自平衡試樁法在中風化白云巖樁基承載性能中的應用

肖麗娜，黃質宏，屈文濤，穆銳，蔡行，龐旭峰

(1.貴州大學土木工程學院，貴州貴陽550025； 2.福州大學土木工程學院，福建福州350003；3.天津城建大學土木工程學院，天津300384)

傳統(tǒng)的單樁豎向抗壓靜載試驗需要壓重平臺或者錨樁反力系統(tǒng)，占用試驗場地，試驗操作加壓裝置較復雜，比較費時費力費錢。然而,近幾年發(fā)展起來的基樁自平衡法解決了一般荷載試驗方法無法解決的驗樁問題[1-6]。自平衡試樁法與傳統(tǒng)的靜載試驗方法(如堆載法)等相比較而言，其具有試驗裝置較簡單、操作起來較方便、能夠適用各種試驗場地、能夠測試大噸位、增強了適用性、性價比較高等優(yōu)點，近年來在中國得到了廣泛運用[7-11]。

結合自平衡試樁法的眾多優(yōu)點及本項目的試樁條件，本項目基樁承載力檢測優(yōu)先選擇自平衡試樁法，分析了中風化白云巖巖基樁單樁極限承載力、樁身軸力、極限側阻力和基樁極限端阻力等技術參數(shù)，對樁基承載特性進行了研究。

1 工程概況

擬建工程位于貴陽市某一區(qū)域，交通極為便利。擬建A、B座大樓位于擬建場地的西北側，其±0.00標高為1 126.45 m；C、D兩座大樓位于擬建場地北側，其±0.00標高為1 126.45 m；E座大樓位于擬建場地的南側，其±0.00標高為1 133.95 m；F座大樓位于擬建場地東側，其±0.00標高為1 135.45 m。擬建A、B、C、D、F樓相臨近，后期回填后將形成9.0 m高的回填邊坡，在擬建E樓及F樓相鄰處形成1.5 m高的回填邊坡，場地工程環(huán)境條件較為簡單，試樁主要參數(shù)見表1。

表1 試樁主要參數(shù)

1.1 場地巖土工程地質條件

場地所處地貌單元為侵蝕-溶蝕殘丘地貌，地勢總體較為平坦，起伏不大，最高點位于擬建場地西側，標高約為1 131.50 m，最低點位于場地中央，標高約為1 122.00 m，相對高差約為9.50 m。擬建場區(qū)巖層產(chǎn)狀傾向東，地質情況穩(wěn)定。場區(qū)巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育至發(fā)育，巖體節(jié)理以閉合至微張開為主，泥質至鈣質膠結，結合差至一般。巖體實測產(chǎn)狀為90～110°∠55～65°，取其優(yōu)勢產(chǎn)狀為110°∠50°。主要發(fā)育2組節(jié)理： J1,190～220°∠70～80°;J2, 300～330°∠50～80°。節(jié)理線密度2～3組/m，延伸長度0～0.20 m不等，節(jié)理裂隙寬度一般為0～2.00 mm，節(jié)理裂隙面一般以泥、鈣質膠結為主。場區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀基本一致，未見活動斷層通過，局部尚有溶蝕裂隙、溝槽、溶洞、石芽等巖溶形態(tài)發(fā)育，對巖體完整性及其工程性能影響較大。

1.2 巖土構成及巖土質量單元劃分

擬建場地巖土主要由第四系覆蓋層及下伏基巖組成，巖土特征自上而下分述如下。

a) 雜填土(Qml)：雜色，新近回填，主要由碎石、塊石及黏土組成，塊石多為白云巖，塊石、碎石含量約為70%，黏土含量約為30%。

b) 耕土(Qpl)：以黑色為主，局部夾碎石塊，含大量植物根系，結構松散，總體厚度不大。

c) 紅黏土(Qel+dl)：褐黃色，裂隙較發(fā)育，含錳質成分，韌性中等，切面稍有光澤，局部含少量碎石團塊，從上到下分為硬塑及可塑狀態(tài)。

d) 硬塑狀紅黏土：褐黃色，土質較均勻，韌性中等，切面稍有光澤，局部含少量碎石團塊。

e) 可塑狀紅黏土：褐黃色，土質較均勻，可塑狀態(tài)，裂隙較發(fā)育，含錳質成分，用手可捏成條狀，韌性中等，局部含少量碎石團塊。場區(qū)土層、巖層物理力學參數(shù)見表2、3。

表2 場區(qū)土層物理力學參數(shù)指標

表3 場區(qū)巖層物理力學參數(shù)指標

2 自平衡試樁法測試原理

自平衡測樁法的主要裝置是一種可用于加載的荷載箱(圖1)。加載設備荷載箱與鋼筋籠連接后安裝在樁身下部，并將高壓油管和位移桿一起引到地面。試驗時，通過油泵在地面向荷載箱加載，使得上、下兩段樁體受到一對大小相等，方向相反的作用力，且分別同時產(chǎn)生向上、向下位移。由于加載裝置簡單，基樁施工過程中在樁端附近或樁身截面處預先埋設單層(或多層)特制的液壓千斤頂式荷載箱，荷載箱中的壓力可用壓力表測得，荷載箱向上、向下位移可用位移傳感器測得。因此，可根據(jù)讀數(shù)繪出相應的3根試樁的上段樁、下段樁荷載的Q-s曲線，再根據(jù)位移協(xié)調(diào)原則，由此轉換計算得到相應的樁頂豎向受荷的承載力大小及荷載-位移(Q-s)曲線，見圖2。

