自平衡法在砂泥巖地層基樁承載力檢測中的應(yīng)用

韋文國

（廣東國宏工程檢測有限公司 廣東韶關(guān)512000）

隨著城市化進(jìn)程的不斷完善，一些城市的交通樞紐建設(shè)和地下空間建設(shè)都有著較快的發(fā)展。作為城市化進(jìn)程中的重要組成部分，樁基施工在項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在樁基施工過程中，一些新技術(shù)和新設(shè)備應(yīng)用，對于基樁的承載力檢測提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，如何選擇合適的檢測手段，是目前有著重要研究意義的問題［1］。目前，基樁抗拔承載力檢測的自平衡試驗(yàn)方法作為一種新型的樁基承載力測試方法，有著成本和時間上的應(yīng)用優(yōu)勢，對其分析有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 工程背景

某建筑工程一期項(xiàng)目主要由5 棟高層建筑組成，分別為是1#、2#、3#、4#、5#，本文主要針對3#樓的7 樁、5#樓64樁及41樁側(cè)阻力和端阻力等相關(guān)指標(biāo)，采用基樁抗拔承載力檢測的自平衡試驗(yàn)方法，確定出單樁抗拔承載力及其周圍土層的樁端阻力與側(cè)摩阻力。在現(xiàn)場取樣測量中，測得砂泥巖相關(guān)的物理力學(xué)性質(zhì)如下：天然抗壓強(qiáng)度為5.9 MPa，容重為2 510 kg∕m3，軟化系數(shù)為0.62，泊松比為0.33，飽和抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，變形模量為2 053.5 MPa，彈性模量為2 288.3 MPa，粘聚力為76 MPa，內(nèi)摩擦角為27°。

所應(yīng)用到的試驗(yàn)場地其地貌為丘陵型，在試驗(yàn)開始前，已做到初步整平，地形坡度范圍通常為0°～40°，現(xiàn)狀較為穩(wěn)定。其最高高程以及最低高程分別為202 m 以及187 m，高差約15 m。在場地中不存在對這一工程建設(shè)產(chǎn)生影響的地表水系。其存在的巖層層面結(jié)合較差，間距在30～60 cm 之間，存在少量間距較大的位置，實(shí)際距離為2～3 m［2］。砂泥巖界面存在泥化夾層，沒有良好的結(jié)合性，張開度為3～10 mm 圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)面較為軟弱。通過實(shí)際調(diào)查裸露巖體，發(fā)現(xiàn)在巖體中存在2 組裂隙，沒有構(gòu)造破碎帶與斷層構(gòu)造出現(xiàn)。因?yàn)樵趫鰠^(qū)內(nèi)，存在的地下水形式是基巖裂隙水以及孔隙水，是大氣降水所致，由此可以斷定，在該場地內(nèi)，土壤會對鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。

1.2 基樁抗拔承載力檢測的自平衡試驗(yàn)原理

在該試驗(yàn)過程中，主要是通過在樁端預(yù)埋荷載箱，并且這種荷載箱向垂直方向進(jìn)行加載。在實(shí)施過程中由于整個項(xiàng)目樁身都會產(chǎn)生一種極限側(cè)摩阻力，所以在抗拔樁上，需要對這種阻力進(jìn)行測試，才能更好地完成測驗(yàn)［3］。而在樁端處，同樣也會面臨一些問題，比如樁端處無法為整個試驗(yàn)提供必要的反力支撐。針對這種問題，需要通過對樁鉆深的方式進(jìn)行解決。從整個抗拔試驗(yàn)的過程來看，應(yīng)用到的主要設(shè)備除了需要進(jìn)行預(yù)先埋設(shè)的荷載箱以外，還包括位移絲、位移傳感器、壓力機(jī)以及高壓油管等。

1.3 選取砂泥巖地層平衡點(diǎn)

