新型基樁抗拔檢測(cè)反力裝置的設(shè)計(jì)研究

劉強(qiáng)LIU Qiang

（深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定中心，深圳 518000）

0 引言

土地資源日益緊缺是建筑行業(yè)發(fā)展面臨的重大難題，在資源相對(duì)有限的情況下，為滿足居民的住房需求，創(chuàng)造行業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，房屋建筑開(kāi)始朝著高層建筑、超高層建筑方向發(fā)展。建筑體高度不斷增加，建筑規(guī)模、體積不斷增大，基樁工程的施工質(zhì)量也被提出了更高的要求?；鶚兜某休d能力是其施工質(zhì)量的重要評(píng)估指標(biāo)，同時(shí)也是建筑體穩(wěn)定、長(zhǎng)期使用的必要保障[1-2]。在現(xiàn)有的檢測(cè)方法中，基樁工程涉及的檢測(cè)項(xiàng)目眾多，圍繞力學(xué)指標(biāo)的測(cè)定主要有抗拔試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)等，采樣的方法則有鉆孔抽芯取樣等，不同檢測(cè)技術(shù)的原理與內(nèi)容存在一定差異。抗拔試驗(yàn)是單樁承載力檢測(cè)的主要內(nèi)容之一，現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)向其承力部分施加豎向抗拔力來(lái)實(shí)現(xiàn)抗拔能力的測(cè)定，而測(cè)定過(guò)程的關(guān)鍵指標(biāo)是單樁頂部的位移量，通過(guò)相應(yīng)公式的核算，最終確定單樁的實(shí)際荷載能力[3]。反力裝置是抗拔試驗(yàn)常見(jiàn)的設(shè)備之一，現(xiàn)階段市售裝置的檢測(cè)荷載普遍偏低，應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)有限，且使用過(guò)程中尚存成本偏高、安裝步驟繁瑣等問(wèn)題。為克服上述問(wèn)題，本研究擬提出一種新型基樁抗拔檢測(cè)反力裝置，以下對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述。

1 基樁抗拔檢測(cè)的重要意義

基樁抗拔檢測(cè)是檢驗(yàn)基樁承載能力的有效方法，施工結(jié)束后對(duì)基樁進(jìn)行抗拔檢測(cè)具有重要的意義。從既往施工經(jīng)驗(yàn)看，基樁施工質(zhì)量受到多種因素的影響，以保障工程施工質(zhì)量、減少工程事故風(fēng)險(xiǎn)、控制項(xiàng)目建設(shè)成本等為目的，技術(shù)人員對(duì)樁基礎(chǔ)的受力形式以及各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的必要性進(jìn)行了多層次分析。正常情況下，樁基礎(chǔ)主要存在抗壓力（豎向）、抗拔力（豎向）、水平力三種受力形式，根據(jù)樁基礎(chǔ)所處環(huán)境以及建筑結(jié)構(gòu)的不同，樁基礎(chǔ)可能承受其中一種力的作用，或者多種力共同作用。根據(jù)樁基礎(chǔ)受力形式的差異，樁基礎(chǔ)被人為地劃分為多種不同類(lèi)型，例如，以承受抗拔力為主的單樁又被稱為抗拔樁，主要用于水工工程（如地下人防工程）之中。在豎向抗拔力的作用過(guò)程中，單樁承受的荷載會(huì)以摩擦阻力的形式向周?chē)耐寥乐袀鬟f，除方向相反外，其他作用規(guī)律與樁身承受下壓荷載相同。從破壞模式看，在初始階段，淺部土層是提供上拔阻力的重要主體，樁身所受到的拉應(yīng)力主要分布于上半部分；隨上拔荷載的作用，單樁的上拔位移量將逐漸增加，此時(shí)樁身的應(yīng)力開(kāi)始向下擴(kuò)展，樁身所受拉應(yīng)力的分布情況發(fā)生明顯變化；待樁身的上拔位移量超過(guò)某一限定數(shù)值后（一般情況下，樁端位移量的極限值約為6-10mm），樁身所處土層的抗拔阻力達(dá)到極限，抗拔阻力的數(shù)值開(kāi)始顯著下降；在上拔荷載進(jìn)一步增加的情況下，基樁即進(jìn)入破壞模式。基于上述分析，實(shí)際工程項(xiàng)目中，單樁樁身周?chē)耐寥佬再|(zhì)、抗剪強(qiáng)度、側(cè)壓力洗漱、樁身側(cè)表面的粗糙程度、樁周土體的擾動(dòng)等均有可能對(duì)單樁的抗拔能力產(chǎn)生影響，模擬實(shí)際受力環(huán)境，對(duì)基樁的抗拔能力進(jìn)行檢測(cè)，能夠確保技術(shù)人員掌握單樁樁體的豎向抗拔極限承載能力，從而為后續(xù)施工、質(zhì)量驗(yàn)收工作的開(kāi)展提供保障。

