單樁豎向抗壓靜載試驗方法分析及應(yīng)用

詹俊宇

（東莞市建設(shè)工程檢測中心）

1 靜載試驗的作用

1.1 為結(jié)構(gòu)設(shè)計工作提供依據(jù)

工程項目建設(shè)前，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件選取具有代表性的區(qū)域，試打試驗樁，并對其組織靜載試驗，從而確定施工質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)時的設(shè)計參數(shù)，作為基礎(chǔ)設(shè)計施工的參照基準(zhǔn)。必要時，可以安裝傳感器，將其埋設(shè)至樁身處，以便根據(jù)需求完成對樁身應(yīng)力、位移等關(guān)鍵參數(shù)的測定工作，進(jìn)而對試驗結(jié)果做出更為科學(xué)的判斷，為后續(xù)設(shè)計工作提供依據(jù)。

1.2 為竣工驗收提供依據(jù)

靜載試驗的結(jié)果能夠作為驗收環(huán)節(jié)的關(guān)鍵依據(jù)。在實(shí)際試驗中，可以根據(jù)設(shè)計要求確定最大加載量，據(jù)此組織加載作業(yè)，待實(shí)際值達(dá)到預(yù)定最大試驗荷載后，結(jié)束試驗?？紤]到試驗數(shù)據(jù)的可靠性要求，應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)控制最大加載量，即該值一般常取單樁豎向承載力特征值的2.0 倍，在此條件下試驗。

1.3 為樁基質(zhì)量檢測提供保障

在工程項目中，諸如聲波透射法、低應(yīng)變法等均為樁基質(zhì)量檢測首批檢測方法，可用于判斷樁身完整性。若出現(xiàn)異常曲線，可進(jìn)一步組織靜載試驗進(jìn)行驗證，以便對實(shí)際情況做出準(zhǔn)確判定，可判斷基樁承載力的真實(shí)大小。

2 單樁豎向抗壓靜載試驗內(nèi)容

2.1 反力裝置搭設(shè)

以現(xiàn)場作業(yè)條件為立足點(diǎn)，選擇具有可行性的加載反力裝置，需著重考慮裝置可提供的最大反力，要求該值至少達(dá)到最大試驗荷載的1.2 倍，同時在整個加載過程中，反力裝置均可維持穩(wěn)定狀態(tài)（不發(fā)生變形）。換言之，裝置應(yīng)有足夠的安全儲備。為滿足裝置的穩(wěn)定性要求，需要從強(qiáng)度和變形兩個角度切入，針對裝置各構(gòu)件加以驗算。

2.2 荷載計量

靜載試驗的千斤頂與油泵相連，試驗過程中啟用千斤頂，根據(jù)要求逐級加載?，F(xiàn)階段，一系列自動化靜載試驗設(shè)備相繼面市，其普遍適配的是電子傳感器，由該裝置完成油壓壓強(qiáng)的測量工作。根據(jù)測定的壓強(qiáng)和壓力，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到千斤頂?shù)膲毫χ?，整個加載過程的自動化水平較高，數(shù)據(jù)的精確性得到保證，可有效減輕人工工作強(qiáng)度，同時也可以減小人為因素對測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的不良影響。

2.3 加載方式

靜載試驗期間應(yīng)以合理的方式有效控制樁基絕對沉降。在靜載試驗中，應(yīng)用較為廣泛的當(dāng)屬慢速維持荷載法，但在部分工程中采用到快速維持荷載法。根據(jù)相關(guān)規(guī)定可知，若采用的是慢速維持荷載法，則應(yīng)當(dāng)保證樁頂沉降⊿S≤0.1mm/h；若采用的是快速維持荷載法，則應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用等時距加載的方式，每完成一級加載作業(yè)后，持荷1h，若無誤則進(jìn)入下一級加載環(huán)節(jié)，按此順序有序推進(jìn)加載進(jìn)程。卸載環(huán)節(jié)，慢速維持荷載法、快速維持荷載法的每級荷載維持時間分別為1h、15min。對比發(fā)現(xiàn)，相比于慢速維持荷載法而言，快速法具有更為突出的應(yīng)用優(yōu)勢，一方面可縮短試驗周期，為后續(xù)工作的開展提供更充足的時間；另一方面可以減小晝夜溫差等外部因素的影響，使沉降觀測結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性。

