自平衡樁試驗(yàn)的影響因素分析

戴自然，徐再賢，吳福飛

(1.貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州黔嚴(yán)建設(shè)工程技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550004)

0 前 言

隨著近代工業(yè)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樁的材料、種類和樁基形式、樁的施工工藝和設(shè)備、樁基設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法、樁的原型試驗(yàn)和檢測(cè)方法等各方面都有了很大的發(fā)展。由于樁基礎(chǔ)具有承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小而均勻等特點(diǎn)，因此，樁基礎(chǔ)已成為在土質(zhì)不良地區(qū)修建各種建筑物所普遍采用的基礎(chǔ)形式，在高層建筑、橋梁、港口和近海結(jié)構(gòu)等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

在國(guó)外，樁基承載力自平衡測(cè)試方法源于日本的中山(Nakayama)和藤關(guān)(Fujiseki)于1969年提出的樁端加載試樁法[4]。四年之后，通過他們不斷研究完善，于1973年取得了鉆孔樁的測(cè)試專利。之后該測(cè)試法在全球蔓延，許多學(xué)者不斷地對(duì)其進(jìn)行研究、探討。1978年，Summii獲得預(yù)制樁的測(cè)試專利[5]。1973年，Gibson和Devenney采用類似技術(shù)測(cè)定在鉆孔中混凝土與巖石間的膠結(jié)應(yīng)力[6]。20世紀(jì)70年代初，以色列的Afar Vasela公司發(fā)明了Tomer樁基檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)并申請(qǐng)專利，基于Osterberg博士對(duì)該法做了大量研究、總結(jié)并推廣工作，因此，美國(guó)土木工程界又將該法命名為Osterberg-Cell載荷試驗(yàn)或O-Cell載荷試驗(yàn)[7-8]。至今，O-Cell載荷試驗(yàn)法已被美國(guó)土木工程界接受，現(xiàn)已成為美國(guó)廣泛應(yīng)用的一種載荷試樁新技術(shù)，美國(guó)深基礎(chǔ)協(xié)會(huì)(DFI)為此授予Dr.Osterberg“杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”，并稱試樁已進(jìn)入“Osterberg新時(shí)期”。

在國(guó)內(nèi)，樁基承載力自平衡測(cè)試法于1993年被清華大學(xué)李廣信教授引入國(guó)內(nèi)。同期，李廣信教授指導(dǎo)博士和碩士做了大量的理論研究和模型試驗(yàn)，但自平衡測(cè)試技術(shù)作為一種新型的測(cè)試技術(shù)，礙于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)環(huán)境、技術(shù)、信息等條件的限制，并未引起國(guó)內(nèi)工程界的注意。樁基承載力自平衡測(cè)試技術(shù)在我國(guó)開始應(yīng)用于工程實(shí)踐始于1996年，當(dāng)時(shí)，東南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院在國(guó)內(nèi)眾多單位理論研究的基礎(chǔ)上，與江蘇省建委合作對(duì)Osterberg試樁法進(jìn)行研究，率先在國(guó)內(nèi)將該法付諸實(shí)際，并于1999年編制了《樁承載力自平衡測(cè)試技術(shù)規(guī)程》(DB32/T291—1999)[9]，同時(shí)還開發(fā)了測(cè)樁軟件及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。之后自平衡測(cè)試法在我國(guó)27個(gè)省市開始大范圍推廣應(yīng)用。目前，已完成了300多個(gè)實(shí)際工程，積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 自平衡試驗(yàn)的影響因素

自平衡測(cè)試法發(fā)展到今天，技術(shù)已十分成熟，國(guó)內(nèi)外亦有學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行了學(xué)術(shù)研究，對(duì)自平衡測(cè)試法的影響因素也有比較透徹的分析，經(jīng)查閱相關(guān)資料，并對(duì)自平衡測(cè)試法的試驗(yàn)影響因素進(jìn)行分析總結(jié)，得出其影響因素主要如下：樁底沉渣及泥皮的影響、樁土間的相對(duì)剛度比Ep/Es、樁周土層間相對(duì)剛度比的影響、樁的長(zhǎng)徑比影響、樁承載力的“時(shí)效性”以及試驗(yàn)其他影響因素。

