灌注樁承載力自平衡法應(yīng)用及試驗特性研究

毛宗原，毛 剛，張 強

（中國建筑技術(shù)集團公司，北京 100013）

目前，對工程樁樁基檢測的方法主要有堆載法、錨樁法和自平衡法等。與其他兩種傳統(tǒng)的方法相比，自平衡法作為一種較新的檢測方法，以裝置簡單、占地面積小、無需反力架或堆載等特點，在大直徑、大噸位的灌注樁極限承載力測試中得到廣泛的應(yīng)用。

自平衡法是接近于豎向抗壓樁實際工作條件的試驗方法，其主要的加載裝置是一種特制的荷載箱，它與鋼筋籠連接后安裝在樁身的指定位置，并將高壓油管和位移棒一起引到地面。荷載箱將完整樁分為兩部分，位于荷載箱上部的為上部樁，位于荷載箱下部的為下部樁，荷載箱所處位置即為平衡點。試驗時，通過地面的高壓油泵向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞到樁身，箱頂與箱底被推開，產(chǎn)生向上和向下的推力，從而調(diào)動樁周土的側(cè)阻力與樁端土的端阻力，直至破壞[1-2]。其加載通過上部樁側(cè)極限摩阻力和自重與下部樁側(cè)極限摩阻力及樁端相平衡來維持。

自平衡法與傳統(tǒng)方法相比并非直接測得基樁的極限承載力。上、下兩部樁的工作機理與受力特性不同。下部樁受力為極限正摩阻力，而上部樁為極限負摩阻力，其值由上部樁的極限承載力減去上部樁樁身自重得到。將樁側(cè)極限負摩阻力除以樁側(cè)阻力折減系數(shù)γ得出上部樁的極限正摩阻力。上部樁的極限正摩阻力與下部樁的極限正摩阻力相加，得到樁豎向極限承載力。因此，影響自平衡法檢測結(jié)果準確性的因素之一即為樁側(cè)摩阻力折減系數(shù)γ的取值。國內(nèi)學(xué)者對此展開了深入探討。江蘇省電力設(shè)計院[3]對南通地區(qū)的粉質(zhì)黏土和粉土中灌注樁進行了抗拔試驗得出，負摩阻力與正摩阻力的比值隨著樁入土深度的增加而增大，通常小于1.0，直徑為600mm的鉆孔樁，L為9m和12m時，γ分別為0.78和0.98。龔維明[1-2]通過試驗得出黏土、粉土的側(cè)摩阻力折減系數(shù)為0.8，砂土為0.7。陳小強[4]利用模型試驗得出，成層土中抗拔樁和抗壓樁的側(cè)摩阻力折減系數(shù)為0.62。張曉煒[5]通過錨樁法和自平衡法的對比試驗，得出在中密卵石層中自平衡法側(cè)摩阻力折減系數(shù)為0.84。以上研究結(jié)果表明，不同條件下樁側(cè)摩阻力折減系數(shù)存在較大差別。

文章依托工程實例，對北京市海淀區(qū)某房建項目的6根試樁進行自平衡法的試驗檢測，得出其極限承載力的特性，獲取了相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

北京市海淀區(qū)某項目位于北京地鐵慈壽寺站地面，工程包括11#樓～16#樓6棟樓房和中央下沉廣場，其中13#樓擬采用鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)，部分采用全回轉(zhuǎn)工藝。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

在建場地范圍內(nèi)，土層自上而下的性質(zhì)依次為如下4種。

（1）雜填土。褐黃色，松密～稍密，由磚渣、灰渣、植物根組成，層底標高48.00～52.46m。

（2）粉質(zhì)黏土。褐黃色，可塑，高～中高壓縮性，主要由云母、氧化鐵組成。其下存在少許中粗砂、粉細砂。層底標高43.03～47.63m。

（3）卵石。雜色，密實，一般粒徑為20～60mm，最大粒徑160mm，主要成分為石英砂巖、輝綠巖、安山巖、硅質(zhì)白云巖，中粗砂填充，層底標高34.61～39.97m。

（4）粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土。褐黃色、密實，層底標高32.35～37.47m。

依據(jù)勘察資料，該場地內(nèi)主要存在2種地下水，為上層滯水和潛水。上層滯水穩(wěn)定水位埋深為7.94m，主要賦存于黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土層，其主要受季節(jié)性降水的影響。潛水穩(wěn)定埋深25.19～26.26m，主要賦存于卵石層和黏質(zhì)粉土層、砂質(zhì)粉土層。

