法

原體試驗時，根據(jù)試驗區(qū)勘測資料，確定安裝鋼筋計的斷面，將鋼筋計與主筋綁扎，通過電纜線與測試儀器連接，靜載試驗時測量在各級荷載作用下鋼筋測力計的頻率大小，通過試驗前標(biāo)定的鋼筋測力計的頻率和荷載關(guān)系，分析計算確定不同截面的樁側(cè)及樁底各部分的阻力。

3、某嵌巖樁內(nèi)力測試

在某電廠的原體試驗過程中，基巖埋深較淺，按嵌巖樁設(shè)計。在豎向加載的過程中，采用鋼筋計進(jìn)行內(nèi)力測試，獲得樁基設(shè)計參數(shù)。

3.1 地層巖性

試驗區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘性土，下伏侏羅系泥質(zhì)砂巖。各地層自上而下描述如下。

①雜填土（Q4ml）：雜色，稍濕，松散～稍密，主要成分為碎石、粘性土和磚渣等，為近期人類活動形成。該層層厚為2.20m。

②1層粉質(zhì)粘土(Q4al) ：黃褐色，灰黃色，稍濕～濕，可塑偏軟，局部軟塑，含少量高嶺土團(tuán)塊。該層層厚為0.20m。

②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(Q4al) ：青灰、灰黃色，飽和～濕，軟塑～流塑，略有腥味，該層土為欠固結(jié)土，靈敏度較高，有機(jī)質(zhì)含量約在1.10～2.58%之間。該層層厚為4.30m。

⑥1層泥質(zhì)砂巖(J)：灰白、灰褐色，全風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)，塊狀構(gòu)造，巖體風(fēng)化呈粘性土混砂土狀，可見原巖構(gòu)造，手捏可碎，遇水易軟化，巖體基本質(zhì)量等級為V類。厚度約為5.20m。

⑥2層泥質(zhì)砂巖（J）：灰白、灰褐色，強(qiáng)風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀，裂隙較發(fā)育，遇水易軟化和崩解，巖體基本質(zhì)量等級為V類。該層厚度為1.10m。

⑥3層泥質(zhì)砂巖（J）：灰白、灰褐、紅褐色，中風(fēng)化，泥質(zhì)膠結(jié)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈長柱狀或短柱狀，裂隙較發(fā)育，遇水易軟化，巖體基本質(zhì)量等級為V類。該處未揭穿。

3.2 試驗樁設(shè)計

采用旋挖成孔工藝，兩組共6根試驗樁，樁徑600mm和800mm的樁長分別為16m、17m，以中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖作為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層深度5d分別3m、4m。

3.3 鋼筋計安裝

鋼筋計安裝在6根試驗樁的主筋上，每根樁測試5個斷面，每個斷面對稱安裝3個鋼筋計。Φ600mm樁安裝在1m、7m、10m、13m、15m深度處；Φ800mm樁安裝在1m、7m、10m、13m、16m深度處。

3.4 測試結(jié)果——軸力

通過對測試數(shù)據(jù)計算并根據(jù)孔徑測量結(jié)果進(jìn)行校正，試驗樁S1～S6共計6根試驗樁在各級荷載作用下軸力分布情況見圖1～6。

圖1 S1樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖2 S2樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖3 S3樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

3.5 測試結(jié)果分析

從3.4節(jié)可以看出，樁端附近軸力很小，對于樁徑800的S4～S6來說，樁端處軸力接近于零，樁頂荷載無法傳遞到樁端。結(jié)合地層巖性來分析，當(dāng)嵌巖段巖體完整性好、強(qiáng)度高時，樁體混凝土與周圍巖體變?yōu)橐粋€整體，在進(jìn)入嵌巖段后，軸力迅速傳入周圍巖體，形成“卡頸”效應(yīng)，樁端軸力變得很小。由于“卡頸”效應(yīng)的存在，在嵌巖樁的內(nèi)力測試中，針對嵌巖段不適合單獨提側(cè)阻力和端阻力，而是給出一個綜合的承載力值，這與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94的提法一致。在此次原體試驗中，最終推薦的內(nèi)力測試值如表1。

圖4 S4樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖5 S5樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

圖6 S6樁分級荷載作用下樁身軸力分布圖

表1 各層地基土樁基巖土設(shè)計參數(shù)推薦值

結(jié)論：

本文通過一個在建電廠樁基原體試驗中的內(nèi)力測試過程，分析了嵌巖段內(nèi)力的特點，提出針對巖體完整性好、強(qiáng)度高的巖體時會產(chǎn)生軸力的“卡頸”效應(yīng)，在測試成果中不宜單獨提側(cè)阻力和端阻力，而是提供嵌巖段的綜合承載力，設(shè)計樁基時可以直接采用。