樁基承載力自平衡檢測(cè)技術(shù)與具體應(yīng)用

尹軍衡

(廣州港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510230)

1 引言

灌注樁樁基是現(xiàn)代工程中的重要應(yīng)用形式，但工程施工中對(duì)其性能提出了較高的要求，以合理的方式掌握其承載力情況具有重要意義。基于承載力檢測(cè)的方式可幫助施工人員全面了解結(jié)構(gòu)性能，常見的有傳統(tǒng)靜載法、自平衡測(cè)試法等[1]，大量工程實(shí)例表明應(yīng)用較為廣泛的當(dāng)屬自平衡測(cè)試法，其在單樁工程承載力檢驗(yàn)中具有較好的應(yīng)用效果，是行業(yè)內(nèi)的主流技術(shù)。

2 工程概況

本文以粵澳新通道(青茂口岸)澳方聯(lián)檢大樓及粵澳名優(yōu)產(chǎn)品博覽中心綜合體為背景，澳方聯(lián)檢大樓設(shè)計(jì)樁徑分別是直徑2m、1.5 m和1 m三種。設(shè)計(jì)基巖取值：所有樁持力層嵌固于微風(fēng)化巖石上，石層等級(jí)為Ⅱ或更好，巖石單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)最小不低于50 MPa，及其取芯率(TCR)不少于95%；樁柱的混凝土設(shè)計(jì)級(jí)別為B40，鋼筋設(shè)計(jì)級(jí)別為A400。

3 自平衡檢測(cè)原理

根據(jù)灌注樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自平衡檢測(cè)在其中具有較好的應(yīng)用效果，在檢驗(yàn)單樁豎向極限承載力工作中可行性較高，還可用于極限端阻力等方面的性能檢驗(yàn)。樁基自平衡法的適應(yīng)能力強(qiáng)，在絕大部分場(chǎng)景中都可正常使用，檢測(cè)工作使用到傳感器(用于檢測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變等)與位移桿，最為關(guān)鍵的是荷載箱，此部分以樁的類型及規(guī)格為依據(jù)合理配置，是加載作業(yè)的重要裝置[2]。正式測(cè)試前，選擇符合檢測(cè)要求的荷載箱并將其置于樁端附近，基于對(duì)樁自身反力平衡原理的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)樁身的加載，伴隨該加載量的持續(xù)增加，當(dāng)其達(dá)到樁承載力極限狀態(tài)時(shí)即可停止，結(jié)束整個(gè)檢測(cè)工作。

4 自平衡檢測(cè)技術(shù)

4.1 檢測(cè)裝置

4.1.1 加載裝置

選擇環(huán)形荷載箱，該裝置有效行程15 cm，正常運(yùn)行狀態(tài)下加壓可提升至60 MPa，以此為基礎(chǔ)配套高壓油泵，要求此裝置加壓?jiǎn)挝粸?.5 MPa。

4.1.2 位移傳感器

選擇高精度位移傳感器，將該裝置安裝在樁基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)高效的檢測(cè)需滿足量程≥50 mm的要求，配套磁性表座，將該裝置與鋼梁穩(wěn)定連接[3]，本次檢測(cè)所用傳感器為8只，分別負(fù)責(zé)向上位移量(3只)、向下位移量(3只)，剩余2只主要用于檢測(cè)樁頂向上位移量。此外，使用到位移計(jì)并將其設(shè)置在荷載箱上、下間，作用在于檢測(cè)兩部分的相對(duì)變位情況。

4.1.3 應(yīng)力量測(cè)

選用應(yīng)變計(jì)檢測(cè)樁身軸力，布設(shè)區(qū)域?yàn)閹r土分界處，共使用到4個(gè)，遵循的是對(duì)稱布設(shè)原則，分別獲得各自結(jié)果并經(jīng)整理后取平均值。于樁端處增設(shè)壓力計(jì)，目的在于檢測(cè)樁端反力情況。

4.2 檢測(cè)方法

荷載樁埋設(shè)至樁中，使其與鋼筋籠形成穩(wěn)定連接關(guān)系，延伸位移棒和油管，使兩部分均有效引出地面。運(yùn)用油泵，在其作用下實(shí)現(xiàn)給荷載箱持續(xù)供油，在壓力作用下將箱的頂、底部相互分離，由此將形成上、下兩個(gè)方向的推力[4]。

4.3 荷載傳遞

荷載會(huì)沿著樁身軸線的路徑發(fā)生傳遞，樁結(jié)構(gòu)接收到荷載后其依然維持穩(wěn)定狀態(tài)，表明此時(shí)混凝土與鋼筋兩部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)變具有等值關(guān)系，通過應(yīng)變計(jì)則能獲得各荷載狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變情況，進(jìn)一步明確樁截面的狀況，如軸力、摩阻力等，從中確定荷載傳遞規(guī)律。

4.4 檢測(cè)步驟

4.4.1 加載

加載過程遵循慢速的原則，避免某環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常增加荷載或是減小的情況[5,6]。

(1)由業(yè)主、監(jiān)理或設(shè)計(jì)單位指定，對(duì)施工編號(hào)為ZH-16#和ZH-45#的2根工程樁進(jìn)行單植豎向抗壓承載力自平衡法靜載荷試驗(yàn)，檢測(cè)試樁的單樁豎向抗壓極限承載力。這2根樁的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

