自平衡法在巖溶地區(qū)基樁檢測中的應(yīng)用

魏偉瓊楊文超徐永旺

（1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點實驗室，貴州 貴陽 550014）

0 引言

近年，樁基礎(chǔ)的應(yīng)用向著載荷大、長度深、用量多、范圍廣的方向發(fā)展，采用傳統(tǒng)的靜載荷（堆載法、錨樁法）來對樁基進行承載力檢測具有檢測成本高、周期長、安全風(fēng)險高等缺點。20世紀80年代中期，美國學(xué)者Osterberg提出了一種新的靜載荷樁基承載力測試法——Osterberg法[1]（自平衡法），該方法對檢測場地要求低，加載簡便，免去了搭建大型反力裝置的繁瑣，測試所需時間短，可多根樁同時檢測，還能同時測出樁的端阻力和側(cè)阻力，自該方法提出后，在國內(nèi)外樁基檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。

結(jié)合貴州省溶巖地區(qū)的甲、乙2個類似工程，分析中風(fēng)化白云巖樁徑尺寸選取的合理性及自平衡測樁法在貴州巖溶地區(qū)的可行性。

1 自平衡法測樁原理

自平衡法靜載試驗核心裝置是荷載箱，該種荷載箱是根據(jù)工程勘察、設(shè)計文件委托專業(yè)廠家專門訂制，并通過計量單位檢驗出廠的。把生產(chǎn)的荷載箱在平衡點與鋼筋籠焊接相連，使之形成一體后放入樁孔內(nèi)，同時將荷載箱上的高壓油管和位移桿（絲）均引到地面，再進行混凝土澆搗即可形成一根試驗樁。達到養(yǎng)護時間后，使用油泵加壓使荷載箱產(chǎn)生壓力，上下兩段樁分別向上向下產(chǎn)生位移，促使樁側(cè)阻力、樁端阻力的發(fā)揮，從而測出整個樁身的抗壓或抗拔承載力。自平衡法測樁原理及安裝示意圖如圖1所示[3]。

圖1 自平衡法測樁原理及安裝示意圖

2 場地工程地質(zhì)

甲乙工程均位于貴州省溶巖地區(qū)，建筑基礎(chǔ)均采用嵌巖樁基礎(chǔ)，持力層巖性均為中風(fēng)化白云巖，場區(qū)均存在不同程度的溶槽、溶溝、石芽等不良地質(zhì)作用發(fā)育。甲、乙工程巖層物理力學(xué)參數(shù)推薦值見表1。

表1 甲、乙工程巖層物理力學(xué)參數(shù)推薦值

3 平衡點計算選擇

3.1 一般嵌巖樁的平衡點計算

甲工程所在區(qū)域為溶巖地區(qū)，樁型為嵌巖樁，樁端置于中風(fēng)化白云巖中，嵌巖段長度為0.5m，豎向極限承載力由樁周土總極限側(cè)阻力和嵌巖段總極限阻力組成[4-5]。公式為：

式中：Quk——單樁豎向極限承載力標準值；

Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力標準值、嵌巖段總極限阻力標準值；

qsik——樁周第i層土的極限側(cè)阻力；

u——樁身周長；

li——樁周第i層土的厚度；

ζr——嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)；

frk——巖石飽和單軸抗壓強度標準值；

Ap——樁端面積；

Qrs、Qrp——分別為嵌巖段側(cè)、端阻力標準值。

一般情況下，平衡點計算應(yīng)遵循的原則是：上段樁的反向摩阻力+上段樁的自重=下段樁的端阻力+下段樁的摩阻力。平衡點的計算原理不復(fù)雜，但在工程實踐中，要精確地計算出平衡點卻不容易，根據(jù)地勘資料結(jié)合規(guī)范計算出來的平衡點誤差難以避免。一般情況下，平衡點滿足在測試過程中上下段樁達到反力平衡即可。針對4種不同工況，根據(jù)公式（1）的基本原理可推導(dǎo)出4個不同的平衡點計算公式：

（1）平衡點位于樁底時

式中：W——樁身自重。

（2）平衡點位于樁身嵌巖段內(nèi)時

式中：Qrk上——平衡點以上嵌巖段側(cè)阻力標準值；Qrk下——平衡點以下嵌巖段側(cè)阻力標準值。

（3）平衡點位于樁身嵌巖段頂部時

（4）平衡點位于樁身非嵌巖段時

式中：Qsk上——平衡點以上嵌巖段側(cè)阻力標準值；

Qsk下——平衡點以下嵌巖段側(cè)阻力標準值；

Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力標準值、嵌巖段總極限阻力標準值；

Qrs、Qrp——分別為嵌巖段側(cè)、端阻力標準值。工程上前2個工況比較常見，后2個工況少見。

基樁靜載試驗的主要目的有：測試出樁的極限承載力，為設(shè)計提供依據(jù)；驗證工程樁是否滿足設(shè)計承載力要求，為驗收提供依據(jù)。前者的試樁目的應(yīng)使基樁端阻力和側(cè)阻力均能充分發(fā)揮，荷載箱的上下段樁能基本同時達到極限狀態(tài)，對平衡點計算選擇精度要求更高。