3 試驗結果分析

3.1 單樁豎向承載力確定

自平衡試樁法不符合樁的荷載傳遞規(guī)律，在確定樁基承載力時，需要將測試結果等效轉換為傳統(tǒng)樁頂荷載-位移(Q-s)曲線，確定單樁的極限承載力。單樁豎向抗壓極限承載力可結合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)DBJ 52/T079—2016《基樁承載力自平衡檢測技術規(guī)程》[1]及JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》、GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》[12-13]，可確定各試樁的極限抗壓承載力極限值：

(1)

式中Qu——樁的單樁豎向抗壓極限承載力；Qsu——樁上段樁的極限承載力；Qxu——樁下段樁的極限承載力；W——樁荷載箱上部樁自重；γ——樁的向下、向上摩阻力轉換系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土的類型確定：黏性土、粉土γ=0.8；砂土γ=0.7；巖石γ=1。若上部有不同類型的土層，γ取加權平均值。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，3根試樁在加載到預估極限加載值時均未發(fā)生破壞，且得到3根樁試驗曲線均為緩變型。試驗所得的Q-s曲線見圖3。將 1—3號試樁上段樁和下段樁的Q-s曲線(圖3)進行等效轉換，得到傳統(tǒng)靜載試驗Q-s曲線(圖4)。根據(jù)Q-s曲線的變化趨勢和樁體上、下段產(chǎn)生的最大位移，各試樁的承載力均滿足設計要求。

3.2 樁身軸力與摩阻力確定

根據(jù)樁體混凝土和鋼筋協(xié)調(diào)變形原理，結合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析結果，可得到1—3號試驗樁在不同級別荷載下樁身軸力分布曲線，見圖5?，F(xiàn)場樁身采用混凝土強度等級為C40，鋼筋為HRB400，鋼筋直徑為12 mm，主筋數(shù)量為15 mm。因此有：

Ec=3.25×105N/mm2

Es=2.0×105N/mm2

樁身軸力可通過埋設的鋼筋測力計換算得到，其計算公式為：

Qi=εiEiAi

(2)

εc=εs

(3)

σc=εcEc

(4)

σs=εsEs

(5)

Pz=σsAs+σcAc

(6)

式中εc——某級荷載作用下樁身截面混凝土產(chǎn)生的應變量；εs——某級荷載作用下樁身截面鋼筋產(chǎn)生的應變量；σc——某級荷載作用下樁身截面混凝土產(chǎn)生的應力；σs——某級荷載作用下鋼筋產(chǎn)生的應力；Ec——樁身混凝土彈性模量；Es——鋼筋彈性模量；Ac——樁身截面混凝土的凈面積；As——樁身截面縱向鋼筋總面積；Pz——某級荷載作用下樁身某截面的軸向力，kN。

計算得到3根試樁的樁身軸力分布見圖5。在每級荷載作用下，樁頂軸力為0，自上而下隨著深度的增加，上段樁、下段樁的樁身軸力都增加，這種受力特性符合上段樁摩擦樁的變化特性。另外，在整個加載過程中，樁身上段的軸力呈線性分布，下段的軸力隨荷載增加變化明顯。

根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ 72—2004、JGJ 366—2004)、DB 2245—2004《貴州建筑地基基礎設計規(guī)范》、JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術規(guī)范》[14-15]反算基樁極限端阻力qpr及基樁極限側阻力qsr。其計算公式為：

(7)

(8)

式中Qu上——荷載箱上部樁的實測極限值；Qu下——荷載箱下部樁的實測極限值；Wi——荷載箱上部樁自重；Ap——樁端截面面積(進行極限端阻力計算時，樁端截面積采用荷載箱面積)；μ——樁身截面周長；l—荷載箱與距荷載箱1.5 m處鋼筋應力計所在截面之間試樁樁身長度(l=1.5 m)；Pz——極限荷載作用下距荷載箱1.5 m處鋼筋應力計所在截面的軸向力。

經(jīng)計算1—3號試樁的極限端阻力極差為956 kPa，小于3根試樁平均值的30%(10 191×30%=3 057 kPa)。1—3號試樁的樁側極限側阻力極差為40 kPa，其小于3根試樁平均值的30%(607×30%=182 kPa)，因此對于中風化白云巖，其基樁極限端阻力和基樁極限側阻力可取為3根樁的平均值。計算結果見表4。由表4可知，3根試樁的極限承載力特征值分別為8 096、8 095、7 335 kN，各樁豎向抗壓極限承載力均滿足設計要求。

表4 試樁試驗結果

4 結論

a) 試驗得到的1—3號的Q-s曲線均為緩變型，無明顯拐點出現(xiàn)，且各樁上、下段樁產(chǎn)生的最大位移以及樁頂?shù)目偝两盗烤催_到規(guī)定的限值，即工程樁的承載力均滿足設計要求。

b) 在自平衡試驗過程中，樁身軸力隨深度增加逐漸增大，呈線性變化規(guī)律，在靠近樁端時的軸力隨荷載增加變化較為明顯，出現(xiàn)了明顯的拐點。同時，樁頂處軸力趨向于零，符合上段樁摩擦樁的受力特性。

c) 研究結果表明，由于本建筑場區(qū)內(nèi)巖體組成較為復雜，巖性、巖質、層厚、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、風化程度等在平面及剖面分布上的變化均較大，通過自平衡試樁法在中風化白云巖巖基樁單樁承載力特征值、樁身軸力、極限側阻力和基樁極限端阻力的研究時，對于試驗點以外各基礎(樁基)底部的基巖，若其巖質、巖性、破碎程度及風化程度與本試樁處基巖相同，且樁基成孔施工工藝(機械旋挖成孔工藝)一致，才可采用相應的巖石極限端阻力和極限側阻力。