2.4 沉降觀測

基準(zhǔn)梁和基準(zhǔn)樁是沉降觀測中的關(guān)鍵裝置，但也是工作中易忽視的部位。若未打設(shè)基準(zhǔn)樁、將基準(zhǔn)樁設(shè)置在沙袋上、基準(zhǔn)樁打設(shè)深度或長度等基礎(chǔ)指標(biāo)不合理、基準(zhǔn)樁的剛度偏低或是其它原因，均容易出現(xiàn)較明顯的變形現(xiàn)象；而在防護(hù)措施不當(dāng)時，也容易導(dǎo)致基準(zhǔn)梁出現(xiàn)質(zhì)量問題。在實(shí)際工作中，需要以合理的方式設(shè)置基準(zhǔn)梁，將其一端固定在基準(zhǔn)樁上，將另一端簡支于基準(zhǔn)樁上，此時可以有效提高基準(zhǔn)梁對溫度變化的抵御水平，以免出現(xiàn)撓曲變形現(xiàn)象。靜載試驗期間，試樁、錨樁及壓重平臺支墩均會在不同程度上對基準(zhǔn)樁帶來影響，具體又與兩者間的距離、荷載關(guān)系、現(xiàn)場地質(zhì)條件有關(guān)，此類因素的差異化將導(dǎo)致影響程度的差異化。

3 試驗數(shù)據(jù)整理與分析

靜載荷試驗后，生成典型P-S 曲線，即陡降型和緩變型。各自所傳達(dá)的信息不盡相同，具體如圖1 所示。在陡降型曲線中，著重考慮的是單樁豎向抗壓承載力出現(xiàn)明顯下降處，取該部分對應(yīng)的荷載值；而對于緩變型曲線，則著重考慮沉降量情況，據(jù)此確定，較為合適的是S=40mm 的荷載值。樁體尺寸也是重點(diǎn)考慮內(nèi)容，若其長度達(dá)到40m 以上，則需密切關(guān)注樁身彈性壓縮量；若樁徑≥800mm，較為合適的是取S=0.05D 時的荷載值。視實(shí)際情況靈活確定極限承載力的具體值，但需要同時滿足兩項基本要求，一是盡可能地發(fā)掘樁的極限承載力（在許可的前提下增加），二是留有足夠的安全儲備。

圖1 兩種典型的P-S 曲線

4 靜載試驗的影響因素

4.1 試驗剛度所帶來的影響

經(jīng)靜載試驗后可確定沉降量，但該指標(biāo)的指導(dǎo)意義不足，僅指樁身或樁身的某點(diǎn)沉降值，而無法作為樁端沉降的反映依據(jù)。針對此局限性，需對沉降值加以修正，具體又需根據(jù)樁體的類型作相應(yīng)的分析。例如，對于摩擦樁，樁身軸力按三角形分布計算，此時假定樁端無軸力（為零）；對于端承樁，則按矩形分布計算，此時假定樁端存在軸力且與樁頂軸力保持一致。

4.2 反力裝置所帶來的影響

在堆載反力裝置的應(yīng)用過程中，壓重平臺的支墩所產(chǎn)生的重力作用會改變地基土的狀態(tài)，如圖2 所示，并且此現(xiàn)象在大噸位的樁基靜載試驗中體現(xiàn)得尤為明顯。在上部荷載的作用下，將明顯加大地基的附加應(yīng)力，導(dǎo)致樁基負(fù)摩擦力和附加摩擦力均偏大，最終取得的試驗結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性。為解決此問題，可適當(dāng)擴(kuò)大承壓區(qū)的面積。