1.1 樁底沉渣及泥皮影響分析

從以往自平衡試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例可知，自平衡試樁法絕大多數(shù)應(yīng)用在鉆孔灌注樁上，而鉆孔灌注樁有其特殊的成樁工藝，影響到我們?cè)囼?yàn)的主要是成樁工藝中的樁側(cè)泥漿護(hù)壁和樁底沉渣兩個(gè)因素。

樁側(cè)泥漿護(hù)壁的存在會(huì)大大降低樁的側(cè)摩阻力，經(jīng)查閱相關(guān)研究資料[10]，樁頂?shù)某两禃?huì)隨泥皮厚度的增加而增加，孔壁泥皮的厚度與施工所采用的清孔方式、護(hù)壁泥漿的類型、密度及成孔時(shí)間等因素有關(guān)，在同等條件下，若泥皮過厚，可增加樁頂沉降2～5 mm。

樁底沉渣對(duì)自平衡試驗(yàn)的影響主要體現(xiàn)在下段樁的沉降位移上，對(duì)下段樁而言，其受樁底沉渣影響的典型下段樁荷載-沉降曲線(Q-s-)如圖1所示，下段樁在荷載施加之初由于樁周側(cè)摩阻力的存在，下段樁的位移量不明顯，如圖1中的o-a段所示。隨著荷載的增加，下段樁周側(cè)摩阻力達(dá)到極限，樁端開始受力。由于樁底有一定厚度的沉渣，也就是相當(dāng)于樁底存在一個(gè)“軟墊”。其位移量急劇增加，曲線的曲率也越來越大，如圖1中的a-b段所示。隨著荷載繼續(xù)增加，位移量進(jìn)一步增加，樁底沉渣越來越趨于密實(shí)，其壓縮模量逐漸增大，這就出現(xiàn)了在試驗(yàn)的最后，位移趨勢(shì)放緩，曲率變小的階段，如圖1中的b-c段所示，之后再隨著荷載增大，樁端承載力達(dá)到極限。

圖1 受樁底沉渣影響的典型下段樁荷載-沉降曲線(Q-s-)

1.2 樁土間的相對(duì)剛度Ep/Es影響分析

不同樁土間相對(duì)剛度Ep/Es對(duì)自平衡試驗(yàn)的影響主要體現(xiàn)在以下方面。

1)對(duì)上段樁軸力的影響：隨著樁土間相對(duì)剛度比的提高，在相同荷載下，雖然上樁軸力的整體分布方式變化不大，但上樁軸力沿樁身向上衰減變慢，這是由于當(dāng)樁土相對(duì)剛度比增大時(shí)，樁周土體的摩阻力減小，對(duì)樁的約束作用減小，因此，上段樁軸力隨摩阻力作用的減小自然衰減就減慢。

2)對(duì)上段樁截面位移的影響：對(duì)于同樣長(zhǎng)度的樁，在相同的荷載下，隨著樁土相對(duì)剛度比的提高，土體的剛度降低，變形量增加，上段樁樁底和樁頂位移增長(zhǎng)較快。當(dāng)樁土相對(duì)剛度比較小時(shí)，隨著荷載等級(jí)的增大，上段樁樁頂截面位移的增長(zhǎng)趨勢(shì)將不如樁底截面位移增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但當(dāng)樁土相對(duì)剛度比較大時(shí)，則上樁各截面位移增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于一致。

3)對(duì)樁身壓縮量的影響：在相同荷載下，隨著樁土相對(duì)剛度比的提高，樁身的彈性壓縮量增大。分析其原因，主要是因?yàn)殡S著樁土相對(duì)剛度比的提高，上段樁軸力沿樁身向上衰減變慢，再根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，樁身的彈性壓縮量可用式(1)表示：

(1)

式中，ΔL為樁身彈性壓縮量；N(z)為樁身軸力；Ep為樁身彈性模量；A為樁身截面面積。

由以上公式可知，當(dāng)軸力N(z)向上衰減變慢時(shí)，ΔL即樁身彈性壓縮量將增大。

4)對(duì)下段樁端阻力和側(cè)阻力分擔(dān)荷載比的影響：隨著樁土相對(duì)剛度比的提高，土體的剛度降低，變形量增加，下段樁下沉位移增大，端阻分擔(dān)的荷載將增大，經(jīng)查閱相關(guān)研究資料表明，當(dāng)Ep/Es>100后，端阻分擔(dān)的荷載比將不會(huì)十分明顯。

