單樁軸向抗壓承載力檢測之疾速載荷試驗

朱建民，龔維明，趙學亮，謝禮飛

(1.南京東大自平衡樁基檢測有限公司,江蘇 南京 210018;2.東南大學 土木工程學院)

單樁軸向抗壓承載力檢測，目前中國多采用靜載試驗，如堆載法、錨樁法、自平衡法；當條件適合時，也可采用動力檢測，如高應變法。

近些年來，一種介于靜載與動測之間的新技術(shù)——疾速載荷試驗，在國外得到了較多應用。該法特點是利用比靜載試驗低一個數(shù)量級的配重，在100 ms級的時間內(nèi)(約為高應變法時長的數(shù)倍)產(chǎn)生接近或超過靜載水平的荷載，將試樁整體壓入地基，再通過一定計算方法，得到等效靜載條件下的單樁軸向抗壓承載力。該文以美國ASTM標準與歐洲ISO標準為主，對該法做簡要介紹。

1 發(fā)展歷程

疾速載荷試驗是一類方法的統(tǒng)稱。其中，出現(xiàn)最早且影響最大的是Statnamic——靜動法。

靜動法是在氣缸內(nèi)快速燃燒特制燃料，產(chǎn)生的高壓氣體將重物以很大的加速度向外推出(類似發(fā)射火箭)，其反作用力(接近超過靜載試驗加載量)施加于樁頂?shù)某休d力測試方法。該法最早由Bermingham構(gòu)思(1985年)、提出(1987年)并進行了首次探索試驗(1988年，見圖1)；其加載設備、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)則由加拿大Berminghammer公司及荷蘭TNO研究院聯(lián)合開發(fā)。Bermingham最初稱該法為慣性載荷試驗(Inertial load testing)，后由Middendorp定名為Statnamic(Static+Dynamic，取其介于靜載與動測間之意)，中國多稱為靜動法。

圖1 靜動法首次探索試驗

靜動法之后，又發(fā)展出了利用重物下落配以彈簧/墊材的測試方法(類似打樁或高應變，該文簡稱為落重彈簧法)，其作用于樁頂?shù)暮奢d特性與靜動法相似。該法設備有StatRapid(圖2)、Pseudo Static Pile Load Tester、Spring Hammer、Hybridnamic等若干種。

圖2 StatRapid現(xiàn)場檢測設備

雖然上述兩類測試方法的荷載產(chǎn)生方式有所區(qū)別，但對受檢樁而言加載機理相同，故將其合稱為Rapid Load Test。目前，日本(2002)、美國(2008、2010、2019)、歐洲(2016)已先后發(fā)布和更新了試驗標準，促進了該法的推廣應用。

在中國，1995年6月曾進行過一次靜動法演示試驗；之后由于種種原因，靜動法并未在工程實踐中推廣應用，相關(guān)的研究成果也較少；近年來，隨著中國企業(yè)大量承接海外項目，靜動法又重新回到了工程技術(shù)人員的視野。但是，靜動法因其燃料較為敏感，在中國推廣預計難度較大；落重彈簧法則無此方面限制。

2 “疾速載荷試驗”名稱的由來

“疾速載荷試驗”是該文綜合考慮中國術(shù)語使用情況與國外檢測標準后給出的暫定名稱。

中國樁基檢測術(shù)語中，“快速”一詞已用于“快速維持荷載法”；又因該法的加載速度比“快速維持荷載法”還要快得多，故此不宜再用“快”字。

該法目前的國外標準有日本、美國、歐洲3部，其名稱分別為“杭の急速載荷試験方法”、“Standard test methods for axial rapid load (compressive force pulse)testing of deep foundations”、“Testing of piles:rapid load testing”；其關(guān)鍵詞分別為“急速”、“rapid (pulse)”、“rapid”。日本用“急速”來描述試驗的快速程度是較貼切的，但“急”在現(xiàn)代漢語中多包含主觀色彩，因此改用“疾”字更好些。

綜合上述因素，該文采用“疾速載荷試驗”來指代此項檢測技術(shù)。

3 標準依據(jù)