2 新型基樁抗拔檢測(cè)反力裝置的基本結(jié)構(gòu)

在抗拔試驗(yàn)中，反力裝置是一種比較常用的儀器，對(duì)檢測(cè)基樁的抗拔能力有重要價(jià)值。目前實(shí)際工程中應(yīng)用反力裝置大多通過(guò)反力樁來(lái)提供支座反力，此種策略下反力樁頂面的平整程度以及裝置自身的強(qiáng)度等會(huì)對(duì)實(shí)際的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響，為保證測(cè)試結(jié)果能夠反映基樁的豎向抗拔極限承載能力，檢測(cè)前需要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)任務(wù)對(duì)反力樁的強(qiáng)度、頂面的平整程度進(jìn)行檢驗(yàn)。參考既往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在反力梁的穩(wěn)定性不符合實(shí)際測(cè)試項(xiàng)目的要求時(shí)，檢測(cè)人員可考慮通過(guò)調(diào)整頂面直徑與反力梁梁寬之間的大小關(guān)系或者適當(dāng)增加鋼板墊塊等方式增強(qiáng)其穩(wěn)定性。一般情況下，構(gòu)建反力架系統(tǒng)檢測(cè)基樁的抗拔能力時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備不低于1.2 倍的安全系數(shù)。除通過(guò)反力樁進(jìn)行測(cè)定外，也可考慮利用天然地基，即由施工現(xiàn)場(chǎng)的地基作為“反力樁”，為樁體提供支座反力。

本研究設(shè)計(jì)裝置考慮利用天然地基提供支座反力，按照該測(cè)試策略的要求，在測(cè)定過(guò)程中需要合理控制支座兩邊的地基強(qiáng)度、接觸面積，保證地基強(qiáng)度水平以及實(shí)際接觸面積等相近。一般情況下，向地基施加的壓應(yīng)力需要警惕沉降不均勻等問(wèn)題，保證支座中心與反力梁支點(diǎn)重心重合。在設(shè)計(jì)加載裝置時(shí)，反力裝置一般采用油壓千斤頂作為加載裝置，千斤頂一般有兩種不同的方式，如圖1 所示。根據(jù)測(cè)試樁體的直徑、設(shè)計(jì)承載力等合理選取千斤頂?shù)牟贾梅绞剑窃O(shè)計(jì)過(guò)程的重要難題。荷載量測(cè)裝置一般指放置于千斤頂上的傳感器或者與千斤頂直接相連的其他儀表，其量測(cè)的主要原理是測(cè)定千斤頂?shù)膶?shí)際油壓，然后結(jié)合相關(guān)曲線、公式進(jìn)行核算，最終確定實(shí)際荷載數(shù)值。

綜合考慮上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)了如圖2 所示的反力裝置，用于測(cè)定基樁的抗拔能力。僅從整體結(jié)構(gòu)與裝置包含的構(gòu)件來(lái)看，本裝置的構(gòu)件與既往裝置相似，主梁（2 根）、反力梁（2 根）、千斤頂（4 個(gè)）、鎖固組件，而其結(jié)構(gòu)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在反力梁、主梁以及千斤頂?shù)牟贾玫确矫妗D2 中，2 根反力梁與2 根主梁分別平行布置，參考現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與既往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)合理控制梁間間距，反力梁置于地基表面，主梁布置于反力梁的上方。完成反力梁與主梁的布置任務(wù)后，即可開(kāi)始安置受檢基樁。為保證抗拔試驗(yàn)環(huán)境與單樁實(shí)際工作環(huán)境的一致性，直接將受檢基樁埋設(shè)于施工場(chǎng)地的地基內(nèi)部，然后將基樁主筋與鎖固組件進(jìn)行連接。從整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，2 根反力梁與2 根主梁形成了穩(wěn)定的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在主梁、反力梁對(duì)應(yīng)的跨接處安裝千斤頂。