1.3 土層間的相對(duì)剛度影響分析

土層間的相對(duì)剛度主要是對(duì)樁的位移產(chǎn)生影響。當(dāng)土層間的相對(duì)剛度比很小時(shí)，最理想化的情況就是各土層的剛度一樣，即相對(duì)剛度比為1，相當(dāng)于樁周土層為均勻土層，土體的總體剛度較大，因此樁隨土體的剛體位移較小，樁體位移幾乎全由樁身壓縮組成；另一方面，較小的相對(duì)剛度使得上部土體的負(fù)摩阻力較下部土層減小不多，因此樁身軸力會(huì)緩慢減小，根據(jù)式(1)，樁身的壓縮量較大，隨著荷載箱壓力不斷增大，樁頂?shù)奈灰茖⒉粫?huì)很大，但荷載箱處的上段樁樁底位移由于樁身壓縮量增大而增大。在樁身范圍內(nèi)，各截面的位移量會(huì)明顯的增加，樁在剛體位移的基礎(chǔ)上有明顯的軸向變形。因此，在樁土相對(duì)剛度較小且土層相對(duì)剛度也較小的情況下，要注重考慮樁身壓縮量引起的位移。

當(dāng)土層間的相對(duì)剛度比很大時(shí)，土體的總剛度較小，樁隨土體的剛體位移較大，荷載箱壓力主要由下層土來平衡(通常下層土的剛度比上層土的要大)，此時(shí)上部樁身的軸力較小，因此樁身的壓縮量較小。在這種情況下，樁底的位移取決于樁的剛體位移，在上部樁身范圍內(nèi)，因軸力較小，軸向變形很小，樁的位移主要為剛體位移。下部樁身范圍內(nèi)，因其軸力較大，軸向變形會(huì)很大，該段樁身的變形決定了樁的彈性壓縮量。土層間的相對(duì)剛度比主要對(duì)樁的位移組成產(chǎn)生影響，當(dāng)土層間的相對(duì)剛度比較小時(shí)，樁的位移主要為樁的彈性變形。當(dāng)土層間的相對(duì)剛度比較大時(shí)，樁的位移則要同時(shí)考慮樁的彈性變形和剛體位移。

1.4 樁的長(zhǎng)徑比L/D影響分析

傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)在樁頂施加豎向作用力，其豎向由作用于樁側(cè)的總摩阻力Qs和作用于樁端的端阻力Qp共同承擔(dān)，如圖2所示，豎向力可以表示為：

Q=Qs+Qp

(2)

圖2 樁的側(cè)阻力與端阻力

樁側(cè)阻力與樁端阻力的發(fā)揮過程就是樁土體系荷載的傳遞過程。樁頂受豎向壓力后，樁頂壓縮并向下發(fā)生位移。樁側(cè)表面與土間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，樁側(cè)表面開始受土的向上摩阻力，荷載通過側(cè)阻力向樁周土中傳遞，就使樁身的軸力與樁身壓縮變形量隨深度遞減。隨著荷載增加，樁身下部的側(cè)阻力也逐漸發(fā)揮作用，當(dāng)荷載增加到一定值時(shí)，樁端才開始發(fā)生豎向位移，樁端的反力也開始發(fā)揮作用。所以，靠近樁身上部土層的側(cè)阻力比下部土層的先發(fā)揮作用，側(cè)阻力先于端阻力發(fā)揮作用，經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)資料，側(cè)阻力與端阻力發(fā)揮作用所需要的位移量也是不同的。大量的常規(guī)直徑樁的測(cè)試表明，側(cè)阻力發(fā)揮作用所需的相對(duì)位移一般不超過20 mm。對(duì)于大直徑樁，一般在位移量s=(3%～6%)d情況下，側(cè)阻力已發(fā)揮絕大部分的作用。但是端阻力發(fā)揮作用的情況比較復(fù)雜，與樁端土的類型與性質(zhì)及樁長(zhǎng)度、樁徑、成樁工藝和施工質(zhì)量等因素有關(guān)。