自平衡法檢測環(huán)節(jié)，較為重要的工作是進(jìn)行平衡點(diǎn)選取。主要的選取方法包括3種：數(shù)值模擬法、相似模擬法和經(jīng)驗(yàn)法。當(dāng)荷載箱在平衡點(diǎn)位置處時，其檢測結(jié)果才具備良好的準(zhǔn)確性，列出公式⑴：

式中，fs為摩擦力；μs為摩擦因數(shù)，與原有試驗(yàn)及研究結(jié)果相結(jié)合，取值0.72；Fx為基樁所受巖層作用力。結(jié)合式⑴、式⑵，求出樁底平衡點(diǎn)的實(shí)際位置情況。

1.4 選取砂泥巖地層轉(zhuǎn)換系數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬方法預(yù)估檢測過程，選取最終的轉(zhuǎn)換系數(shù)，極限側(cè)阻力QR實(shí)際計(jì)算公式詳見式⑶：

如圖1 所示，數(shù)值模擬結(jié)果會以幾何圖形及網(wǎng)格劃分的形式顯現(xiàn)。與工程實(shí)際相結(jié)合，基樁總高度應(yīng)為45 m，其嵌巖深度應(yīng)為5 m，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最終得出實(shí)際轉(zhuǎn)換系數(shù)0.9，與相關(guān)技術(shù)規(guī)范相結(jié)合，最終將1.0作為實(shí)際系數(shù)。

圖1 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.1 Numerical Simulation Results

2 試驗(yàn)方法

在具體試驗(yàn)原理上，根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)以及規(guī)定，整個的試驗(yàn)方法需要從試驗(yàn)加載、卸載以及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)等多個方面，結(jié)合多個數(shù)據(jù)循序漸進(jìn)地對自平衡檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析。

2.1 試驗(yàn)加載

首先在試驗(yàn)加載上，主要采用一種慢速維持荷載法方法，利用這種方法來明確出分級荷載，而這種分級荷載的取值，一般以最大試驗(yàn)荷載的1∕10最為適宜。在相應(yīng)的分級荷載達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)或者是要求以后，然后再對下一級荷載進(jìn)行施加，通過分級荷載的層層試驗(yàn)，來保證相對穩(wěn)定［4］。

2.2 試驗(yàn)卸載

卸載測回彈應(yīng)分5 級逐一進(jìn)行，將預(yù)定試驗(yàn)荷載（5 617 kN）的1∕5 作為各級卸載減量，待各級卸載后的荷載達(dá)到相對穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一級的卸載。

2.3 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

受各級荷載的作用，上下部樁的位移量在單位時間（1 h）內(nèi)不應(yīng)超出0.1 mm，當(dāng)連續(xù)2次位移量未超出該標(biāo)準(zhǔn)時，施加下級荷載。在本次試驗(yàn)中，將27 000 kN 設(shè)置為最大荷載值，將13 500 kN 定為最大加載量［5］。實(shí)際試驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過分級加載這一方法，對基樁逐級的施加荷載，施加荷載過程中，分時間段對所發(fā)生的位移進(jìn)行測量，具體時間是：5 min、15 min、30 min、45 min以及1 h，超過1 h后，每隔30 min進(jìn)行一次位移的測量，試驗(yàn)具體分級加載情況如下：1～9 級荷載情況分別為2 700 kN、4 050 kN、5 400 kN、6 750 kN、8 100 kN、9 450 kN、10 800 kN、12 150 kN、13 500 kN。

本試驗(yàn)不涉及分級卸載操作，當(dāng)施加一個級別的荷載后，觀察其位移變化速率，待相對穩(wěn)定后，進(jìn)行下一荷載的施加試驗(yàn)，在此過程中，對于每一級別加載發(fā)生的位移都應(yīng)詳細(xì)記錄，以便對位移變化速率穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。