圖2 基樁抗拔檢測(cè)反力裝置具體實(shí)施例的平面圖

3 新型基樁抗拔檢測(cè)反力裝置的工作原理

單樁抗拔檢測(cè)的主要目的是用現(xiàn)有的技術(shù)條件模擬基樁工作的實(shí)際條件，通過(guò)測(cè)定其單樁的抗拔承載力來(lái)判斷該基樁是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求。從檢測(cè)過(guò)程的特征與目的來(lái)看，基樁與土之間的相互作用是基樁抗拔檢測(cè)必須慎重考慮的問(wèn)題，通過(guò)恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，對(duì)樁身與圍巖的總抗拔摩擦力極限值進(jìn)行測(cè)定，對(duì)判斷其力學(xué)性能有重要意義。而既往采用的加載反力裝置策略的核心是將單樁的受力鋼筋（主筋）與加載反力裝置進(jìn)行妥善連接，由相應(yīng)施工場(chǎng)地的天然地基參與試驗(yàn)，負(fù)責(zé)提供支墩反力，通過(guò)測(cè)定該狀態(tài)下單樁的上拔位移量，綜合評(píng)定其承載力。本研究設(shè)計(jì)裝置的側(cè)重點(diǎn)是增加其檢測(cè)荷載，簡(jiǎn)化應(yīng)用過(guò)程的安裝步驟與操作。本裝置的工作原理為：千斤頂正常動(dòng)作，主梁和反力梁隨油壓的升高開(kāi)始受力；在千斤頂?shù)牡撞?，反力梁直接將作用力傳至?jiān)硬的地基，或由反力支座完成傳力；在千斤頂?shù)捻敳浚瑔螛妒艿截Q直向上的拔力作用；通過(guò)讀取油壓數(shù)據(jù)，即可了解基樁的承載力，然后與基樁工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，判斷該受檢基樁是否能夠滿足本工程的設(shè)計(jì)要求。按照?qǐng)D1 所示安裝、調(diào)整好裝置之后，即可開(kāi)始進(jìn)行基樁抗拔檢測(cè)。而從現(xiàn)有的技術(shù)條件來(lái)看，獲取數(shù)據(jù)以及根據(jù)數(shù)據(jù)分析基樁荷載能力并無(wú)技術(shù)難題[4]。將本裝置應(yīng)用于基樁抗拔檢測(cè)，具有一定的可行性。

4 新型基樁抗拔檢測(cè)反力裝置的技術(shù)方案

為有效完成基樁抗拔檢測(cè)任務(wù)，簡(jiǎn)化裝置安裝流程，提高裝置的檢測(cè)荷載，本裝置采用了如下技術(shù)方案：

①2 根反力梁之間的間隔形成方形區(qū)域，受檢基樁置于中心，2 根反力梁間距＞4m；

②鎖固組件由多個(gè)鎖板（高強(qiáng)度鋼板）和多個(gè)鎖具構(gòu)成，相鄰鎖板之間預(yù)留間隔空間，以便在安裝基樁時(shí)主筋能夠順利穿過(guò)；

③鎖具由鋼圈和至少兩個(gè)夾片組成，鋼圈呈梯形，主要用于套接主筋，鋼圈內(nèi)部設(shè)有夾片，用于穩(wěn)固主筋；

④考慮到檢測(cè)時(shí)的平衡性，所有千斤頂選擇同一型號(hào)。而從構(gòu)件的布置特點(diǎn)與整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，本裝置共設(shè)計(jì)四臺(tái)千斤頂，呈對(duì)稱布置，該方案增加了傳力的穩(wěn)定性，增大了檢測(cè)荷載。鎖固組件與鎖具的結(jié)果如圖3 所示。在選擇鎖緊方案時(shí)，現(xiàn)有的技術(shù)手段也能夠?qū)⒅鹘铈i緊在主梁上，但其實(shí)際效果不如上述技術(shù)方案③，綜合考慮操作的便捷性、鎖緊的效果等多種因素，最終決定選擇鋼圈和夾片配合的結(jié)構(gòu)來(lái)完成鎖緊。

圖3 新型基樁抗拔檢測(cè)反力裝置鎖固組件示意圖

與現(xiàn)有的檢測(cè)裝置相比，本裝置具有以下特征：

①裝置中有2 根反力梁、2 根主梁，主梁橫跨布置于反力梁之上，梁間采取平行布置策略，根據(jù)基樁的直徑、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等控制間距，主梁、反力梁、千斤頂形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)；

②通過(guò)鎖固組件將基樁的主筋固定在主梁上，千斤頂正常工作后，主梁和反力梁開(kāi)始受力，并分別將力傳遞給受檢基樁、地基，主梁所受拔力是抗拔檢測(cè)的關(guān)鍵；

③參考JGJ 106-2014 的相關(guān)規(guī)定，對(duì)梁間間隔做進(jìn)一步優(yōu)化，重點(diǎn)在于受力和傳力的穩(wěn)定性；

④鋼圈和夾片配合的結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)場(chǎng)安裝、操作方便等優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)前將主筋置于鋼圈之內(nèi)，銅鼓夾片卡進(jìn)行緊固，千斤頂正常工作后，隨油壓的逐步升高，主筋開(kāi)始受到拉力的作用，方向向下，夾片卡在鋼圈與主筋之間，從而達(dá)到鎖緊主筋的作用；

