鐵路站房基樁靜載試驗與高應(yīng)變法的對比應(yīng)用

鄒魁

（湖南中大設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410075）

0.引言

基樁檢測工作中，對于樁基承載力的要求是重中之重[1-3]，目前常用的基樁承載力檢測方法有靜載試驗及高應(yīng)變法。不同的檢測方法具有不同的適用性：靜載試驗的載荷結(jié)果更直觀，試驗數(shù)據(jù)也準(zhǔn)確，是目前獲得樁基承載力的直接方法，但是費時費力。高應(yīng)變法計算簡單，速度快，可提供的參數(shù)多，可進(jìn)行實時分析承載力及樁身完整性判別。

本文介紹了靜載試驗及高應(yīng)變法的檢測原理，并結(jié)合紹興城際鐵路二期工程迪蕩站項目中樁基承載力檢測結(jié)果，對比分析2種檢測方法的異同，有利于提高樁基檢測質(zhì)量的準(zhǔn)確度，并為類似工程提供參考。

1.靜載試驗及高應(yīng)變法檢測原理

1.1 靜載試驗檢測原理

現(xiàn)場進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載荷試驗，是指在樁基上逐級或者循環(huán)施加豎向壓力，觀測樁基或地基基礎(chǔ)頂部隨時間產(chǎn)生的沉降以確定相應(yīng)的樁基豎向抗壓承載力試驗方法[4]，豎向荷載作用下，樁頂荷載由樁側(cè)阻力和樁端阻力承擔(dān)。樁側(cè)阻力的發(fā)揮與相對于樁側(cè)土的樁身位移有關(guān)。樁端阻力的發(fā)揮與樁底持力層有關(guān)。受荷時，樁身上部側(cè)阻力先發(fā)揮，然后是下部側(cè)阻力和端阻力發(fā)揮。側(cè)阻力先達(dá)到極限，端阻力后達(dá)到極限。在達(dá)到極限值后繼續(xù)增加的荷載則全部由樁底持力層承擔(dān)。隨著樁端持力層的壓縮和塑性擠出，樁頂位移增長速度加大，在樁端阻力達(dá)到極限值后位移迅速增大而破壞，此時樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。

單樁豎向抗壓靜載試驗檢測系統(tǒng)主要由加載反力系統(tǒng)、荷載測試系統(tǒng)、位移測試系統(tǒng)、儀器控制采集系統(tǒng)4個部分組成。各組成部分見圖1～圖6。

圖1 千斤頂

圖2 油泵

圖3 反力裝置

圖4 位移計

圖5 壓力傳感器

圖6 測試儀器

1.2 高應(yīng)變法檢測原理

高應(yīng)變法的基本原理[5]是：利用重錘沖擊樁頂，使樁-土產(chǎn)生足夠的相對位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力，通過安裝在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接收樁的應(yīng)力波信號，利用應(yīng)力波理論分析處理力和速度時程曲線判定樁的承載力和評價樁身質(zhì)量完整性?，F(xiàn)場工作示意圖如圖7～圖9所示。

圖7 高應(yīng)變法現(xiàn)場試驗

圖8 位移計及應(yīng)變環(huán)

圖9 高應(yīng)變現(xiàn)場測試示意圖

2.靜載試驗及高應(yīng)變法適用范圍及存在的問題

2.1 靜載試驗適用范圍及存在的問題

以單樁豎向抗壓靜載荷試驗為例。該試驗前期準(zhǔn)備工作中，需要進(jìn)行反力裝置的堆載，一般反力裝置選擇混凝土試塊。但當(dāng)混凝土試塊放在壓重平臺上時，由于混凝土材料性能和堆載場地的影響，其重心往往不穩(wěn)定，容易造成堆載偏載，進(jìn)而影響試驗數(shù)據(jù)。且其加載試驗通常采用慢速加載法周期長，若試驗過程中出現(xiàn)樁周土體下沉的情況，往往會造成千斤頂超載或反力裝置重心不穩(wěn)，進(jìn)而影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 高應(yīng)變法適用范圍及存在的問題