2.4 加載中止的條件

首先，加載中止的第一個條件就是當(dāng)荷載的總位移量超出某一范圍或者是標(biāo)準(zhǔn)以后，并且本級荷載經(jīng)過長時間的加載并沒有保持穩(wěn)定，應(yīng)該終止加載。一般這種超出范圍的標(biāo)準(zhǔn)是總位移量超出40 mm并且是上級荷載5 倍的情況［6］。其次當(dāng)基樁總下沉量并沒有高出40 mm，但是荷載量卻已經(jīng)明顯超出了規(guī)定安全系數(shù)和設(shè)計(jì)值的乘積，這種情況下也需要終止加載。

3 檢測結(jié)果分析

圖2 Q-s曲線Fig.2 Q-s Curve

實(shí)際試驗(yàn)檢測環(huán)節(jié)，樁體試驗(yàn)位置處會因?yàn)楹奢d的變化而產(chǎn)生不同的位移，進(jìn)而其位移量也會不斷發(fā)生變化，根據(jù)這一情況繪制出Q-s曲線，詳細(xì)如圖2所示。其中，上樁代表的是荷載箱上部樁體，而下樁代表的則是下部樁體。

對圖2 進(jìn)行分析，在樁體上部荷載以及下部荷載值不斷增加的情況下，其2 個位置處的位移都出現(xiàn)了線性增加的變化，同時，上部位移與下部位移相比，下部位移較大。在試驗(yàn)環(huán)節(jié)，對所有位移數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，繪制s-lgt曲線，如圖3所示。

圖3 s-lgt曲線Fig.3 s-lgt Curve

從圖3中可以得出，在荷載不斷增大的情況下，樁體位移狀態(tài)一直趨于穩(wěn)定，1#、2#、3#三個位置處的基樁，所承受的荷載已經(jīng)達(dá)到了最大加載值，即13 500 kN，同時，上、下段的位移都處于相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)［7］。根據(jù)以上條件，列出端阻力及極限側(cè)阻力計(jì)算公式，詳見式⑷：

式中：K為抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，由于本工程地質(zhì)為巖石，因此，K=1.0；G 為上段樁總重（kN），包括自重及附加重量，若處于地下水位以下，實(shí)際要取浮重度；Ap為樁端底面積。

在式⑴中輸入最大加載值，得出極限端阻力以及極限側(cè)阻力，1#、2#、3#三個基樁存在相同的極限端阻力值［8］，均為7.64 MPa，而極限側(cè)阻力則存在不同，1#為697 kPa；2#為581 kPa；3#為748 kPa，取平均值處理，最終得出極限側(cè)阻力為675 kPa。

4 結(jié)論

綜上所述，對于樁基礎(chǔ)施工而言，其施工難度較大，技術(shù)要求較高，并且存在較為復(fù)雜的地質(zhì)變化情況。所以，在大型工程中，為保證工程質(zhì)量，應(yīng)做好樁基的檢測及驗(yàn)收工作。

⑴從實(shí)際工程出發(fā)，開展靜載實(shí)驗(yàn)檢測工作，將所有獲得的數(shù)據(jù)采集后，利用公式進(jìn)行計(jì)算［9］，得出極限端阻力值及極限側(cè)阻力值分別為：7.64 MPa、675 kPa。

⑵對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出，基樁承受荷載為13 500 kN 時，并沒有出現(xiàn)超荷載現(xiàn)象，其樁底位置還在發(fā)生壓縮增強(qiáng)變化，所以，不用加大樁基長度。結(jié)果顯示，在荷載不斷增加時，樁體位移沒有發(fā)生加速變形情況，而是一直呈線性增加，可見此時樁體還可以承受一定程度的荷載壓力［10］。

⑶針對于本工程基樁承載力情況，選擇自平衡法進(jìn)行檢測計(jì)算，在實(shí)際的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，由于砂泥巖的巖性特點(diǎn)，使其具備不同的摩擦因子，利用數(shù)值模擬的方式，做出了預(yù)先的演算處理，最終得出轉(zhuǎn)換系數(shù)［11］。從所得出的結(jié)果中可以看出，在不同巖性地層中應(yīng)用此種方法效果較好，特別是對于砂泥巖地層而言，更能準(zhǔn)確分析出承載力情況，實(shí)踐意義較大。