⑤鎖板是鎖固組件的重要組成部分，考慮到增加檢測(cè)荷載這一需求，選用HC420LA 高強(qiáng)度鋼制成的鎖板，然后采取側(cè)立式排布策略，以方便鎖緊主筋，提高支撐強(qiáng)度。

5 新型基樁抗拔檢測(cè)反力裝置的實(shí)施

本裝置的目的之一是提升裝置的性能，在原有裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加千斤頂?shù)臄?shù)量，以對(duì)稱布置的策略與巧妙的結(jié)構(gòu)，保證傳力的穩(wěn)定性，提升檢測(cè)荷載。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本裝置可以達(dá)到2000 噸的荷載。但在具體實(shí)施過(guò)程中，仍然需要根據(jù)基樁抗拔檢測(cè)的實(shí)際需要對(duì)裝置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。以下對(duì)幾種常見(jiàn)情況進(jìn)行分析。

在千斤頂工作過(guò)程中，由于環(huán)境條件的差異，千斤頂有出現(xiàn)傾斜的風(fēng)險(xiǎn)，繼而對(duì)最終的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。從保障檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性出發(fā)，需要在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加第一反力支座和第二反力支座等裝置，提高千斤頂工作時(shí)的穩(wěn)定性。但增加支座也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，即底部的平整性。按照千斤頂工作的基本要求，在作業(yè)過(guò)程中，千斤頂?shù)牡撞坎黄綍?huì)影響反力的大小與方向，繼而影響最終的測(cè)定結(jié)果。第一反力支座和第二反力支座的出現(xiàn)，勢(shì)必會(huì)對(duì)其底部平整性產(chǎn)生干擾作用，而為了抵消這一因素帶來(lái)的影響，支座必須配備水平儀，并由專業(yè)檢測(cè)人員對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)觀察水平儀情況判斷支座是否調(diào)平，以及千斤頂?shù)牡撞渴欠衿秸Ｒ陨蟽H探討了兩個(gè)千斤頂共用一個(gè)反力支座的情形，具體實(shí)例中，反力支座的數(shù)量可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。與共用支座相比，獨(dú)立配置方案更具靈活性，既為檢測(cè)過(guò)程中的便捷移動(dòng)創(chuàng)造了條件，又方便了檢測(cè)人員的操作。

除直接加裝支座、配備水平儀外，在實(shí)際檢測(cè)任務(wù)中，受地基不平等因素的影響，單純依靠調(diào)整位置等測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)調(diào)平，而將支座設(shè)計(jì)成可調(diào)式結(jié)構(gòu)，能夠有效解決此類(lèi)特殊場(chǎng)景的調(diào)平問(wèn)題?？烧{(diào)節(jié)的核心是增加可調(diào)部件，具體措施是在底部四角安裝調(diào)節(jié)螺桿，螺桿通過(guò)螺紋孔與反力支座之間形成有效連接，然后再加裝轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，通過(guò)操作手柄來(lái)調(diào)節(jié)角度，實(shí)現(xiàn)調(diào)平目的。需要注意的是，螺桿的可調(diào)角度與其適用性有著密切關(guān)聯(lián)，根據(jù)抗拔檢測(cè)的需要以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇可調(diào)反力支座，能夠有效提升調(diào)平的效率。不僅如此，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，可調(diào)式反力支座能夠有效擴(kuò)大本裝置的適用場(chǎng)景，滿足不同場(chǎng)景下單樁抗拔檢測(cè)的需求。

6 結(jié)語(yǔ)

基樁抗拔檢測(cè)是施工檢驗(yàn)的重要內(nèi)容，是驗(yàn)證單樁承載能力是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求的必要過(guò)程，對(duì)建筑體的施工質(zhì)量有一定的保障作用。針對(duì)目前市售基樁抗拔檢測(cè)反力裝置存在的檢測(cè)荷載有限、安裝過(guò)程繁瑣等問(wèn)題，以及實(shí)例中基樁抗拔檢測(cè)的實(shí)際需要，本研究提出了一種新型裝置，通過(guò)四臺(tái)千斤頂對(duì)稱布置，增加了裝置的檢測(cè)荷載，反力梁之間間距的合理控制以及結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，形成了相對(duì)穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，增加了傳力的穩(wěn)定性。此外，考慮到檢測(cè)實(shí)例中地基不平等風(fēng)險(xiǎn)，本裝置在應(yīng)用時(shí)可通過(guò)加裝可調(diào)式支座的方式來(lái)穩(wěn)定整個(gè)結(jié)構(gòu)，增加千斤頂工作的穩(wěn)定性。