目前，疾速載荷試驗已有日本JGS、美國ASTM、歐洲ISO 3部標準，其中ASTM和ISO標準的影響力更大，更容易得到業(yè)內(nèi)認可，故該文結(jié)合現(xiàn)階段部分研究進展，對ASTM和ISO標準的主要內(nèi)容進行介紹。

4 適用范圍

該法適用于檢測單樁的軸向抗壓承載力。當沿樁身布設傳感器時，可獲得巖土層的分層側(cè)阻力和端阻力。按ISO標準，該法可用于試驗樁和工程樁檢測，等效轉(zhuǎn)換后的試驗成果可用于巖土工程設計(EN 1997-1)。靜動法的荷載產(chǎn)生方式與方向無關(guān)，故測試單樁直樁、斜樁的軸向抗壓承載力，單樁和群樁的水平承載力均較方便。落重彈簧法利用重力產(chǎn)生荷載，故多用于單樁豎向抗壓承載力檢測。

5 荷載特性

ASTM標準給出的該法作用于樁頂?shù)暮奢d特性如圖3所示(L為樁長，cp為樁身波速)。

圖3 典型荷載特性

荷載-時間曲線為單峰型，具有緩升緩降的特點，并且荷載為連續(xù)平滑施加。其關(guān)鍵控制指標有：① 峰值荷載。實際施加的峰值荷載應大于目標峰值荷載；② 持荷時間。荷載超過預加載值的持荷時間tf>10L/cp；③ 50%實加峰值荷載持荷時間。荷載超過50%實加峰值荷載的持荷時間tf,50>4L/cp。

圖3中的預加載一般為設備自重作用于樁頂?shù)暮奢d，多適用于A類設備，B類設備?？珊雎?A、B類設備后面介紹)；目標峰值荷載是根據(jù)試樁條件、項目要求預先確定的，一般在靜載要求加載量、動阻力的基礎上，再適當增加余量。

對于持荷時間，ISO標準要求10 ms

目前，主流試驗設備的持荷時間在100 ms左右。ASTM標準2010版曾給出了一些典型數(shù)據(jù)，可用來估算疾速載荷試驗適用的樁長(無需額外增加傳感器)：tf=90～250 ms；混凝土樁cp=4 000 m/s，鋼樁cp=5 100 m/s(按中國情況，混凝土樁一般為3 000～4 500 m/s，鋼樁為5 120 m/s)?，F(xiàn)取持荷時間的中間值170 ms，按10L/cp計算，可得相應樁長為：混凝土樁68.0 m，鋼樁86.7 m。若樁長再增大，則應通過調(diào)節(jié)設備來延長持荷時間，或者沿樁身增設傳感器來提高測試精度。

一般認為，疾速載荷試驗的樁頂荷載大且作用時間相對較長，樁身近似作為整體壓入地基，從而激發(fā)沿樁身分布的靜阻力和動阻力。目前，疾速載荷試驗的主流數(shù)據(jù)分析方法并非基于應力波理論，對持荷時間做出上述規(guī)定，主要是為了消除應力波的影響，使樁頂、樁端位移趨于同步。

6 設備儀器

6.1 加載設備

按照荷載產(chǎn)生方式的不同，ASTM和ISO標準均把加載設備分成兩類：① 向上推出重物加載(如Statnamic，下文簡稱A類)；② 通過重物下落加載(如StatRapid，下文簡稱B類)；兩部標準給出的相應名稱分別為combustion gas pressure apparatus、launched mass system，cushioned drop mass apparatus、drop mass system。無論采用何種設備，其荷載特性均應滿足加載要求(圖3所示的ASTM標準)。

兩部標準中，ASTM標準對加載設備的介紹較詳細，有需要的讀者可進一步參閱。

ASTM標準給出的提供反力的配重為5%～15%目標峰值荷載，由此可知，加載設備需能產(chǎn)生20g的加速度才可采用5%的配重。

按ISO標準，進行多循環(huán)測試時(實為分級加載，每級測一次，荷載逐級增大)，加載設備應設制動裝置捕獲配重，防止反復沖擊樁頭對后續(xù)測試產(chǎn)生影響。ASTM標準規(guī)定A類設備應設配重捕獲裝置，B類設備宜設捕獲裝置(非必須)。