1.3 自平衡試樁參數(shù)

根據(jù)國家的標準規(guī)范，對該項目中的6根灌注樁采用自平衡法進行靜載荷試驗，樁徑1.2m，其中S1～S3試樁樁長33m，采用全回轉(zhuǎn)工藝；S4～S6試樁樁長46m，采用旋挖工藝。

2 試驗過程及結(jié)果分析

2.1 試驗過程

試驗按《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2003）、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）進行，采用囊式荷載箱慢速維荷法逐級加載。試驗時，每級荷載達到相對穩(wěn)定后加下一級荷載，直至試樁破壞或達到試驗要求，然后分級卸載至0。通過高壓油泵施加荷載，設(shè)計加載第一級荷載為3400kN，隨后每級加載量取1700kN，S1～S3加載至17000kN時終止加載，S4～S5加載至18700kN時終止加載，S6加載至17000kN時終止加載。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

采用自平衡法對場地內(nèi)的6根試樁進行靜載荷試驗，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到每根試樁逐級加載下，荷載箱上、下部的位移變化情況，并制成Q-S曲線，如圖1～圖6所示。

S1、S2、S3三根試樁的有效樁長均為33m，設(shè)計荷載箱埋置于距樁底7m處，處于樁身偏下處。由圖1可看出S1試樁Q-S曲線隨著荷載的增加，位移變化較平緩，在加載初期，荷載箱上、下部位移很小，逐級加載后開始平穩(wěn)增加；終止加載時，下部位移突增，樁體出現(xiàn)塑性變形。其上、下部最大位移分別為6.67mm和24.68mm。由圖2和圖3可看出S2、S3試樁的Q-S曲線變化規(guī)律與S1基本相同，終止加載時，其上、下部的最大位移值分別為7.48mm、35.74mm和6.83mm、36.61mm。

圖2 S2樁Q-S曲線

圖3 S3樁Q-S曲線

圖4 S4樁Q-S曲線

圖5 S5樁Q-S曲線

圖6 S6樁Q-S曲線

S4、S5、S6試樁的有效樁長均為33m，設(shè)計荷載箱埋置于距樁底7.9m處，處于樁身偏下處。其Q-S曲線變化規(guī)律基本相同，終止加載時，荷載箱上部最大位移分別為6.21mm、7.55mm、8.12mm，下部最大位移分別為38.95mm、37.65mm、29.62mm。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，6根試樁的荷載-位移變化曲線均為陡變型曲線，承載力取發(fā)生突變的前一級荷載。加載初期，樁的變形很小，說明樁承載力依靠側(cè)摩阻力來承擔。

依據(jù)《樁承載力自平衡測試技術(shù)規(guī)程》（DB32T 291—1999），單樁豎向抗壓極限承載力可按下式計算得到：

式中：Qu上為荷載箱上段樁的實測極限承載力，kN；Qu下為荷載箱下段樁的實測極限承載力，kN；W為荷載箱上段樁自重，kN；γ為荷載箱上段樁阻力修正系數(shù)，黏土、粉土取0.8，砂土取0.7。

通過計算可知，采用自平衡法對6根試樁做靜載試驗，通過計算得到每根樁的極限承載力值。其中S1、S2、S3單樁豎向抗壓極限承載力值均為31480kN，S4、S5單樁豎向抗壓極限承載力值均為34690kN，S6單樁豎向抗壓極限承載力值為31100kN。

3 結(jié)論

（1）通過自平衡法樁基試驗在灌注樁中的測試，得到6根試樁豎向抗壓極限承載力均滿足設(shè)計要求，證明了自平衡法的可靠性，且裝置簡單、不受場地限制，可在類似工程中推廣應(yīng)用。

（2）在測試中，試樁的Q-S曲線上、下部位移變化有所不同，上部曲線變化平緩，沒有出現(xiàn)突變，而下部曲線出現(xiàn)突變，發(fā)生塑性變形，這說明測試中上、下部樁不能同時達到極限承載力。

（3）自平衡法是通過轉(zhuǎn)換極限側(cè)摩阻力得到極限承載力，不同土質(zhì)轉(zhuǎn)換系數(shù)不同。目前，轉(zhuǎn)換系數(shù)只是通過工程實踐經(jīng)驗獲得，缺乏理論計算，有待進一步探索。