嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r樁自平衡靜載試驗(yàn)研究

雷坤明，吳禹辰

（1重慶市忠縣建設(shè)工程質(zhì)量中心，重慶 404300；2合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230000）

0 引言

樁的承載力可以采用高應(yīng)變法、靜壓法和自平衡法進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)近20多年的發(fā)展，自平衡法也由傳統(tǒng)的單荷載箱加載發(fā)展到雙荷載箱加載，并被應(yīng)用于樁基承載力及樁側(cè)摩擦阻力測(cè)量工程中[1]。自平衡法作為基樁靜載試驗(yàn)的一種方法，通過(guò)將放置于樁身的平衡點(diǎn)處的荷載箱進(jìn)行加載，保證測(cè)試過(guò)程中上下兩部分樁的承載力相等，從而測(cè)得樁身的側(cè)摩阻力與端阻力平衡以維持加載。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的樁基，使用雙荷載箱技術(shù)能解決單荷載箱測(cè)試中因平衡點(diǎn)失衡而導(dǎo)致所測(cè)承載力偏低的問題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基樁自平衡法雙荷載箱測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究[2-4]。龔成中等[5]對(duì)多種試樁進(jìn)行了雙荷載箱測(cè)試技術(shù)應(yīng)用研究。胡勇[6]通過(guò)雙荷載箱自平衡法對(duì)長(zhǎng)大直徑樁進(jìn)行了測(cè)定，為同類樁基承載力的確定與設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。盧波等[7]通過(guò)對(duì)雙荷載箱測(cè)試技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，解決了單荷載箱測(cè)試中因平衡點(diǎn)確定不準(zhǔn)確而導(dǎo)致所測(cè)承載力偏低的問題。李小娟等[8-9]分別研究了黏性土與砂性土下自平衡檢測(cè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)換系數(shù)取值問題，提出轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.7～0.8與0.6～0.7。龔成中等[10]針對(duì)深長(zhǎng)嵌巖樁基承載特性進(jìn)行了雙荷載箱技術(shù)試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了指定樁段的極限承載力測(cè)定。于榮林等[11]以天津東站220kV地下變電站工程為例，采用雙荷載箱自平衡試樁法對(duì)其試驗(yàn)樁進(jìn)行了承載力檢測(cè)。

可以看出，現(xiàn)有針對(duì)基樁承載力的自平衡檢測(cè)方法的研究主要以單荷載箱為主，而對(duì)于特定巖層條件下的雙荷載箱加載方式研究較少。本文以位于重慶秀山嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r地層的某擬建工程基樁自平衡檢測(cè)為背景，選取3根基樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)過(guò)程中的荷載-位移曲線及位移-時(shí)間曲線。本文研究結(jié)果可以為我國(guó)西南地區(qū)嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r地層基樁自平衡檢測(cè)應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

本文對(duì)重慶秀山縣某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目工程試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn) （自平衡法）。擬建項(xiàng)目面積70255.80m2，建設(shè)用地面積29023.71m2，總建筑面積 15791.03m2，其中地上建筑面積為15327.81m2，地下建筑面積463.22m2。試驗(yàn)選取該工程的三個(gè)地點(diǎn)設(shè)置試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，如圖1所示。擬建場(chǎng)地位于重慶市秀山縣，場(chǎng)地除南側(cè)外均緊鄰市政道路，交通方便。

圖1 測(cè)量對(duì)象及基樁布局圖

表1 嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r物理力學(xué)性質(zhì)

勘察區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，其熱量資源豐富，降雨充沛，四季分明，具有顯著的山區(qū)立體氣候特色。

據(jù)氣象站統(tǒng)計(jì)，秀山多年平均氣溫16.5°C，極端最高氣溫41.5°C， 極端最低氣溫-10.5°C （1977年1月29日），年無(wú)霜期260～270天。平均相對(duì)濕度81%，絕對(duì)濕度17.6豪巴，多為偏北風(fēng)，年平均風(fēng)速1.9m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)20m/s。區(qū)內(nèi)降雨量較充沛，但是分配不均，最大年降雨量1350.3mm，最小年降雨量783.2mm，多年平均降雨量1199.4mm，最大日降雨量178.3mm。場(chǎng)地紅線外北東側(cè)約10m處為秀山縣城鎮(zhèn)生活垃圾填埋場(chǎng)污水處理池。

