基于基樁自平衡法的深基坑地基土承載力檢測方法

劉 黔

（惠州市大禹工程質量檢測中心有限公司，廣東 惠州 516000）

0 引言

目前深基坑地基土承載力的測量方法較多，較為常見的是通過測試地基土內部單樁軸向抗壓能力計算出地基土的承載力[1]。該種方法的可操作性較強，可以在一定程度上滿足對深基坑地基土承載力的檢測需求，但是在某些方面也存在局限。由于單樁所能承受的荷載力具有個體差異，不同材質的單樁其自身的承載力是不同的。因此，當采用不同材質的單樁對同一批深基坑地基土進行檢測時，得到的檢測結果會產(chǎn)生較大的差異，不具備科學性。并且，由于單樁的安全系數(shù)較低，進行檢測時如果荷載力過大，會有樁體崩斷的危險，對操作人員的生命安全產(chǎn)生威脅。單樁表層的樁體承載力在進行振沖處理之前變化較小，檢測出的數(shù)值變化浮動較小，導致最終檢測出的深基坑地基土承載力誤差較大。同時單樁的檢測方法未能充分發(fā)揮樁間土的實際作用，忽略了樁土的應力大小，導致檢測出的數(shù)值低于實際數(shù)值[2]。因此，采用單樁軸向抗壓法對深基坑地基土承載力進行測試得到的檢測數(shù)值誤差較大，檢測結果也不不穩(wěn)定。對此需要開發(fā)新型的檢測方法，旨在提高檢測精度，規(guī)范檢測手段。

1 基于基樁自平衡法的深基坑地基土承載力檢測方法

1.1 基于基樁自平衡法的地基土芯特征值計算

所謂基樁自平衡法，就是通過構建靜載測試裝置，采用多根位移桿固定的方式，測量出地基土的承載能力。采用該方法進行地基土承載力檢測時，由于位移桿分擔了荷載力，不會出現(xiàn)繃斷的情況，操作的安全系數(shù)較高，能夠在提高施工質量的同時有效保障操作人員的安全，是集安全性與可操作性為一體的科學檢測方法[3]。不同于傳統(tǒng)方法通過借助外部反力實現(xiàn)承載力檢測，基樁平衡靜載檢測方法的原理是在深基坑施工之前將特制的裝載箱安裝在鋼筋籠內部，并確定好對基樁的平衡點的波動范圍，再進行混凝土的澆筑。待混凝土內部水分完全干透，其土體強度滿足施工需求時，即可通過對油管施加外部壓力，進而使樁體內部產(chǎn)生壓力。使用位移桿以及傳感器對樁體的位移量進行測量與計算，最終得到地基土的承載力。

根據(jù)上述基樁自平衡原理對深基坑地基土承載力進行檢測，需要先對地基土芯進行試樣檢測，得到土層的土性參數(shù)，為此需搖構建試樣檢測裝置，具體步驟如下[4]。

基樁自平衡靜載檢測系統(tǒng)由裝載箱、高壓噴射油罐以及位移桿組成。對測試裝置進行安裝時，需要將裝載箱與鋼筋進行連接，采用厚度較大的護管連接樁頂與鋼筋籠，并將高壓噴射油罐焊接在鋼筋籠兩側的內壁上，具體安裝示意圖如圖1所示。

圖1 基樁平衡靜載測試裝置

在實際施工時需要注意裝載箱應該豎直放在施工場地中央，使位移桿與裝載箱保持垂直狀態(tài)，進行焊接時要將鋼筋籠內外的主筋全部焊接到裝載箱的外壁，以此保證鋼筋籠在起吊時能夠保持穩(wěn)定，不會脫落，同時也能夠保證起吊時鋼筋籠與裝載箱位于相同垂線上，可減少起吊所需要的拉力[5]。同時需要將鋼筋籠焊接在裝載箱的下部，并采用扎綁的方式將二者固定為一個整體，使其受力均勻，且裝載箱的荷載力能夠實現(xiàn)完全的傳導，這樣也能保證鋼筋籠不會因接觸泥漿而使自身硬度受到影響。待混凝土內部完全干透后，即可將焊接完成的裝載箱以及鋼筋籠一同放入樁內，通過地面上的加壓泵對裝載箱進行施壓，采用位移測量計對箱體的位移量進行測量。在混凝土澆筑的過程中，傳統(tǒng)的裝載箱的導流結構會影響混凝土的流通情況，容易在裝載箱上部產(chǎn)生薄弱層，影響最終的澆筑效果。因此，為了提高施工質量，該文選取了導流結構更好的通莫裝載箱，能夠有效提高混凝土與裝載箱上部之間的貼合情況，提高澆筑密度。

