預應力管樁承載力高應變與靜載檢測對比研究

黃紹念 隆 威 中南大學地球科學與信息物理學院

1 前言

由于樁基工程建設過程中存在一些不確定性[1][2]，對樁基檢測技術(shù)提出了嚴格的要求。高應變動力測樁法是對傳統(tǒng)靜載荷試驗有效補充和部分取代[3][4]。相對于傳統(tǒng)樁基檢測手段，高應變動力測樁法優(yōu)勢在于檢測費用較低、檢測時間快、同一時間檢測數(shù)量多[5]，是樁基礎(chǔ)承載力檢測方法目前的發(fā)展方向[6]。

2 工程概況

擬建工程場地位于長沙市望城區(qū)，其基礎(chǔ)采用預應力管樁（Ф600）。場地巖土分層及特征如下：

①人工填土：素填土為主，結(jié)構(gòu)松散，由硬塑～可塑狀粘性土回填、板巖風化巖塊等回填；

②耕土：褐灰色，松散，主要由可塑粘性土組成，充填腐爛植物根莖及砂礫石；

③粉質(zhì)黏土：褐黃色夾灰白色為主，濕，堅硬狀，中東部局部因地勢較低，有光澤反應，無搖震反應，干強度中等，韌性中等。

④卵石：褐黃色夾灰白色，稍濕～濕，中密～密實，卵石含量60%，石英質(zhì)，粒徑一般為3cm～6cm，最大10cm～12cm，黏土、砂充填。

⑤殘積粉質(zhì)黏土：褐黃色夾灰白色，硬塑狀，由板巖風化殘積形成。

⑥全風化板巖：褐黃、黃、褐紅等色。泥質(zhì)成分，巖石風化近土狀，原巖結(jié)構(gòu)較清晰；

⑦強風化板巖：褐黃色，為極軟巖，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層板狀構(gòu)造，巖芯呈塊狀、碎塊狀及柱狀，理裂隙很發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級為V級。

⑧中風化板巖：褐黃色、褐灰色、青灰色，為極軟軟巖，巖體較完整，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層板狀構(gòu)造，巖芯較完整，呈短柱狀或塊狀，部分巖芯破碎。

3 檢測方法和原理

3.1 高應變擬合法

3.1.1 基本原理

在樁頂施加一個足夠大的瞬間動力荷載，產(chǎn)生一個應力波向樁底傳播，該應力波遇到樁身波阻抗界面要向上產(chǎn)生反射，遇到土阻力時也產(chǎn)生反射。在樁側(cè)離樁頂1倍～2倍樁徑處安裝應變傳感器和加速度傳感器，同時測定樁身應變信號和加速度信號，通過彈性模量與應變的乘積得出力信號（F（t）），對加速度信號積分得速度信號（ZV（t））。應用一維波動理論和專用軟件進行分析，可測定土阻力的分布情況和樁身完整性，計算基樁的單樁豎向抗壓承載力?，F(xiàn)場檢測示意圖如圖1。

圖1 檢測設備及檢測過程示意圖

通過實測曲線擬合法專業(yè)軟件（中國科學院（武漢）巖土研究所的PSP－WAP軟件），采用樁-土力學模型，該模型的邊界條件進行擬合條件選擇實測力與速度或上行波，計算曲線應與樁基檢測實測曲線保持基本吻合，樁側(cè)土摩阻力應與勘察報告提供巖土層力學參數(shù)基本相符，檢測樁的豎向承載力和樁身完整性，可提供樁基摩阻分布圖與樁身內(nèi)力分布圖、樁身阻抗變化圖、靜載模擬條件下的Q-S曲線，獲得樁底和樁側(cè)各單元阻力、阻尼及彈限值、樁身各單元最大壓應力、拉應力等參數(shù)，采用加速度信號兩次積分得到最終位移為實測貫入度。

3.1.2 現(xiàn)場檢測方法

高應變試樁使用的傳感器為配套的壓電式加速度計和工具式應變計，預估單樁極限承載力為4800kN。

高應變測試參數(shù)設定為：采樣間隔50μs，在t1+2L/c時刻后延續(xù)時間大于30ms，信號采樣點數(shù)1024點；錘重50kN；錘擊落距為0.5m～0.8m；樁身材料質(zhì)量密度取2.45t/m3；樁身波速預置為3800m/s。