高應(yīng)變法目前主要是Case法和波動方程擬合法判定樁承載力。

Case法有一定的局限性，即：（1）假設(shè)條件苛刻且樁土模型理想化，與工程樁實際差別較大，計算結(jié)果的可靠性降低。（2）Case法阻尼系數(shù)Jc為地區(qū)性經(jīng)驗系數(shù)，物理意義不明確，取值的人為因素較多，需要通過動、靜對比試驗來確定。（3）樁身阻抗有較大變化時，Case法無法考慮，嚴(yán)重影響計算結(jié)果。（4）Case法不能將樁側(cè)摩阻力與樁端承力分開，且不能得到樁側(cè)摩阻力分布。因而，高應(yīng)變Case法適用條件為：（1）只限于中、小直徑樁。（2）樁身材質(zhì)、截面應(yīng)基本均勻。（3）阻尼系數(shù)Jc宜根據(jù)同條件下靜載試驗結(jié)果校核，或應(yīng)在已取得相近條件下可靠性對比資料后采用實測曲線擬合法確定Jc值。（4）在同一場地、地質(zhì)條件相近和樁型及其截面積相同情況下，Jc值的極差不宜大于平均值的30%。且當(dāng)樁身結(jié)構(gòu)破壞，檢測樁基為嵌巖樁時高應(yīng)變法不適用于檢測其承載力，且要忽略時間效應(yīng)、土的蠕變、砂土的液化過程對樁基承載力的影響。

波動方程擬合法，即通過使重錘從一定的高度沖擊樁頂，從而產(chǎn)生沿樁身向下傳播的應(yīng)力波，且樁、土產(chǎn)生相對位移。通過安裝在樁身的加速度計和應(yīng)變計，采集檢測截面的Fm（t）及V（t）曲線，進(jìn)而建立樁、土模型，通過擬合即可得到單樁承載力。但該方法需要得到前期準(zhǔn)確的地勘資料，且對安裝的傳感器精度要求較高，需要準(zhǔn)確采集到樁、土阻抗信息。

因此，其承載力精度較靜載試驗偏低。但高應(yīng)變法測試時間較短，且測試速度快，應(yīng)用應(yīng)力波理論分析處理力和速度時程曲線判定承載力和評價樁身完整性，可與靜載試驗結(jié)果相佐證。

3.工程實例分析

紹興城際鐵路二期工程迪蕩站項目中，地道主體結(jié)構(gòu)基底采用高壓旋噴樁加固。開展了現(xiàn)場試驗，對同一根樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載荷試驗與高應(yīng)變法檢測。樁P3-3設(shè)計樁長37.5m，設(shè)計樁徑0.6m，混凝土強度等級為C35，樁基承載力特征值為1000kN。

3.1 靜載試驗及結(jié)果

根據(jù)樁P3-3的單樁豎向抗壓靜載試驗Q-S曲線圖可知，在最大加載量2000kN時，該樁的樁頂最大沉降量為9.24mm，Q-S曲線呈緩變型；卸載完全完成時，最大回彈量為2.22mm，回彈率為24.03%。依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）可知，判定該試驗點單樁承載力特征值為1000kN，滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)場試驗曲線圖如圖10和圖11所示。

圖10 Q-S曲線

圖11 s-lgt曲線

3.2 高應(yīng)變法及結(jié)果

打開擬合軟件，通過鼠標(biāo)將豎線分別置于樁頭和樁底，右鍵確定樁頭和樁底位置，人工計算現(xiàn)場參數(shù)的樁周長，并按照地勘資料信息分別輸入樁側(cè)土阻力和樁端土阻力參數(shù)，然后自動擬合，得到擬合的承載力結(jié)果，檢測結(jié)果見圖12～圖15。

從分析結(jié)果可以看出，高應(yīng)變法檢測時，單樁最大沉降量為9.86mm，最大回彈量2.46mm，回彈率24.95%，樁身計算總阻力為2188kN，且根據(jù)圖12～圖15可看出，樁身完整性較好。依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）可知，判定該試驗點單樁承載力特征值為1000kN，樁身完整，滿足設(shè)計要求。

圖12 實測力及實測速度曲線

圖13 實測速度及計算速度曲線

圖14 模擬Q-S曲線

圖15 摩阻力分布及荷載傳遞曲線

3.3 結(jié)果分析

通過對比分析靜載試驗法和高應(yīng)變法的分析結(jié)果可知：

（1）發(fā)現(xiàn)樁P3-3樁基單樁豎向承載力滿足設(shè)計要求，樁身完整。

（2）單樁豎向承載力值，相較于靜載試驗法，高應(yīng)變法所測結(jié)果較高，為使檢測結(jié)果偏保守，可優(yōu)先參考靜載試驗法檢測結(jié)果。

（3）高應(yīng)變法還能較好地分析樁身完整性。

4.結(jié)論

靜載試驗和高應(yīng)變法均能較好地測出樁身承載力。相較于高應(yīng)變法，靜載試驗的載荷結(jié)果更直觀，相較于靜載試驗，高應(yīng)變法還能進(jìn)一步判別樁基的完整性。實際工程中，可根據(jù)檢測要求合理選用測試方法，對比分析結(jié)果，提高檢測結(jié)果準(zhǔn)確度。