將位移計固定在位移桿的上部，每根位移桿均采用4只電子測量計對位移量進行測量，采用萬用表座進行固定，將4只測量計兩兩分組，分別用于測量基樁上部及下部產(chǎn)生的位移量，以減少測量結果的實際誤差。進行檢測時，油泵將液壓油傳送至油管內部，液壓油經(jīng)由油管，最終被傳送到裝載箱中。隨著液壓油的不斷輸送，裝載箱內部的荷載力也不斷增大，進而使其發(fā)生移位。裝載箱的移位使樁體內部產(chǎn)生阻力并發(fā)生位移，通過采用位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對樁體位移量及相關變量進行采集和計算，得到需要的樁體參數(shù)。根據(jù)上述測試裝置測量出土層的加權平均中度以及內摩擦角，計算出土層的特征值，具體計算公式如公式（1）所示。

式中：ε和φ為土層黏聚力以及內摩擦角；ra為基礎地面土層的加權平均重度；d為基樁埋置深度。

按照極限狀態(tài)，可對地基土芯特征值進行求解，具體計算公式如公式（2）所示。

式中：fc為地基土芯的極限承載力；εb為基礎形狀參數(shù)；Nc為承載力系數(shù)。

根據(jù)上述步驟即可計算出地基土芯的特征值，為后續(xù)的深基坑地基土承載力檢測提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 基樁巖土阻力測量

由于在對地基土芯特征值進行測量與計算的過程中會產(chǎn)生對基樁頂部的沖擊脈沖，該沖擊力會影響最終的測量結果，因此需要對基樁頂部的巖土受到的阻力進行測量與計算，進而測算出基樁的承載力[6]。

假設基樁為一維的線性彈力桿，基樁長度為L，樁桿的橫截面積為S，假設基樁頂部受到的阻力分為兩部分，分別是靜態(tài)阻力以及動態(tài)阻力，具體計算公式如公式（3）所示。

假設基樁的彈性模量為E，樁身的密度為ρ，則可計算出樁身內部的應力波傳播速度，具體計算公式如公式（4）所示。

則基樁樁身應力變化的關系表達式如公式（5）所示。

式中：O為基樁樁身發(fā)生的形變程度，代表廣義波阻抗。

將上述公式進行推導，即可得到基樁的一維波動方程，具體表達式如公式（6）所示。

式中：ω為樁底反射對應時間；t為沖擊脈沖的速度；M為基樁巖土受到的阻力。

根據(jù)上述公式即可計算出基樁上部受到的阻力大小[7]。

2 地基土承載力計算

當裝載箱位于基樁底部時，基樁受到的承載力由基樁頂部巖土阻力以及基樁側部的摩擦力組成。單樁豎向的抗壓承載力計算公式如公式（7）所示。

式中：Q為單樁豎向的抗壓承載力；Qa為試驗的加載系數(shù)；Ws為基樁重力；Wp為土層堆載重力；γ為荷載阻力修正系數(shù)，該值根據(jù)土層的具體類型進行選取，碎石土與巖石土一般取0.6~0.8，黏性土質一般取0.5；Qk為基樁頂部的極限承受阻力，具體計算公式如公式（8）所示。

式中：Sp為裝載箱的底部面積；?為基樁的阻力尺寸效應系數(shù)。

?值根據(jù)土層的類型有不同的取值規(guī)則，對土質為黏性土或粉土的，其阻力尺寸效應系數(shù)的具體計算方法如公式（9）所示。

對土質為砂土或碎石類土的阻力尺寸效應系數(shù)計算公式如公式（10）所示。

綜合以上步驟，即可計算出地基土的承載力大小，具體計算公式如公式（11）所示。

通過上述步驟即可計算出深基坑地基土承載力，實現(xiàn)對承載力的檢測[8]。至此，基于基樁自平衡法的深基坑地基土承載力檢測方法設計完成。

3 試驗部分

為證明提出的基于基樁自平衡法的深基坑地基土承載力檢測方法在檢測精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的地基土承載力檢測方法，在理論部分完成設計后，進行試驗驗證環(huán)節(jié)，對該檢測方法的實際檢測效果進行分析。

