聶樹(shù)昱
(昆明市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理總站,云南 昆明 650000)
自平衡法靜載試驗(yàn)是一種適用于多種地質(zhì)條件下的鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、管樁的樁基單樁豎向抗壓能力試驗(yàn)方法,該種試驗(yàn)方法具有經(jīng)濟(jì)安全等諸多優(yōu)質(zhì)特點(diǎn),因此在各種類型的建設(shè)項(xiàng)目中得到普遍應(yīng)用,隨著各種建設(shè)項(xiàng)目工程規(guī)模的不斷增大,樁基工程施工質(zhì)量的重要性越來(lái)越突出,這就要求相關(guān)人員合理分析自平衡測(cè)試方法的原理和特點(diǎn)以及具體試驗(yàn)過(guò)程中的加卸載步驟與數(shù)據(jù)分析,以便為自平衡法靜載在樁基檢測(cè)中的合理應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
自平衡測(cè)試及核心原理是通過(guò)試樁其自身所攜帶的反應(yīng)平衡特性,通過(guò)在試樁端頭附近設(shè)置相應(yīng)的載荷箱來(lái)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域所產(chǎn)生的相反方向的載荷數(shù)據(jù)。在進(jìn)行該測(cè)試的過(guò)程中可以通過(guò)來(lái)自載荷相對(duì)上端樁身所產(chǎn)生的抬高作用使得裝測(cè)摩阻力逐漸升高至極限狀態(tài),同時(shí)載荷箱還能夠在相反的方向?qū)ο聵懂a(chǎn)生的下沉作用力所導(dǎo)致的裝側(cè)阻力和樁端阻力逐漸達(dá)到極限狀態(tài)。具體的試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)利用高壓油泵所產(chǎn)生的油壓進(jìn)行載荷增加流程,使得載荷箱能夠產(chǎn)生上下兩種不同的變位效應(yīng),這種效應(yīng)所產(chǎn)生的上下兩種推力實(shí)現(xiàn)了樁周土層的側(cè)阻力和樁端的樁阻力逐漸產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)這種應(yīng)力逐漸增加的過(guò)程中,試樁所承受的外力逐漸達(dá)到極致最終遭到破壞,通過(guò)在這個(gè)過(guò)程中所產(chǎn)生的側(cè)阻力以及側(cè)摩阻力,樁端的端阻力進(jìn)行有效的計(jì)算,便能夠獲得最終的樁有效承載極限數(shù)值。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)樁體極限承載數(shù)值的精確性需,要通過(guò)數(shù)值換算的方法來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,該方法獲得的最終數(shù)值能夠有效的幫助工程獲得較好的效果以及要求。
自平衡試驗(yàn)過(guò)程需要利用液壓千斤頂,這種千斤頂經(jīng)過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的改造也就是本文前段提到的載荷箱,這種載荷箱在使用的過(guò)程中通常具備一次性使用特點(diǎn),也有某些載荷箱在經(jīng)過(guò)特殊改造后能夠?qū)崿F(xiàn)多次利用。這種重復(fù)利用的載荷箱通常應(yīng)用在預(yù)制樁中。在完成載荷箱的平衡點(diǎn)設(shè)置之后,便可以將載荷箱進(jìn)行放置。利用高壓油泵對(duì)載荷箱施加外力,載荷箱便能夠產(chǎn)生上下兩種不同方向的應(yīng)力,這種應(yīng)力向上產(chǎn)生了一種推力,向下產(chǎn)生了壓力。樁體和土體出現(xiàn)了不同方向的阻力,直到該阻力值達(dá)到極限最終遭到破壞。載荷箱其本身是一種較為簡(jiǎn)單的設(shè)備類型,針對(duì)工程中的測(cè)試流程應(yīng)用較為簡(jiǎn)單,能夠有效的對(duì)不同的樁體進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)備如圖1。
圖1 測(cè)試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖
自平衡試驗(yàn)對(duì)樁體產(chǎn)生的測(cè)試流程能夠生成針對(duì)不同樁體的測(cè)試數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)測(cè)試后獲得的數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行分析和處理,最終獲得與上段樁和下段樁的不同數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)生成的曲線能夠有效地對(duì)樁體所能夠承受的摩阻力,承載力,抗拔力,極限承載力,塑性變形等多種不同角度的數(shù)據(jù)給出測(cè)試結(jié)果。