圖2 堆載布置示意圖

⑴加載全流程中，因負(fù)載而產(chǎn)生的負(fù)摩擦力具有持續(xù)減小直至消除的變化特點(diǎn)，盡管加載初期其對沉降的影響較為顯著，但樁的極限承載力可以維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)（僅存在微弱的影響）。

⑵附加應(yīng)力將形成側(cè)壁摩阻力，其在初期會對樁體帶來影響，但在荷載量逐步增加之下，該影響程度逐步減小。

5 靜載試驗的常見問題

5.1 樁結(jié)構(gòu)受損

主要考慮如下兩種情況：

⑴樁帽壓壞：在樁頂質(zhì)量缺陷（平整性不足、缺乏足夠的強(qiáng)度）、樁帽與樁身連接部位缺乏穩(wěn)定性時，加載易產(chǎn)生不良影響，例如樁帽受損。

⑵樁身傾斜、破壞：樁身強(qiáng)度不足、預(yù)制樁接頭未得到有效的處理時，在靜載試驗期間均容易出現(xiàn)樁身傾斜、折斷等異常狀況，而此時地基土的承載力優(yōu)勢并未得到有效的發(fā)揮，導(dǎo)致靜載試驗結(jié)果缺乏指導(dǎo)意義，即難以呈現(xiàn)樁土體系的實(shí)際情況。

5.2 加載系統(tǒng)故障

⑴千斤頂量程不足：千斤頂是靜載試驗中的關(guān)鍵裝置，在使用前未將量程回零，此條件下千斤頂在尚未達(dá)到最大試驗荷載時便已經(jīng)處于完全頂出的狀態(tài)，難以有效參與到下一級荷載的加載作業(yè)中。因此，在試驗前需對千斤頂做詳細(xì)的檢查，確保量程回零。

⑵裝置提供的反力荷載不足：堆載量較小或較大時，堆載中心有偏位的情況，隨之顯現(xiàn)出偏心問題，此情況下試驗被迫中止。因此，在大噸位試樁作業(yè)前，需從實(shí)際情況出發(fā)，編制具有可行性的方案，作為后續(xù)工作的參考依據(jù)。

⑶主梁、次梁變形過大：在尚未完成試驗時，因剛梁強(qiáng)度不足而出現(xiàn)較為明顯的撓曲變形現(xiàn)象，若未隨即暫停試驗，則易誘發(fā)安全事故；并且，剛梁存在撓曲變形時，將隨之影響千斤頂?shù)恼Ｊ褂?，例如其量程不足，此時也將中斷試驗。因此，需要切實(shí)提高剛梁的力學(xué)性能。

5.3 測量系統(tǒng)故障

⑴基準(zhǔn)樁、基準(zhǔn)梁移動：精確設(shè)置固定基準(zhǔn)梁的樁，較為合適的是將其布設(shè)在被測試樁的影響范圍外，且還需考慮到溫度等因素所帶來的影響。

⑵系統(tǒng)失靈：試驗前對測試系統(tǒng)做詳細(xì)的檢查與調(diào)試，對傳感器采取防水以及其它防護(hù)措施，確保傳感器可穩(wěn)定運(yùn)行。

6 工程實(shí)例

受東莞中集創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園發(fā)展有限公司的委托，東莞市建設(shè)工程檢測中心于2018 年2 月9 日至4 月1 日，對中集智谷八期49 號地下室(37-48 號辦公樓)工程的基柱進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗，目的是檢測樁的豎向承載力是否滿足設(shè)計要求。根據(jù)國家、省的有關(guān)規(guī)定，經(jīng)委托單位與有關(guān)單位研究協(xié)商，確定本次檢測19 根+2 根(擴(kuò)大檢測)工程樁。

6.1 檢測儀器設(shè)備、方法和標(biāo)準(zhǔn)