6.2 荷載與位移量測儀器

樁頂荷載、樁頂位移是兩個基本試驗參數(shù)，前者通過荷重傳感器量測，后者通過位移傳感器量測。ASTM和ISO標準對各儀器的量程、精度、響應時間等均有詳細規(guī)定，在此不贅述。

ISO標準規(guī)定，若不具備直接量測樁頂荷載的條件，也可通過應變計間接量測；一般預制樁的剛度已知或經(jīng)材料測試即可獲得，灌注樁則需在受檢樁上進行荷載標定。

ASTM標準規(guī)定，若試樁不具備直接量測位移的條件，也可采用加速度傳感器，通過二次積分得到位移。ISO標準規(guī)定，僅在對最終位移進行光學測量的前提下，才可采用加速度二次積分的方式得到位移。

6.3 其他傳感器

是否加裝其他傳感器應結(jié)合試驗目的、試樁條件等確定。從工程實踐來看，對于持荷時間不滿足要求的長樁、想進一步提高黏性土中試樁測試精度(與加載速率相關(guān))、通過試驗獲得側(cè)阻端阻參數(shù)等情況，一般需加裝傳感器；所用傳感器類型、位置和數(shù)量應根據(jù)具體條件和要求確定。

在工程實踐中，較常用的傳感器是應變計。因試驗荷載的持續(xù)時間很短，振弦式應變計響應時間難以滿足要求，故多采用應變式。目前也有采用光纖傳感器的報道。

ASTM標準規(guī)定，對于持荷時間不滿足10L/cp要求的試樁，應在樁頂、樁端附近以及沿樁身不大于cptf/10間距埋設應變傳感器。

如果預期樁頂、樁端位移明顯不一致(如樁身壓縮量大的長樁，樁身應變分布不均勻的嵌巖樁)，應根據(jù)需要增加應變傳感器。從工程實踐來看，嵌巖樁一般能夠獲得良好的測試結(jié)果。

6.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前各成熟的試驗設備均配套開發(fā)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了信號調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)顯示等功能。

7 試驗準備

除了常規(guī)的試樁準備項目外，尚有以下幾點需要注意：

試樁休止期應同時滿足樁身強度發(fā)展與土體強度恢復兩方面要求，ISO標準的規(guī)定見表1。此外，ASTM標準規(guī)定，試驗時鄰近基樁的樁身混凝土也應達到一定的強度。

表1 休止時間

因樁頭處所受荷載最大，故需進行必要的加固處理，以保證試驗的順利進行。ASTM標準規(guī)定，目標峰值荷載產(chǎn)生的應力不得超過樁身混凝土抗壓強度的85%(指試驗時，預應力樁應扣除預應力)或樁身鋼材屈服強度的90%；ISO標準規(guī)定不得超過樁身材料容許應力(permissible stress)。在工程實踐中，一般可參照靜載或高應變試驗進行樁頭處理。

一般情況下，疾速載荷試驗施加于無黏性土中試樁和嵌巖樁的樁頂荷載與靜載要求加載量基本相當(稍小于或略大于)；黏性土試樁的加載量有可能顯著高于靜載要求加載量；按ISO標準，最大可達靜載要求加載量的2倍以上，因此應重視樁身應力驗算。

為避免樁身質(zhì)量問題對試驗產(chǎn)生不利影響，可在試驗前進行樁身完整性測試(低應變或聲波透射法)，或采用荷載逐級增大的多循環(huán)測試。ISO標準規(guī)定，若對試驗后工程樁的樁身完整性存疑，應進行聲測。

當直接量測樁頂位移時，基準點(通常放置激光發(fā)射器)應在試驗影響范圍之外。按ISO標準，A類設備基準點到試樁的最小距離為cstf(cs為地基剪切波速)；B類設備的起算點為設備撐腳，計算式為cs(tg+tf)(tg為配重下落時間)；并且基準點到A、B類設備的距離均不宜小于15 m。另外，ISO標準規(guī)定，若不滿足上述最小距離的要求或不能采用隔振手段時，宜選擇不受振動影響的點作為基準點(如基樁)。ASTM標準的規(guī)定與ISO標準的A類設備相似，基準點到試樁的距離不應小于15 m。