地質(zhì)土層所具備的泊松效應(yīng)能夠有效導(dǎo)致抗拔樁在受力時(shí)樁身發(fā)生變細(xì)的情況,同時(shí)樁周圍的土層變得松弛,導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力出現(xiàn)降低的情況,此時(shí)樁體受到頂部產(chǎn)生的外力使得樁身逐漸變粗,周圍土體則受到這種變化的影響導(dǎo)致密實(shí)度增加,從而使得樁側(cè)摩阻力也得到相應(yīng)的增長(zhǎng)。自平衡測(cè)試法的核心原理是上段樁受到上拔力,下段受到壓力,因此在具體的應(yīng)用過(guò)程中,會(huì)導(dǎo)致土體松弛以及側(cè)摩阻力的相應(yīng)降低。受到樁體運(yùn)動(dòng)方向的差異影響,樁周邊的土層也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。
以往進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)時(shí),樁身受到的外力主要來(lái)自頂部,這種來(lái)自頂部的外力會(huì)使得樁身向下移動(dòng),移動(dòng)的過(guò)程中還會(huì)帶動(dòng)周邊的土體出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象,這種下沉現(xiàn)象使得土體出現(xiàn)了密實(shí)度增加的變化。當(dāng)樁周土體密實(shí)度逐漸增加,其側(cè)摩阻力也會(huì)逐漸增加,使得摩阻力得到了有效增強(qiáng)。而采用自平衡方法獲得的平衡點(diǎn)上方的樁體與傳統(tǒng)的單樁豎向產(chǎn)生的結(jié)果剛好相反,這說(shuō)明了其總體摩阻力出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)。除此之外,傳統(tǒng)單樁豎向?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中,樁頂受到來(lái)自向上的拔力使得樁周邊土體出現(xiàn)縱向向上的位移,當(dāng)土體逐漸上行,使得土體呈現(xiàn)出向上隆起的姿態(tài),隨著這種姿態(tài)的逐漸變化出現(xiàn)了明顯的膨脹現(xiàn)象。然而在自平衡測(cè)試過(guò)程,當(dāng)土體和樁身同時(shí)出現(xiàn)位移時(shí),平衡點(diǎn)位置的上下樁周邊土體會(huì)呈現(xiàn)出逐漸松散的趨勢(shì),這使得平衡點(diǎn)周邊的摩阻力出現(xiàn)了降低的趨勢(shì),隨著載荷的不斷加強(qiáng),這種摩阻力的變化趨勢(shì)更加明顯了。
傳統(tǒng)載荷測(cè)試所使用的單樁豎向載荷試驗(yàn)中,樁頂?shù)妮d荷力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),早期載荷力較小的狀態(tài)下,樁身所受到的外部影響使得樁身受到了來(lái)自上方的壓力,此時(shí)試驗(yàn)樁主要受到來(lái)自外力所產(chǎn)生的壓縮作用出現(xiàn)了明顯的變形,隨著來(lái)自上部的載荷水平逐漸升高,樁周圍土體的側(cè)摩阻力逐漸增強(qiáng),樁周邊的土層受到的主要外力影響來(lái)自剪應(yīng)力,這種應(yīng)力在傳遞的過(guò)程中會(huì)隨著樁的垂直方向逐漸降低。如果此時(shí)繼續(xù)增加外部載荷,則樁身會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的位移,隨著這種位移的進(jìn)一步增加,樁身所承受的側(cè)摩阻力逐漸升高,直至這種摩阻力達(dá)到了極限。此時(shí)樁端承受了全部載荷,這種載荷的不斷增強(qiáng)使得樁端的持力層受到了明顯的壓縮作用,最終導(dǎo)致了塑性變形的發(fā)生。此時(shí)樁體的位移也逐漸增強(qiáng)。因?yàn)闃妒艿降奈灰浦饾u增加,最終超過(guò)了固定標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)位移超出了工程應(yīng)有的水平,最終到達(dá)某值后,直至完成靜載試驗(yàn)流程。