3.1.3 樁身完整性判定計算公式

樁身完整性系數(shù)β 和樁身缺陷位置x 應分別按下列公式計算獲取：

式中：β──樁身完整性系數(shù)；

tx──缺陷反射峰對應的時刻（ms）；

x──樁身缺陷至傳感器安裝點的距離(m)；

Rx──缺陷以上部位土阻力的估計值；

t1──初始峰對應的時刻（ms）；

c──樁身波速（m/s）。

根據(jù)計算的β值按表1分類標準進行樁身完整性判定。

表1 高應變檢測-樁身完整性分類評價表

3.1.4 測試結(jié)果及分析

高應變動力試樁檢測結(jié)果見表2。

表2 曲線擬合法分析結(jié)果

3.1.5 樁基高應變檢測成果

樁1基本信息見表3，檢測成果如圖2所示。

表3 樁1基本信息

圖2 樁1檢測成果（a實測力及實測速度曲線；b實測速度及計算速度曲線；

模擬Q-S曲線；摩阻力分布及荷載傳遞曲線）

樁2基本信息見表4，檢測成果如圖3所示。

表4 樁2基本信息

圖3 樁2檢測成果（a實測力及實測速度曲線；b實測速度及計算速度曲線；

模擬Q-S曲線；摩阻力分布及荷載傳遞曲線）

樁3基本信息見表5，檢測成果如圖4所示。

表5 樁3基本信息

圖4 樁3檢測成果（a實測力及實測速度曲線；b實測速度及計算速度曲線；

模擬Q-S曲線；摩阻力分布及荷載傳遞曲線）

3.2 靜載試驗

3.2.1 工程施工現(xiàn)場檢測

選用荷載壓重平臺反力裝置進行試驗，碼放混凝土塊到荷載壓重平臺形成反力系統(tǒng)，通過液壓千斤頂置于樁頂模擬豎向荷載施加，經(jīng)過標定的壓力傳感器給出壓力值后再由千斤頂?shù)臉硕ㄇ€換算成荷載值。檢測樁的沉降變形量，布置于樁頭的位移傳感器傳輸給靜載荷測試儀記錄輸出。設備安裝見下圖5“壓重平臺反力裝置示意圖”。

圖5 壓重平臺反力裝置示意圖

3.2.2 測試結(jié)果及分析

所測1#、2#和3#工程樁的Q-S曲線均為緩變型，樁的沉降量大于40mm時，取S=40mm對應的荷載值為樁的極限承載力。檢測結(jié)果匯總見下表。檢測樁試驗荷載和沉降數(shù)據(jù)匯總表見表6，檢測樁的Q-S曲線見圖6。

表6 檢測結(jié)果匯總

圖6 Q-s曲線圖

4 測試數(shù)據(jù)分析與評價

（1）本次三根樁使用了高應變法波形擬合法，經(jīng)后期靜載試驗驗證，檢測精度相對較高。波形擬合法評價單樁極限承載力，目前被認為是高應變法檢測中較先進的技術(shù)，但它具有多解性，無唯一解。雖然有優(yōu)良的擬合分析軟件，能夠自動排除大部分明顯不合理的擬合結(jié)果，但最終擬合結(jié)果還需要分析人員擁有該地區(qū)豐富的經(jīng)驗。

（2）靜載試驗作為傳統(tǒng)直觀的檢測方法，當采用該方法作為工程樁驗收檢測手段時，加載量一般取單樁承載力特征值的2 倍，而受場地、現(xiàn)場安全、成本等多方面的因素影響，使試驗加載至樁側(cè)與樁端的巖土阻力達到極限狀態(tài)很困難。本次對該工程3根試驗樁進行靜載破壞性試驗，得到三根試驗樁極限承載力，通過比較發(fā)現(xiàn)該地區(qū)樁的高應變法檢測結(jié)果略低于靜載試驗確定的單樁豎向極限承載力，其動靜誤差為-2.78%，整體一致性較好。

5 結(jié)束語

本文通過長沙地區(qū)某項目現(xiàn)場試驗對靜載試驗和高應變試驗測試數(shù)據(jù)進行對比分析得出以下結(jié)論：

（1）該施工區(qū)樁的高應變法檢測結(jié)果，略低于靜載試驗確定的單樁豎向極限承載力，兩者的動靜誤差為-2.78%，整體一致性較好。

（2）高應變檢測方法操作得當，結(jié)果準確性較高，在本地區(qū)該類項目中可以作為普查手段推廣使用。