6.1.1 試驗裝置

本次試驗采用壓重平臺反力裝置(詳見圖3)。壓重平臺反力裝置作為荷載反力，將大于最大試驗荷載的荷重在試驗開始前一次性加上平臺，試驗檢測過程由全自動靜載測試儀控制，油壓千斤頂分級加卸載。

圖3 試驗裝置示意圖

6.1.2 試驗方法

⑴最大試驗荷載：4600k；

⑵試驗加載：采用快速維持荷載法，每級加載為要求最大試驗荷載的1/10，第一級可按2 倍分級荷載加載，在每一級荷載作用下，當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對收斂標(biāo)準(zhǔn)時，再施加下一級荷載；

⑶相對收斂標(biāo)準(zhǔn)：加載時每級荷載維持時間不小于一小時，最后15min 時間間隔的樁頂沉降增量小于相鄰15min 時間間隔的樁頂沉降增量；

⑷試驗卸載：卸載分級進(jìn)行，逐級等量卸載，每級卸載量取分級荷載的2 倍。

6.1.3 沉降觀測

在樁頂兩邊裝設(shè)2 個位移傳感器，按規(guī)定時間測定沉降量。加載時，每級荷載施加后按第5、15、30min 測讀樁頂沉降量，以后每隔15min 測讀一次；卸載時，每級荷載維持15min，按第5、15min 測讀樁頂沉降量；卸載至零后，測讀樁頂殘余沉降量，維持時間為2h，測讀時間為第5、15、30min，以后每隔30min 測讀一次。

6.1.4 檢測標(biāo)準(zhǔn)按廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范》（DBJ15-60-2008)中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行

6.2 檢測結(jié)果

檢測結(jié)果匯總表見表1。檢測結(jié)論：

表1 試驗結(jié)果匯總

⑴1811#工程樁(37 號辦公樓)試驗加載到4600kN時，總沉降量為10.60m，沉降量較小，且Q-S 曲線平緩，無明顯陡降段，s-1gt 曲線呈平緩規(guī)則排列。綜合分析，該樁極限承載力為Qu≥4600kN。

⑵1793#工程樁(37 號辦公樓)試驗加載到4600kN時，總沉降量為30.97m，沉降量較大，但Q-s 曲線平緩，無明顯陡降段，s-1gt 曲線呈平緩規(guī)則排列。綜合分析，該樁極限承載力為Qu≥4600kN。

⑶1759#工程樁(37 號辦公樓試驗加載到4600kN時，總沉降量為10.72m，沉降量較小，且Q-s 曲線平緩，無明顯陡降段，s-1gt 曲線呈平緩規(guī)則排列。綜合分析，該樁極限承載力為Qu≥4600kN。

⑷1460#工程樁(38 號辦公樓）試驗加載到4600kN時，總沉降量為8.49m，沉降量小，且Q-s 曲線平緩，無明顯陡降段，s-1gt 曲線呈平緩規(guī)則排列。綜合分析，該樁極限承載力為Qu≥4600kN。

⑸1391#工程樁(38 號辦公樓)試驗加載到4600kN時，總沉降量為13.67m，沉降量較小，且Q-S 曲線平緩，無明顯陡降段，s-1gt 曲線呈平緩規(guī)則排列。綜合分析，該樁極限承載力為Qu≥4600kN。

7 結(jié)語

單樁抗壓靜載試驗是樁基施工質(zhì)量管控的最后一道防火墻，能夠給地上結(jié)構(gòu)的順利施工提供保障。由于靜載試驗的受擾因素較多，在多項因素的干擾下，易導(dǎo)致結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性，甚至難以繼續(xù)開展試驗工作。因此，工作人員需立足實(shí)際情況，綜合考慮樁型、施工條件、技術(shù)可行性等因素，形成合理的規(guī)劃，有序組織試驗，確保所得的試驗結(jié)果具有指導(dǎo)意義。