自平衡法靜載原理:采用自平衡閥進(jìn)行靜載試驗(yàn)的核心設(shè)備為荷載箱,通過(guò)將其與鋼筋籠進(jìn)行有效連線,同時(shí)將高壓油管與載荷箱進(jìn)行連接,并將位移棒與地面進(jìn)行連接,載荷箱由千斤頂進(jìn)行并聯(lián)形成有效的載荷系統(tǒng),載荷箱能夠同時(shí)保證樁身兩端收到均勻平等的受力水平。其中所包含的千斤頂與上下鋼板進(jìn)行有效連接。同時(shí)使用高壓油泵來(lái)為千斤頂進(jìn)行充油,位移棒的具體作用是對(duì)載荷箱產(chǎn)生受力后出現(xiàn)的位移進(jìn)行有效測(cè)量,通過(guò)對(duì)載荷向上下部所能夠提供的承載能力來(lái)確定樁的極限承載力。
試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備如下:測(cè)試中所需要的各類儀器設(shè)備包含高壓油泵,載荷箱,數(shù)據(jù)接收設(shè)備以及油壓傳感器等多種不同類型的設(shè)備。
在進(jìn)行加載設(shè)備的過(guò)程中,通常采用圓形載荷箱來(lái)對(duì)應(yīng)至每一個(gè)不同的試樁,在確定載荷箱加載的數(shù)值時(shí),需要相關(guān)計(jì)量部門進(jìn)行最終的確定,載荷箱的設(shè)置方式通常要與測(cè)試樁的端阻力和側(cè)阻力所形成的平衡點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置,這能夠有效的保證載荷箱上下端所產(chǎn)生的應(yīng)力得到有效的同步。其次是高壓油泵的設(shè)置,例如高壓油泵加壓精度為0.2Mpa,加壓值為65Mpa,同時(shí)還需要設(shè)置相應(yīng)的油壓傳感器精度。同樣壓力表和油壓傳感器的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該通過(guò)相關(guān)計(jì)量部門進(jìn)行檢定。
在進(jìn)行基準(zhǔn)箱鋼梁設(shè)置的過(guò)程中需要通過(guò)腳手架作為工作面來(lái)幫助完成搭建過(guò)程,基準(zhǔn)箱鋼梁跨度為9m,并保證將其安裝在測(cè)試中可能受到的影響范圍之外,使得基準(zhǔn)鋼梁能夠幫助完成磁性表座的搭建和設(shè)置功能。測(cè)試過(guò)程中所選擇合適量程的位移傳感器,每一個(gè)測(cè)試樁所使用的傳感器為5支,并通過(guò)磁性表座將這些傳感器固定在基準(zhǔn)鋼梁中,其中兩個(gè)測(cè)試傳感器用來(lái)測(cè)試測(cè)試樁的向下位移情況,剩下的傳感器用來(lái)測(cè)試測(cè)試樁向上位移的情況。
1)進(jìn)行加壓卸載過(guò)程中要設(shè)定相應(yīng)的分級(jí)水平,同時(shí)需要依據(jù)單樁承載力特征值與最大加載量相同的方法來(lái)進(jìn)行最大加載量的計(jì)算,通常所設(shè)定的最大加載量的1/10為分級(jí)載荷數(shù)值。同時(shí)在進(jìn)行第1級(jí)加載時(shí)依照2倍分級(jí)載荷進(jìn)行加載,同時(shí)卸載分級(jí)設(shè)定為加載式分級(jí)載荷的2倍水平。
2)觀測(cè)流程:觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)依據(jù)不同級(jí)別的載荷加載過(guò)程,并按照不同的時(shí)間周期和間隔來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,完成一級(jí)載荷測(cè)試觀測(cè)之后才能夠開(kāi)展下一級(jí)觀測(cè)活動(dòng)。觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)基樁沉降的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效的規(guī)定,通常樁頂沉降量的最大值不應(yīng)當(dāng)超出0.1mm,觀測(cè)周期為小時(shí)單位,在完成分級(jí)載荷加載30min后,可以通過(guò)每1.5h進(jìn)行3次觀測(cè)頻率來(lái)計(jì)算沉降值,在進(jìn)行下一載荷的應(yīng)用之前首先應(yīng)當(dāng)保證樁頂沉降速率處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果在加載的過(guò)程中出現(xiàn)了極限載荷,即前一級(jí)載荷向下的位移量超過(guò)了基樁位移量的5倍,或者集中的位移量是前一級(jí)載荷向下位移量的兩倍,則屬于極限載荷需要停止進(jìn)行載荷的增加。
最后在對(duì)載荷進(jìn)行卸壓時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)每個(gè)級(jí)別的恒定周期為1h,同時(shí)依照不同的時(shí)間周期來(lái)對(duì)樁頂沉降量進(jìn)行測(cè)量,完成不同周期的測(cè)量流程之后才能進(jìn)行下一級(jí)載荷的卸壓過(guò)程,當(dāng)載荷為零時(shí),才能夠?qū)俄攨⑴c沉降情況進(jìn)行測(cè)量,并設(shè)定相應(yīng)的15min,30min時(shí)間的測(cè)量周期,并在之后保證每30min測(cè)量1次。
