秦望廣場地下綜合體樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)

吳曉雷

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南250002）

1 引言

堆載法和錨樁法是較為常用的樁基檢測方法，但是，堆載法具有樁頂上部堆載物過重的缺點；錨樁法具有檢測效率低、危險性大等缺點，且這2種檢測結(jié)果均具有不準確性。而樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)可以突破這2種方法的限制，簡化檢測操作過程，因此，在樁基工程中應(yīng)用較為廣泛。

2 工程概況

秦望廣場地下綜合體為地下2層結(jié)構(gòu)，總建筑面積約219 300 m2。地下1層規(guī)劃有公交首末車站、出租車車站、停車庫及商業(yè)開發(fā)區(qū)；地下2層為停車庫、地鐵站廳層。地下綜合體采用柱下鉆孔灌注樁+承臺基礎(chǔ)。該工程樁基主要有3種：立柱樁、抗拔樁、承載樁。鉆孔樁主要采用樁徑為1 200 mm、1 000 mm、800 mm的樁基。該工程鉆孔樁屬于超深樁基，穿越的地層復(fù)雜，易出現(xiàn)塌方、縮徑等問題，且施工效率低，進度緩慢，從而導(dǎo)致孔壁穩(wěn)定性差等一系列問題。秦望廣場A1區(qū)域中，筆者所在單位施工范圍內(nèi)存在工程樁185根，樁徑有800 mm、1 000 mm 2種，樁基長度有37.5 m、38.5 m、39.5 m、40.5 m、41.5 m、41 m 6種，入巖深度有1 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m 4種，持力層為12 3中風化石英閃長巖；存在4根試樁，其中，抗拔樁2根、承壓樁2根，樁徑有800 mm、1 000 mm 2種，試樁長度有48.05 m、50.05 m 2種，入巖深度有1 m、2.5 m 2種。

在該工程中，無法應(yīng)用傳統(tǒng)錨樁法以及堆載法對樁基承載力進行檢測，因此，應(yīng)用樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)對其進行檢測。

3 樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)概述

3.1 樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)堆載法及錨樁法不同，自平衡試驗檢測技術(shù)是指在施工過程中按照樁承載力的參數(shù)要求定型制作荷載箱，并將荷載箱放置在樁身底部，在樁頂部連接施壓油管以及位移測量裝置，待混凝土養(yǎng)護達到標準齡期后，通過頂部高壓油泵給底部荷載箱施壓，從而得出樁端承載力及樁側(cè)總摩阻力。相比傳統(tǒng)樁基承載力試驗檢測技術(shù)，自平衡試驗檢測技術(shù)優(yōu)勢較多，例如，無須安裝反力裝置系統(tǒng)，可降低試驗成本；操作較為簡單，不需要大型設(shè)備，可以減輕技術(shù)人員工作壓力；此外，自平衡試驗法受場地限制較小，可以承受較大的噸位，經(jīng)濟性能較好，所以，需積極推廣自平衡試驗檢測技術(shù)。

3.2 樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)的影響因素

自平衡試驗檢測技術(shù)優(yōu)勢較多，但也會受到諸多因素的影響，例如，樁基檢測專項方案、荷載箱的制作與安裝質(zhì)量、測樁時間與測樁條件等。如果對這些影響因素的重視程度不夠，將會影響自平衡試驗檢測技術(shù)的應(yīng)用效果。為此，在應(yīng)用自平衡試驗檢測技術(shù)檢測樁基承載力之前，需要認真研究樁基檢測專項方案，確保方案中的樁位、樁徑以及承載力特征值與設(shè)計樁基相符；嚴格控制荷載箱制作與安裝質(zhì)量，確保荷載箱的外形尺寸與被測樁基的鋼筋籠內(nèi)徑尺寸相符，保障安裝質(zhì)量符合要求；科學選擇測樁時間與條件，一般情況下，澆筑約15 d后，若樁身混凝土強度達到了設(shè)計強度的85%以上，就可以進行檢測，檢測前，需要利用超聲波法或小應(yīng)變法檢測樁身完整性，判斷樁身是否存在斷樁、縮頸等問題。

4 試樁有限元模擬分析

4.1 構(gòu)建模型

作為大型有限元軟件，ABAQUS可有效解決非線性問題，在工程中應(yīng)用范圍較為廣泛。為此，為了模擬自平衡試樁過程、分析單樁在豎向荷載作用下的受力性狀，可以利用ABAQUS軟件進行模擬，有限元計算模型如圖1所示[1]。

圖1 有限元計算模型

為了模擬工程情況，可以利用Mohr-Coulomb模型模擬內(nèi)摩擦角≥22°的土層，利用Drucker-Prager模型模擬內(nèi)摩擦角＜22°的土層。土體寬度取樁徑的40倍，即32 m。之后，利用線彈性模型模擬狀體，利用ABAQUS基于允許彈性滑動的接觸算法模擬樁土界面模型。

施工前，樁基周邊土體在自重的影響下會產(chǎn)生變形等問題。但是，樁土之間由自重產(chǎn)生的側(cè)壓力與摩擦作用有直接聯(lián)系，所以，可以利用初始應(yīng)力平衡方式在模型中增加自重效應(yīng)，從而消除由自重產(chǎn)生的土體位移情況。

4.2 選擇參數(shù)

樁體彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.2。為了降低計算難度，假設(shè)各個土層的泊松比都是0.35，所以，泊松比的轉(zhuǎn)化系數(shù)就是0.62[2]。樁土界面之間的摩擦角會影響到摩擦樁的承載特性，對于黏性土，需要將其摩擦角設(shè)置為0.6°。