試驗開始前應核查記錄樁頂荷載、樁頂位移(標高)等；ISO標準規(guī)定，應記錄樁身附著物的質(zhì)量(其慣性力對結(jié)果有影響)。

按ISO標準，應事先明確試樁容許最大荷載、位移與試驗要求荷載、位移。對于工程樁，除非經(jīng)過各方認可，樁頂位移一般不應超過10%等效樁徑(圓樁為外徑，矩形樁長短邊之比小于1.5時取等面積圓的直徑)。

8 試驗安全

ASTM標準規(guī)定，除了應遵循常規(guī)安全條款外，若A類設備所用燃料被劃歸為爆炸物，則應接受相關(guān)部門的監(jiān)管。

試驗前人員應撤離至安全區(qū)域。ASTM標準規(guī)定的A類設備清場半徑為20 m，B類為5 m；ISO標準則統(tǒng)一為2倍試驗設備高度(自地面起算)。

9 現(xiàn)場檢測

試驗過程中記錄各項數(shù)據(jù)，至少應包含樁頂荷載-時間、樁頂位移-時間、樁頂加速度-時間3項內(nèi)容；試驗結(jié)束后檢查荷載或位移是否滿足要求，如不滿足則再次測試。

10 檢測數(shù)據(jù)分析與判定

疾速載荷試驗的測試結(jié)果，可以通過一定方法轉(zhuǎn)換得出等效靜載試驗結(jié)果(如樁頂荷載-位移曲線)，進而判斷軸向抗壓承載力。

目前，最為基礎的分析方法為卸載點法(UPM，Unloading Point Method)，此法已納入ISO標準附錄(其性質(zhì)為informative，非強制，可供參考)。

對于砂土、碎石土、粉土中的試樁及嵌巖樁，UMP法均可獲得較理想的結(jié)果；對于黏性土中的試樁，采用SHM法(Sheffield Method)的準確度可能會更高。

為了進一步提高既有方法的分析精度，以及針對持荷時間不滿足要求的長樁、受加載速率影響較大的黏性土中試樁等情況，先后發(fā)展出了MUP(Modified Unloading Point)、Fully Mobilized UPM、SUP(Segmental Unloading Point)、SD(Structural Damping)、AMT(Automatic Matching Technique)、Brown Method、Schmuker Method等方法。

按ISO標準，當荷載-沉降曲線為陡降型時，取其拐點為極限承載力；緩變型取樁頂沉降對應10%樁底直徑的荷載為極限承載力。

ASTM標準并不涉及詳細的數(shù)據(jù)分析與結(jié)果判定，僅給出了若干說明，如：當進行極限承載力測試(加載至巖土破壞)時，宜確保樁頂產(chǎn)生顯著的殘余沉降量；通常需要引入折減系數(shù)來考慮加載速率對承載力的影響，黏性土中試樁的折減程度會更高些等。

11 結(jié)論

疾速載荷試驗是一種介于靜載與動測之間的單樁軸向抗壓承載力檢測技術(shù)。

(1)疾速載荷試驗利用比靜載試驗低一個數(shù)量級的配重，在100 ms級的時間內(nèi)產(chǎn)生接近或超過靜載水平的荷載，將試樁整體壓入地基，再通過一定方法轉(zhuǎn)換得出等效靜載試驗結(jié)果(如樁頂荷載-位移曲線)，進而判斷單樁軸向抗壓承載力。

(2)回顧了疾速載荷試驗的發(fā)展歷程，對主要檢測設備類型進行了介紹。

(3)以美國ASTM標準和歐洲ISO標準為基礎，對疾速載荷試驗的適用范圍、荷載特性、加載設備、荷載與位移量測、應變傳感器布設、試驗準備、試驗安全、現(xiàn)場檢測、數(shù)據(jù)分析與判定等內(nèi)容進行了介紹。