本文研究對(duì)象試樁（旋挖灌注樁）為嵌巖段角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r，以白云質(zhì)灰?guī)r角礫為主，粒徑約0.5～1.0cm，呈棱角狀，含約10%～15%白云質(zhì)灰?guī)r碎石，碎石粒徑約5～10cm，鈣質(zhì)、白云質(zhì)膠結(jié)為主，少量泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。巖芯較破碎，多呈散粒狀～碎塊狀，少量呈短柱狀，如圖2所示。

圖2 試樁嵌巖段角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r

1.2 自平衡法原理

本文采用基樁自平衡測(cè)試方法進(jìn)行基樁承載力及巖層側(cè)阻力測(cè)量，并使用雙荷載箱進(jìn)行加載。該方法的基本原理是將荷載箱埋入樁基相應(yīng)位置，通過(guò)高壓油管與放置在地面的高壓油泵相連。測(cè)量過(guò)程中由高壓油泵向荷載箱千斤頂充油加載，加載過(guò)程中其上部樁身的摩擦力及自重與下部樁身的摩擦力及端阻力相平衡保證維持加載，且荷載箱上安裝有位移桿進(jìn)行位移數(shù)據(jù)測(cè)量。根據(jù)向上、向下Q-s曲線（荷載-位移曲線）判斷樁承載力、樁基沉降、樁彈性壓縮和巖土塑性變形。試樁自平衡測(cè)試法示意圖如圖3所示。

圖3 基樁自平衡測(cè)試法示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

2.1 加載設(shè)備

該雙荷載箱自平衡測(cè)試試驗(yàn)的加載設(shè)備主要由荷載箱、加載水泵、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

（1） 荷載箱

荷載箱加載的率定曲線由計(jì)量部門標(biāo)定，荷載箱參數(shù)詳見表 2。

表2 荷載箱參數(shù)表

（2） 加載水泵

加載水泵最大加壓值為63MPa，壓力傳感器精度達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求。壓力傳感器亦由計(jì)量部門標(biāo)定并提供標(biāo)定證書。

（3）位移量測(cè)裝置

該試驗(yàn)使用電子位移傳感器進(jìn)行位移量測(cè)量，該傳感器量程50mm，每樁5支，通過(guò)磁性表座固定在基準(zhǔn)鋼梁上。試驗(yàn)過(guò)程中，2支用于測(cè)量荷載箱附近樁體的向上位移，2支用于測(cè)量荷載箱附近樁體的向下位移，1支用于測(cè)量樁頂處的向上位移。

（4）數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀采用適用于自平衡法檢測(cè)的專用配套系統(tǒng)，與電子位移傳感器等均有針對(duì)性的數(shù)據(jù)接口。

2.2 加載方式

（1） 加載程序

本次試驗(yàn)采用雙荷載箱加載，先進(jìn)行荷載箱Ⅱ（下荷載箱）加載，荷載箱Ⅱ加載完后不卸載，繼續(xù)進(jìn)行荷載箱Ⅰ（上荷載箱）加載，試驗(yàn)完后再統(tǒng)一卸載，如圖4所示。

圖4 雙荷載箱加載示意圖

由圖4可以看出，該加載試驗(yàn)采用兩個(gè)荷載箱加載，樁體分為A、B和C三部分，黑色部位代表荷載箱，上荷載箱用Ⅰ表示，下荷載箱用Ⅱ表示。成樁滿足休止期后，先進(jìn)行荷載箱Ⅱ加載，得到C段樁極限加載值。荷載箱Ⅱ加載完后不卸載，進(jìn)行荷載箱Ⅰ加載，得到A段樁極限加載值。上下荷載箱加載均為獨(dú)立完成，因此試驗(yàn)過(guò)程互不影響。

（2）加載分級(jí)

該雙荷載箱自平衡測(cè)試試驗(yàn)采用的加載方式為慢速維持荷載法，分級(jí)荷載設(shè)置為最大加載值的10%，第一級(jí)加載值取分級(jí)荷載的2倍。試驗(yàn)過(guò)程中不進(jìn)行分級(jí)卸載，具體加卸載分級(jí)情況見表3。

表3 加載分級(jí)表

2.3 試驗(yàn)步驟

靜載試驗(yàn)步驟如下：

（1）每級(jí)荷載開始施加后，60min內(nèi)每間隔5min測(cè)讀一次位移，60min后每間隔30min測(cè)讀一次位移；

（2）分級(jí)荷載開始施加30min后，將1.5h內(nèi)每30min測(cè)得的位移值作為該小時(shí)位移量，當(dāng)每小時(shí)位移增量不超過(guò)0.1mm且連續(xù)出現(xiàn)兩次時(shí)，位移變化進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段；