對(duì)于巖層和硬的土層，只需很小的樁端位移就可充分使其端阻力發(fā)揮作用，對(duì)于一般土層，完全發(fā)揮端阻力作用所需位移量則可能很大。以樁端持力層為細(xì)粒土的情況為例，要充分發(fā)揮端阻力作用，打入樁sp/d為10%；鉆孔樁sp/d為20%～30%，其中sp為樁端的沉降量。

這樣對(duì)于一般樁基礎(chǔ)，在工作荷載作用下，側(cè)阻力可能已經(jīng)發(fā)揮出大部分作用，而端阻力只發(fā)揮了很小一部分作用。只有對(duì)支撐于堅(jiān)硬巖基上的剛性短樁，由于樁端無法下沉，而樁身壓縮量很小，摩擦阻力無法發(fā)揮作用，端阻力才先于側(cè)阻力發(fā)揮作用。

綜上所述，可對(duì)靜載試驗(yàn)荷載傳遞作如下歸納：①一般情況下，側(cè)阻力先于端阻力發(fā)揮作用；②在工作荷載Qk作用下，對(duì)于一般摩擦型樁，側(cè)阻力發(fā)揮作用的比例明顯高于端阻力發(fā)揮作用的比例；③對(duì)于l/d較大的樁，即使樁端持力層為巖層或堅(jiān)硬土層，由于樁身本身的壓縮，在工作荷載下端阻力也很難發(fā)揮。當(dāng)l/d≥100時(shí)，端阻力基本可以忽略而成為摩擦樁。

對(duì)于自平衡試樁法的下段樁長(zhǎng)徑比的影響基本與其相同，對(duì)于自平衡試樁法的上段樁，當(dāng)樁徑相同時(shí)：L/D較小，樁的位移主要由樁體位移為主，樁的彈性壓縮量較小，但當(dāng)L/D較大時(shí)，上段樁的樁頂位移將較小，但上段樁的樁底位移較大，樁的位移主要以樁的彈性壓縮量為主。當(dāng)L/D>60時(shí)，樁的位移幾乎全由樁身壓縮組成。

1.5 樁承載力的“時(shí)效性”影響分析

當(dāng)自平衡試樁為打入的擠土樁時(shí)，如果樁周土為飽和的黏性土?xí)r，則成樁時(shí)的擠壓和振動(dòng)會(huì)在土中形成較高的超靜孔隙水壓力，使有效應(yīng)力降低，結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和超靜孔水壓力升高會(huì)使樁周土抗剪強(qiáng)度降低，側(cè)阻力也就大為降低，但是如果放置一段時(shí)間，隨著土中超靜孔壓的消散，再加上土的觸變性可恢復(fù)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也會(huì)使側(cè)阻力逐漸提高。這就是所謂的樁承載力的“時(shí)效性”。因此，在自平衡試樁時(shí)需等待一定的時(shí)間使樁周土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)后才能進(jìn)行試驗(yàn)。具體時(shí)間在國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范上都有規(guī)定，如《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2003)中第3.2.6條便有如下規(guī)定：樁基承載力檢測(cè)前的休止時(shí)間除應(yīng)滿足試樁混凝土齡期達(dá)到28 d或預(yù)留同條件養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度外，當(dāng)無成熟的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，尚不應(yīng)少于表1中規(guī)定的時(shí)間。

表1 休止時(shí)間

1.6 其他試驗(yàn)影響因素分析

該類影響因素主要是指一些試驗(yàn)過程中的一些人為和試驗(yàn)儀器誤差等的影響因素，例如分級(jí)加載中油泵不能穩(wěn)壓、試樁時(shí)早晚溫差對(duì)位移傳感器的影響、試樁時(shí)周圍環(huán)境影響等。該類影響大多屬于可控制的因素。試驗(yàn)時(shí)，細(xì)節(jié)決定了試驗(yàn)的成敗，試驗(yàn)人員應(yīng)該在試驗(yàn)前做好充足的準(zhǔn)備，并寫好試驗(yàn)方案。

2 結(jié) 語

結(jié)合前期研究的基礎(chǔ)和相關(guān)資料，分析總結(jié)了自平衡樁試驗(yàn)的影響因素主要有：樁底沉渣及泥皮的影響、樁土間的相對(duì)剛度比Ep/Es、樁周土層間相對(duì)剛度比的影響、樁的長(zhǎng)徑比影響、樁承載力的“時(shí)效性”以及機(jī)器和人為因素。

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