針對(duì)樁的靜載試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,并繪制相應(yīng)的載荷沉降曲線,該曲線表明,當(dāng)載荷的水平不斷增加時(shí),樁的下位移情況也出現(xiàn)了明顯的增加,同時(shí)下位移朝向負(fù)方向產(chǎn)生了明顯的增加情況,同時(shí)表明斜率也出現(xiàn)了明顯的增加。
當(dāng)載荷沉降曲線出現(xiàn)了較為明顯的陡變,可以將陡變的起點(diǎn)作為起始極限值,對(duì)于載荷沉降曲線較為緩變的曲線,則應(yīng)當(dāng)將曲線的位移值作為極限值,該極限值下的側(cè)阻力來(lái)自上位移45~65mm之間的載荷數(shù)值,其極限端阻力則對(duì)應(yīng)為下位移45~65之間的載荷數(shù)值。這兩種判定方法能夠決定基樁承載力處于非極限承載值的最大值。
通過(guò)對(duì)某一工程三根軸樁的載荷沉降值進(jìn)行獲取并分析可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)針對(duì)三根樁施加載荷再卸除后所產(chǎn)生的殘余變形數(shù)值處于正常的數(shù)值范圍中。該法通過(guò)樁自身阻力做反力,可以避免龐大的反力裝置,裝置簡(jiǎn)單,省時(shí)省力,并且可以節(jié)約大量費(fèi)用,能在有限的空間內(nèi)較好地開(kāi)展試驗(yàn)檢測(cè)工作。但也存在一些局限性,當(dāng)使用工程樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí),其不能隨機(jī)地進(jìn)行抽樣檢測(cè),在試驗(yàn)過(guò)程加載后形成斷樁,不易處理,若樁底施工質(zhì)量較差,沉渣過(guò)厚,在試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中也不易形成反力,在平衡的確定原則及摩擦力轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值方面也存在一定的經(jīng)驗(yàn)性。
自平衡試樁法其核心原理需要依賴在樁頂以及樁身施加裝置產(chǎn)生作用,這使得該試樁方法的復(fù)雜度較高,常常受到外部因素的影響導(dǎo)致試樁結(jié)果不理想,為了能夠在正式開(kāi)展試樁的過(guò)程中避免出現(xiàn)類似問(wèn)題,提高試樁效果,對(duì)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行如下總結(jié)。
1)平衡點(diǎn)概念是自平衡試樁法的核心要素,因此在進(jìn)行具體的試樁模型測(cè)試過(guò)程中,如何有效的找準(zhǔn)平衡點(diǎn)是重要的難題,所以為了解決該難題,應(yīng)當(dāng)首先進(jìn)行平衡點(diǎn)的預(yù)估工作,通常會(huì)將試驗(yàn)流程中的平衡點(diǎn)位置設(shè)置于假設(shè)或預(yù)估平衡點(diǎn)上方一定距離。采用這種方式設(shè)置的平衡點(diǎn)在開(kāi)展試驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)使得上段樁首先承受極限載荷,當(dāng)上段樁承受的載荷達(dá)到極限位置時(shí),下段樁便因?yàn)檩d荷問(wèn)題無(wú)法移動(dòng),此時(shí)應(yīng)當(dāng)通過(guò)設(shè)置支架來(lái)為上段樁提供避免位移的外力,完成該流程后既可以保證上段樁和下段樁同時(shí)承受極限載荷。在設(shè)置支架的過(guò)程中,如果條件不允許可以采用廢氣梁或者混凝土塊來(lái)承擔(dān)支架的作用。
2)自平衡靜載試驗(yàn)過(guò)程需要將模型中的土體進(jìn)行壓實(shí)操作,在壓實(shí)的過(guò)程中,通常采用重錘夯實(shí)的方法進(jìn)行施工,重錘在擊打土體的過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致上段樁的垂直度發(fā)生變化,隨著夯實(shí)操作的不斷進(jìn)行,上段樁的位移逐漸和下段樁產(chǎn)生了較大的偏移或者錯(cuò)位,這可能導(dǎo)致上段樁出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象,最終影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性??