（3）當(dāng)判斷位移變化速率進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段后，施加下一級(jí)荷載；

（4）終止加載。

3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)秀山縣垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目試樁靜載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分別繪制了試樁的豎向荷載-位移（Q-s）及位移-時(shí)間對(duì)數(shù)（s-lgt）曲線，如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知：

（1） 3# 試樁（下荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當(dāng)加載至2500kN級(jí)時(shí)，下段位移增量已大于前一級(jí)荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過(guò)40mm，即終止加載，3#試樁下段樁極限加載值Qud取2250kN。3#試樁（上荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當(dāng)加載至3600kN級(jí)時(shí)，上段位移增量已大于前一級(jí)荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過(guò)40mm，即終止加載，3#試樁上段樁極限加載值Quu取3200kN。

圖5 荷載箱Q-s曲線

圖6 荷載箱s-lgt曲線

（2） 2# 試樁（下荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當(dāng)加載至2500kN級(jí)時(shí)，下段位移增量已大于前一級(jí)荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過(guò)40mm，即終止加載，2#試樁下段樁極限加載值Qud取2250kN。2#試樁（上荷載箱）加載值均已達(dá)到試驗(yàn)方案的荷載箱最大加載值4000kN，且上段和下段位移均達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，2#試樁上段樁極限加載值Quu取4000kN。

（3）1#試樁（下荷載箱）加載值均已達(dá)到試驗(yàn)方案的荷載箱最大加載值2500kN，且上段和下段位移均達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，1#試樁上段樁極限加載值Qud取2500kN。1#試樁（上荷載箱）荷載-位移（Q-s）曲線為陡變型，當(dāng)加載至2800kN級(jí)時(shí)，上段位移增量已大于前一級(jí)荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量已超過(guò)40mm，即終止加載，3#試樁上段樁極限加載值Quu取2400kN。

（4）由圖6可以發(fā)現(xiàn)，由于2#試樁嵌入中等風(fēng)化以上巖層的厚度較大，因此該曲線比較平緩，變形較小。說(shuō)明嵌巖深度的增大，對(duì)提高樁基的承載力和變形是有利的。另外，由于上荷載箱的荷載對(duì)上部巖層側(cè)摩阻力有抵消作用，因此下荷載箱所測(cè)出的巖層側(cè)摩阻力比較可靠。

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)測(cè)得的下段樁極限加載值Qud和上段樁極限加載值Quu，可按下式求得試樁嵌巖段的極限端阻力和極限側(cè)阻力：

式中，W為上段樁自重與附加重量之和（kN），地下水位以下應(yīng)取浮重度；

γ1為抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，巖石取1.0；

u為樁身周長(zhǎng)（m）；

l為樁嵌巖深度；

Ap為樁端底面積。

通過(guò)式1計(jì)算得到3個(gè)試樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

對(duì)表4所得的試樁極限側(cè)阻力qs和極限端阻力qp分別取平均值，可得試樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsk和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk，分別為：343kPa 和 4.7MPa。

表4 自平衡法測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)重慶秀山地區(qū)的嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r樁，使用自平衡法對(duì)試樁的側(cè)阻力與端阻力進(jìn)行測(cè)量，針對(duì)測(cè)量結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)重慶秀山地區(qū)某嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r樁進(jìn)行雙荷載箱自平衡試驗(yàn)檢測(cè)，計(jì)算得出該工程試樁試樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsk和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk，分別為：343kPa和4.7MPa。

（2）該工程的雙荷載箱自平衡試驗(yàn)成果表明，當(dāng)基樁加載到13500kN時(shí)，樁底處于壓縮增強(qiáng)階段，仍具有一定的安全儲(chǔ)備，據(jù)此證明該工程沒有必要加大樁基的長(zhǎng)度。

（3）本文使用自平衡靜載試驗(yàn)對(duì)嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r地層條件下的基樁承載力進(jìn)行了檢測(cè)計(jì)算，試驗(yàn)過(guò)程中使用了雙荷載箱的加載方法。結(jié)果表明，該方法在嵌角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r地層條件下效果較好，能夠較好地對(duì)試驗(yàn)地層條件下基樁自平衡檢測(cè)進(jìn)行分析，有一定的實(shí)用意義。