3.2 試樁平衡點的確定

甲工程基樁嵌入中風(fēng)化白云巖深度為0.5m，從表2可以看出，甲工程設(shè)計者是按樁端承載力來設(shè)計樁徑和樁長的，僅樁端承載力已能滿足單樁的設(shè)計極限承載力。乙工程基樁嵌入中風(fēng)化白云巖深度為2.5～3.0m。甲乙兩工程的測樁目的在于驗證樁基能否滿足設(shè)計承載力，并不需要測試出樁基的單樁極限承載力。試樁所用的荷載箱最大出力為樁基設(shè)計承載力的1.2倍。在計算選擇平衡點時，考慮到樁底的樁端承載力均能滿足設(shè)計承載力的一半以上，故將荷載箱均安置于樁底。

表2 甲乙工程試樁平衡點

分析表2可知，甲3與乙1、乙2的承載力相當(dāng)，但甲3的樁徑是乙1和乙2的1.3倍，樁身截面積約為乙1和乙2的1.8倍，由此可知，合理加大嵌巖樁的入巖深度可以有效提高整個基樁的豎直承載力。在能夠滿足工程上部荷載的條件下，可適當(dāng)縮小樁徑，從而有效節(jié)約工程成本。

4 試驗及結(jié)果

對甲工程5根不同直徑的預(yù)埋荷載箱的基樁（ZK1、ZK24、ZK148、ZK359、ZK398）進行自平衡法靜載荷試驗，測試按《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2014）以及貴州省工程建設(shè)標準《基樁承載力自平衡檢測技術(shù)規(guī)程》（DBJ 52/T079-2016）進行。甲、乙工程試驗現(xiàn)場分別見圖2、圖3，甲、乙工程試樁1的試驗結(jié)果曲線圖分別見圖4、圖5，甲、乙工程自平衡靜載試驗結(jié)果見表3。

表3 甲、乙工程自平衡靜載試驗結(jié)果

圖2 甲工程自平衡靜載試驗現(xiàn)場

圖3 乙工程自平衡靜載試驗現(xiàn)場

圖4 甲工程試樁1的試驗結(jié)果曲線圖

圖5 乙工程試樁1的試驗結(jié)果曲線圖

甲乙兩工程均位于貴州省溶巖地區(qū)，地層巖性類似，樁底持力層均為中風(fēng)化白云巖，具有對比分析和總結(jié)的價值。對比分析認為，甲工程5根試樁位移均很小，位移曲線均處于彈性位移階段，說明上段樁的側(cè)阻力和下段樁的端阻力均遠遠還未發(fā)揮出來，承載力潛力還很大。乙工程與甲工程同樁徑的樁進行對比，乙工程的設(shè)計承載力幾乎是甲工程的2倍。乙工程試樁的上下位移相對適中，但乙1、乙3上下位移差較大，經(jīng)分析是由于荷載箱平衡點選取誤差較大造成的。乙工程樁基承載力尚有一定的潛力，而甲工程設(shè)計偏于保守，可考慮適當(dāng)縮小樁徑，節(jié)省工程成本。

5 自平衡檢測法存在的不足

5.1 對樁本身施工的影響

若采用自平衡法試樁，樁身澆筑前荷載箱與鋼筋籠焊接為一體后一起放入樁孔，荷載箱的存在會對樁身混凝土澆筑時樁底沉渣和浮漿的排出產(chǎn)生一定的阻礙作用，使得部分沉渣和浮漿滯留在荷載箱的下部，這對樁身質(zhì)量帶來負面影響。因此，該處對荷載箱形體改進及樁身施工提出了更高的要求。

5.2 樁身受力機理不足

采用自平衡法試樁，荷載箱在油壓的作用下，將樁身分為上下兩段，上段樁所受的力實際是向下的抗拔摩阻力，這與實際工程上段樁受壓摩阻力是有差異的；另一方面，上段樁上拔的過程會帶起周圍的土體，使樁側(cè)土體圍壓降低。

5.3 試樁代表性不足

抽選的試樁在澆筑前已確定，施工時會有針對性地提高試樁的質(zhì)量，使得試樁代表性不足。

6 結(jié)束語

（1）甲乙工程樁基經(jīng)自平衡法檢測，其豎向抗壓承載力滿足設(shè)計要求，實踐說明自平衡法在巖溶地區(qū)可以廣泛推廣應(yīng)用。

（2）巖溶地區(qū)樁基多采用嵌巖樁，持力層承載力通常較好，采用自平衡法測試單樁承載力時，平衡點（荷載箱安裝點）多設(shè)置于樁底。

（3）巖溶地區(qū)勘探時若存在溶溝溶洞，樁身應(yīng)穿越溶洞（溝），將樁底嵌于溶洞（溝）下部的巖層，樁基多為端承類樁。存在高、大溶洞時應(yīng)采取塊石、混凝土充填或設(shè)置護筒等措施，若采用充填方式，樁身側(cè)阻力易因擴徑而增大，若采用設(shè)置護筒的方式則其溶洞段側(cè)阻力可以忽略不計。

（4）實踐發(fā)現(xiàn)，自平衡檢測法操作過程對樁身受力機理存在認知不足，試樁代表性不足等問題，在這方面值得繼續(xù)探究。