4.3 結(jié)果分析

在自平衡試驗加載過程中，樁的上段樁體與下段樁體都保持獨立，但在樁體與樁周土的相互作用以及樁周土的側(cè)摩阻力作用的影響下，上段樁體與下段樁體之間會相互影響。為了檢測上段樁體與下段樁體是否相互影響，需要利用自平衡試驗檢測技術(shù)在3種加載模式下通過樁體位移情況明確其是否相互影響。第一種加載模式為自平衡受力模式；第二種加載模式為上樁段樁底受向上的托樁力模式；第三種加載模式為下樁段樁頂受向下的壓樁力[3]模式。最終發(fā)現(xiàn)，在相同荷載、不同加載模式下，同一個位置產(chǎn)生的位移不同，這就說明上樁段與下樁段之間會相互影響、相互作用。

5 現(xiàn)場試樁

5.1 測試系統(tǒng)

需要在鋼筋籠下部焊接荷載箱，在荷載箱底部與頂部設(shè)置2根位移桿，并設(shè)置位移桿保護管，在設(shè)置位移桿保護管時，需要像高壓油管一樣沿著鋼筋籠引出地面。在試驗檢測過程中，需要在地面利用液壓泵為荷載箱施壓，使活塞頂開荷載箱頂蓋與底蓋，這時就可以通過位移桿頂端的百分表確定其位移量[4]。再根據(jù)工程勘察報告提供的地質(zhì)資料，在土層分界面設(shè)置混凝土應(yīng)變計與振弦式鋼筋計，可以將混凝土應(yīng)變計與振弦式鋼筋計換算為樁身軸力，繼而相互調(diào)整。同時，應(yīng)在樁端對稱設(shè)置2個土壓力盒，測定樁端應(yīng)力。SZ1樁儀器布置情況如圖2所示，SZ2與SZ3樁儀器的布置原則與其相同。

圖2 SZ1樁儀器布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，需要采用慢速維持加載法，利用油泵對荷載箱進行加壓，促使荷載箱頂蓋與底蓋發(fā)生位移。

5.2 荷載-位移特性分析

在試驗過程中，試驗樁采用的是慢速維持加載法，第一級荷載是1 540 kN，之后每一級荷載都比上一級荷載多770 kN。當荷載達到8 470 kN時，荷載箱位移量以及樁頂位移量都比上一級荷載作用下的位移量多5倍，這時，需要停止加載，之后再逐級卸載，分級卸載量為1 540 kN。試驗樁的Q-s（荷載-位移）曲線如圖3所示。

圖3 SZ1、SZ2、SZ3的Q-s曲線

從圖3可以看出，3根試驗樁的曲線形態(tài)相似，沉降量也沒有較大差別。同時，3根試驗樁的上樁段位移與下樁段位移都呈漸進式發(fā)展趨勢，當荷載最大時，沒有被破壞。當卸載后，SZ1樁的上樁段位移回彈率為74.4%，下樁段位移回彈率為68.1%；SZ2樁的上樁段位移回彈率為72.7%，下樁段位移回彈率為68.2%；SZ3樁的上樁段位移回彈率為70.9%，下樁段位移回彈率為74.1%。這些情況都說明，3根樁的上樁段與下樁段都沒有進入塑性破壞階段，即承載力未全部發(fā)揮。

5.3 樁身軸力特性分析

在各級荷載作用影響下，樁身軸力F隨著深度H的分布如圖4所示。從圖4可以看出，3根試驗樁軸力分布十分相似。即在自平衡試驗檢測過程中，樁身軸力會從荷載箱的位置同時向上、向下傳遞。其中，上樁段減小的軸力主要是由樁自重以及樁與土的側(cè)摩阻力共同承擔，但下樁段減小的軸力只有樁與土的側(cè)摩阻力承擔。并且上樁段曲線斜率會自上而下不斷增大，這是因為在這一方向上樁段軸力會受到自重與樁側(cè)摩阻力的影響而不斷增大。在自平衡試驗檢測過程中，樁頂不受力，所以，樁頂軸力一直都是0 kN。

圖4 SZ1、SZ2、SZ3在各級荷載作用下的樁身軸力分布

5.4 樁側(cè)摩阻力特性分析

在各級荷載作用影響下，3根試驗樁的平均樁側(cè)摩阻力f如圖5所示。

從圖5可以看出，這3根樁的平均樁側(cè)摩阻力都呈現(xiàn)弓形，主要是因為應(yīng)用了樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)。荷載箱附近樁土存在較大相對位移，樁側(cè)摩阻力達到了峰值，這就說明荷載箱附近土層摩阻力大于荷載箱土層摩阻力，而樁頂與樁端位置縱向荷載降低，樁側(cè)摩阻力相對較小。

圖5 SZ1、SZ2、SZ3在各級荷載的平均樁側(cè)摩阻力

土的特性會影響樁側(cè)摩阻力發(fā)揮。3根試驗樁的平均樁側(cè)摩阻力在樁身附近10 m位置處存在縮減情況，而這一位置屬于粉土層，與黏土層相比，粉土層的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮對樁土相對位移要求較高，且其極限值相對較小。

此外，在7 700 kN荷載影響下，3根試驗樁的平均樁側(cè)摩阻力都在不斷增長，說明還沒有達到其極限值。

通過現(xiàn)場試樁，分析了樁的Q-s特性、樁身軸力特性以及樁側(cè)摩阻力特性，明確了樁荷載的傳遞特性。從這些特性分析結(jié)果來看，樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)可以滿足樁承載力需求，與利用ABAQUS軟件得到的分析結(jié)果相同。

6 結(jié)語

通過試驗發(fā)現(xiàn)，該工程中上樁段與下樁段位移會互相影響，但不會有較大影響，利用樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)可以滿足工程精度需求，因此，應(yīng)積極應(yīng)用樁基承載力自平衡試驗檢測技術(shù)對樁基工程進行檢測。