紤]到相關(guān)傳感器和千斤頂基本不存在抵抗偏載的能力,所以隨著上段樁的位移傾斜會(huì)使得千斤頂和壓力傳感器承受更多載荷直至最終損壞。這是在某些自平衡靜載試驗(yàn)的過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)壓力傳感器的數(shù)值突然歸零的問(wèn)題,隨著數(shù)據(jù)采集設(shè)備在讀取數(shù)值的過(guò)程中,油泵的壓力傳感器會(huì)出現(xiàn)靜止不動(dòng)的問(wèn)題,這可能會(huì)被認(rèn)為是千斤頂出現(xiàn)了故障,因?yàn)榍Ы镯斒艿搅似d上端樁的載荷壓力導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)油液歸位的問(wèn)題。
3)自平衡試驗(yàn)過(guò)程中,需要在上段和下段樁各自設(shè)置千斤頂,在進(jìn)行千斤頂?shù)倪x擇過(guò)程中,考慮到常規(guī)千斤頂?shù)淖钚∑矫娉叽绾土砍讨亓恳约靶谐叹嚯x無(wú)法滿足自平衡試驗(yàn)的要求,通過(guò)對(duì)于自平衡試驗(yàn)千斤頂要求較為接近的10t千斤頂進(jìn)行定制,保證其最大行程不低于14mm(標(biāo)準(zhǔn)行程為10mm),同時(shí)為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)錨索以及位移桿的要求,要保證模型樁直徑不得低于8cm。
4)自平衡試驗(yàn)的過(guò)程中,為了實(shí)驗(yàn)的需要要準(zhǔn)備粘貼應(yīng)變片,同時(shí)考慮到應(yīng)變片較低的存活率,需要在數(shù)量上給予更多的保證,同時(shí)對(duì)于與金屬相關(guān)的應(yīng)變片應(yīng)對(duì)其端子先進(jìn)行絕緣處理,混凝土澆筑流程可能會(huì)對(duì)光纖造成破壞作用,所以應(yīng)當(dāng)保證光纖具有更長(zhǎng)的預(yù)留長(zhǎng)度。
5)要事先對(duì)模型樁和模型箱進(jìn)行預(yù)留孔設(shè)置,這樣做的目的是后續(xù)對(duì)模型樁進(jìn)行垂直方向的支撐作用,有時(shí)會(huì)采用吊起模型箱的方式展開(kāi)實(shí)驗(yàn),為了避免受力不均勻發(fā)生擺動(dòng)就需要在預(yù)留孔的設(shè)置過(guò)程中保證其方向和位置的統(tǒng)一性。
6)上段樁和下段樁的千斤頂在加載的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依照加載順序開(kāi)展試驗(yàn),如果加載順序出現(xiàn)錯(cuò)誤,就可能導(dǎo)致樁體所承受的外力不一致,同時(shí)要保證樁身和樁頂在加載過(guò)程中設(shè)置正確的千斤頂加載順序,以及保持二者千斤頂總伸長(zhǎng)量的正確關(guān)系,避免在填土的過(guò)程中出現(xiàn)位移和偏斜。
7)若試驗(yàn)加載過(guò)程未達(dá)到破壞土體的情況下,樁端阻力以及方向的摩阻力能夠得到有效發(fā)揮,在最大加載值狀態(tài)下,以端樁阻力和側(cè)摩阻力作為土層的對(duì)應(yīng)阻力,最終的試驗(yàn)結(jié)果存就會(huì)存在在明顯的誤差。
8)試驗(yàn)設(shè)備保護(hù)措施。在完成載荷箱的埋設(shè)工作之后,應(yīng)當(dāng)對(duì)樁頂?shù)奈灰茥U及其護(hù)管封頭以及高壓油管進(jìn)行有效的保護(hù)。具體的保護(hù)措施應(yīng)當(dāng)包含在進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)通過(guò)人工清理的方式來(lái)開(kāi)展施工禁止采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開(kāi)挖,完成開(kāi)發(fā)之后需要設(shè)定相應(yīng)的警示牌或圍欄來(lái)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。
自平衡法靜載試驗(yàn)作為一種新型樁基檢測(cè)方法,越來(lái)越多的被應(yīng)用到各種建設(shè)項(xiàng)目的樁基檢測(cè)中,為了充分發(fā)揮自平衡法靜載試驗(yàn)的應(yīng)用效果,從而實(shí)現(xiàn)該種試驗(yàn)方法的最大應(yīng)用價(jià)值,相關(guān)人員還需要針對(duì)自平衡法靜載試驗(yàn)進(jìn)行更加全面細(xì)致的分析研究,參考和借鑒自平衡法靜載試驗(yàn)在建筑樁基檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例,以便有效掌握該種檢測(cè)方法具體實(shí)施中的加卸載步驟和數(shù)據(jù)分析。