3.1 試驗準備

該次試驗的試驗對象為廣東地區(qū)的深基坑施工項目。該地區(qū)地勢平坦，以平原為主，主要地貌類型包括侵蝕地貌和堆積地貌。該地區(qū)的氣候屬于熱帶和亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季溫和干燥，常年平均降水量保持在1500mm以上，最高降水量可達2500mm以上。降水年均分配不均，夏季降水較為集中，冬季降水較少，利于深基坑施工工作的開展。由于該地區(qū)河流較多，地下徑流的特征會受降水條件以及地形地貌條件的影響，地表徑流的分布特點與年均降水特點類似，地區(qū)地表徑流年際變化較小，為深基坑施工工作提供了良好的地表環(huán)境。地質結構方面，該地區(qū)的地質構造較為復雜，基巖露出程度較大，巖石厚度分布不均，西南部巖石厚度在350m以上，東北部巖石厚度不足100m，土壤主要由黏性土、砂質土、粉土以及砂礫石組成，土層為軟塑狀態(tài)，含有較高的鈣質結核，土壤水分含量較大，地基土層承載力較高。

該次試驗選取深基坑地基土中安插的5根試驗樁進行測試，檢測樁位由檢測方隨機決定，同時對深基坑地基土周圍應力較為集中的樁點進行測試。用到的試驗設備包括JCQ-364A全自動靜力荷載測試儀、截面面積為2.5m2的圓形承壓板、QW200T油壓千斤頂以及壓重平臺反力裝置。采用提出的三種地基土檢測方法對試驗樁承載力進行測試。先清理試驗樁周圍的浮漿以及木渣，露出表層的混凝土樁面。在樁面上放置圓形承壓板以及應力傳感器。以圓形承壓板為中心，共安裝4塊位移測量計，用于讀取試驗樁的位移數(shù)據(jù)，為檢測方法提供相同的試驗數(shù)據(jù)。為提高試驗結果的準確性，選用逐級增加荷載力的方式，對試驗樁增加不同級別的荷載力，記錄圓形承壓板的沉降情況，每隔半小時記錄一次。當圓形承壓板的沉降程度在0.2mm以下時，即可繼續(xù)增大荷載力，比較試驗樁對荷載力的承載情況。如果出現(xiàn)沉降力急驟增大或減弱的情況，或者圓形承壓板的周圍出現(xiàn)隆起程度較大的腫塊時，須停止增加荷載力，待腫塊消失或沉降力變化浮動趨于穩(wěn)定時方可繼續(xù)試驗。用力敲擊樁頂放置的圓形承壓板，使承壓板產(chǎn)生彈性波，對波形曲線進行觀測，根據(jù)彈性波的變化程度不斷調整測試參數(shù)，直到荷載力的大小能夠有效反映出樁身的承載特性為止。在試驗的過程中需要注意累計沉降量的變化，該值如果超過圓形承壓板寬度的5%以上，說明此刻試驗樁的承載力已經(jīng)達到極限，可記錄最后一次位移數(shù)據(jù)，停止觀測。試驗數(shù)據(jù)提取完成后進行檢查，當總荷載量在實際設計要求的兩倍以上時方可作為有效數(shù)據(jù)進行測試。將采集到的試驗數(shù)據(jù)繪制成荷載力-沉降程度的曲線，為檢測方法提供更直觀的數(shù)據(jù)支持。

3.2 試驗結果

該次試驗選取的評價指標為預測值的相對誤差，通過采用3種地基土承載力的檢測方法對5根試驗樁進行測試，比較實測值與預測值的實際誤差，進而得出地基土承載力的檢測精度，具體試驗結果見表1。其中，傳統(tǒng)檢測方法A和B分別代表基于灰色理論的深基坑地基土承載力檢測方法以及基于單樁軸向抗壓的地基土承載力檢測方法。

表1 檢測精度對比

根據(jù)上述試驗結果可知，采用不同檢測方法對基樁安置情況相同的地基土進行承載力檢測時，其檢測的精度也有所不同。傳統(tǒng)的深基坑地基土檢測方法得到的相對誤差較高，平均誤差在0.6~1.0，說明其檢測能力較差，無法對深基坑地基土進行精準檢測。而該文提出的基于基樁自平衡法的深基坑地基土承載力檢測方法的相對誤差明顯低于兩種傳統(tǒng)的檢測方法，相對誤差均值在0.30左右，說明其檢測能力較高，能夠有效滿足深基坑地基土的檢測需求。

4 結論

該文將提出的深基坑地基土承載力檢測方法與基樁自平衡法進行了有效結合，該方法具備操作簡便、精度較高等優(yōu)點，可用于實際的深基坑地基土承載力的檢測工作。在今后的研究工作中，還需要結合工程實例，對檢測方法帶來的附加成本進行探討，研究出性價比更高、更貼合實際工程的地基土承載力檢測方法。