(2)考慮到試樁自重大的特點(diǎn)，嚴(yán)格控制好每級(jí)加載量，本工程設(shè)計(jì)為10級(jí)加載、5級(jí)卸載。

(3)結(jié)束加載后，每5 min、15 min、30 min、45 min、60 min依次完成檢測(cè)，后續(xù)可將間隔設(shè)定為30 min不變，傳感器對(duì)接計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)高效率的檢測(cè)與分析，在程序的控制下獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)并創(chuàng)建關(guān)系曲線，為用戶直觀分析提供材料。

4.4.2 終止加載的條件

氣候傾向率采用一次線性方程表示，即：Ti=a0+a1ti ，式中：Ti為氣溫，ti為時(shí)間；a1為線性趨勢(shì)項(xiàng)，a1×10表示氣溫每10a的氣候傾向率。對(duì)趨勢(shì)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

(1)若位移量≥40 mm，同時(shí)本級(jí)荷載狀態(tài)下所帶來的下沉量達(dá)到上級(jí)該指標(biāo)的5倍時(shí)，表明完成加載作業(yè)，可停止，此時(shí)選取前一級(jí)荷載并將該值作為樁基的極限荷載。

(2)若位移量≥40 mm，同時(shí)在結(jié)束荷載后的24 h內(nèi)都維持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即可結(jié)束加載作業(yè)，極限荷載的選取方式與上述一致。

(3)若位移量<40 mm，以設(shè)計(jì)值與安全系數(shù)乘積為基準(zhǔn)，若實(shí)際位移不小于該值，滿足此條件時(shí)即可結(jié)束加載作業(yè)，此時(shí)的極限荷載選擇方式與上述不同，即指的是本級(jí)荷載。

4.4.3 卸載

(1)遵循分級(jí)卸載的原則，每執(zhí)行一次都檢測(cè)樁頂回彈量，在相對(duì)穩(wěn)定后方可組織后續(xù)環(huán)節(jié)的卸載作業(yè)，工程采取5級(jí)卸載方式。

(2)結(jié)束卸載后，以15 min為間隔依據(jù)觀測(cè)。

4.5 檢測(cè)結(jié)果

ZH-16#試驗(yàn)加荷方式為慢速維持荷載法，試樁的每級(jí)荷載增量均為3410 kN，加載至34100 kN后，受業(yè)主委托最大試驗(yàn)荷栽增加至37510 kN，試樁的向上位移累計(jì)達(dá)到8.21 mm，取37510 kN為上段樁的極限承載力。

試植的向下位移累計(jì)達(dá)到3.98 mm，取37510 kN為下段樁的極限承載力；ZH45#試驗(yàn)加荷方式為慢速維持荷栽法，試樁的每級(jí)荷載增量均為1910 kN，加載至19100 kN后，受業(yè)主委托最大試驗(yàn)荷載增加10%至21010 kN，試樁的向上位移累計(jì)達(dá)到8.26 mm，取21010 kN為上段樁的板限承栽力；試樁的向下位移累計(jì)達(dá)到334 mm，取21010 kN為下段樁的極服承載力。

做好檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作，基于聲測(cè)法掌握樁身情況，分析其是否存在缺陷。通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析得知樁身質(zhì)量良好，具體內(nèi)容見表2。

表2 檢測(cè)結(jié)果

以上述所得的檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)，ZH-16#試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓極限承載力為74880 kN，滿足設(shè)計(jì)要求；ZH-45#試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓極限承載力為42210 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 討論

自平衡試樁法還有許多方面的問題值得深入探討。一般來說，該技術(shù)的基本原則為：在測(cè)試之前計(jì)算樁身的反力，然后確定反力的平衡點(diǎn)，最后實(shí)現(xiàn)樁身的加載。這個(gè)過程十分復(fù)雜，因此在計(jì)算過程中會(huì)產(chǎn)生較多的問題，使得平衡點(diǎn)的求解難度加大。在計(jì)算過程中還要考慮誤差的問題，誤差產(chǎn)生的原因主要發(fā)生于測(cè)試結(jié)果向靜載轉(zhuǎn)換的過程，因?yàn)檗D(zhuǎn)換系數(shù)的存在導(dǎo)致了分析誤差，因此，必須要解決轉(zhuǎn)換過程中誤差存在的問題。

此外，該技術(shù)是近來才被發(fā)現(xiàn)，并廣泛用于極限承載力測(cè)試。通過許多案例分析，與其他傳統(tǒng)的方式方法相比，該技術(shù)具有很大的優(yōu)越性，因此在北美等地區(qū)得到了很好的推廣應(yīng)用。

6 結(jié)語

本文以工程實(shí)例為背景，基于自平衡檢測(cè)技術(shù)分析樁基承載情況。結(jié)果表明：該技術(shù)所得結(jié)果的精度較高，實(shí)際操作中便捷性較好，在大直徑、深樁基中具有優(yōu)良的應(yīng)用效果，可做到省時(shí)、省力、可靠。因此，所提出的自平衡檢測(cè)技術(shù)具有參考價(jià)值，值得工程人員應(yīng)用到類似的樁基檢測(cè)工作中，以所得結(jié)果為依據(jù)形成合理設(shè)計(jì)方案，并可確保各環(huán)節(jié)施工的效率與質(zhì)量。