深層巖基載荷試驗(yàn)在大荷載端承樁的應(yīng)用

張立業(yè)

（深圳市福田建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

巖基承載力是巖基及基礎(chǔ)工程的重要設(shè)計(jì)依據(jù)[1]，也是工程實(shí)踐中較為關(guān)注的問(wèn)題，尤其是花崗巖、灰?guī)r等硬巖的巖基承載力問(wèn)題。由于硬巖具有特殊性，規(guī)范所建議的方法往往不能完整真實(shí)地反映其承載力特征，這就導(dǎo)致在使用該方法確定的硬巖巖基承載力時(shí)，在巖基處理或基礎(chǔ)工程的成本大大增加，尤其是深層巖基的大荷載端承樁。因此，需要通過(guò)深層巖基載荷試驗(yàn)[2]，獲取深層巖基承載力的變化規(guī)律，為建筑施工提供可靠、有效的參考依據(jù)[3]。但是以硬巖（花崗巖、灰?guī)r等）為持力層的端承樁，因單樁承載力設(shè)計(jì)值很大，堆載法或堆錨法靜載試驗(yàn)往往代價(jià)很大且不安全，巖基載荷試驗(yàn)是解決巖石地基承載力替代方法之一，往往用于確定嵌巖人工挖孔樁等顯性工程。因此，為提高深層巖基的大荷載端承樁承載力的變化規(guī)律的準(zhǔn)確性，針對(duì)上述問(wèn)題，研究了深層巖基載荷試驗(yàn)在大荷載端承樁的應(yīng)用。

1 大荷載樁基的靜載試驗(yàn)替代方案

巖基承載力取值的合理與否關(guān)系到建筑設(shè)計(jì)的合理性、安全性及經(jīng)濟(jì)性。許多年來(lái)，巖土工程師們對(duì)地基及基礎(chǔ)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，取得了許多重大的成果，也積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)。但是為了深入分析大荷載樁基的靜載試驗(yàn)，研究大荷載樁基的靜載試驗(yàn)替代方案。單樁承載力超過(guò)10000 kN 屬于大載荷樁，當(dāng)樁端持力層為硬巖時(shí)（≥30MPa），單樁承載力主要由持力層供獻(xiàn)，側(cè)阻摩可忽略。由于單樁承載力大，直接采用堆載或堆錨靜載試驗(yàn)代價(jià)大且不安全，因此一些地方規(guī)范可以采用替代方案。例如深圳SJG-09-2015 規(guī)定，當(dāng)抗壓樁單樁承載力特征值大于10000kN 時(shí)，不利于采用常規(guī)靜載方法，可根據(jù)GB 50007—2011 采用深層平板載荷試驗(yàn)、巖基載荷試驗(yàn)或小直徑樁3種替代方法。這3 種方法均避免了大加載量試驗(yàn)的大代價(jià)和安全問(wèn)題，其通過(guò)間接方式獲得單樁承載力。因此，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)深層巖基載荷試驗(yàn)，分析大荷載端承樁的巖基載荷。

2 深層巖基載荷試驗(yàn)的思路

研究對(duì)象的工程樁基設(shè)計(jì)提出，如果采用間接試驗(yàn)方法測(cè)持力層強(qiáng)度，就不可以不考慮側(cè)阻按端承樁設(shè)計(jì)。因此，選擇基載荷試驗(yàn)是唯一合適的方法。試驗(yàn)的難度在于如何獲得穩(wěn)定的試驗(yàn)反力和解決水下載荷板傳力問(wèn)題。該文以此為深層巖基載荷試驗(yàn)的主要思路，詳細(xì)分析試驗(yàn)反力問(wèn)題和試驗(yàn)反力問(wèn)題，分析結(jié)果如下所述。

2.1 試驗(yàn)反力問(wèn)題

由于巖基載荷試驗(yàn)僅測(cè)試巖石抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)應(yīng)屏蔽巖土側(cè)阻等干擾，其結(jié)果符合端承樁的工作性質(zhì)。因此，選擇自平衡法不僅解決了反力問(wèn)題，同時(shí)降低了檢測(cè)成本。

該試驗(yàn)項(xiàng)目位于廣東南部，設(shè)計(jì)抗壓樁為1200 mm 嵌巖灌注樁，入巖1 m，水下C40 砼，單樁承載力設(shè)計(jì)值預(yù)計(jì)》10000 kN/根，或按樁身強(qiáng)度取值?？辈靾?bào)告揭示，樁端持力層巖面為中風(fēng)化及微風(fēng)化燕山期花崗巖或構(gòu)造混合花崗巖，根據(jù)巖土試驗(yàn)，中風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度20 MPa，微風(fēng)化強(qiáng)度40 MPa。點(diǎn)荷載試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值接近30 MPa，考慮到在有側(cè)限條件下進(jìn)行巖基載荷試驗(yàn)，取試驗(yàn)強(qiáng)度特征值11000 kN。

由于巖基載荷試驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，因此，根據(jù)研究目的，統(tǒng)一采用300 mm圓形載荷板，并且取較大安全系數(shù)（S=3） 。同時(shí)，根據(jù)勘察報(bào)告得知，中風(fēng)化花崗巖巖石特征值約為11000 kPa，可以根據(jù)特征值獲取最大加載值。

最大加載值=11000×3×0.071=2340 kN

按嵌巖段1 m 的嵌固力計(jì)算反力。

1200 工程樁抗拔特征值計(jì)算：20000×1.2×3.14×0.7×0.8=1688 kN，極限值約3380kN，該值大于最大加載值2340kN，可滿足反力需求（廣東規(guī)范，抗拔折減系數(shù)0.7，灌注樁工藝系數(shù)0.8）。

2.2 載荷板傳力問(wèn)題

在隱蔽工程條件下難以形成平整巖面，旋挖樁清渣鉆（截齒筒鉆）的孔底模型，一般為帶齒溝的平面（圖1），其槽溝與脊落差約2cm～3cm。采用厚墊層方案較好解決板-巖傳力問(wèn)題。墊料選擇荷墊層側(cè)限。

圖1 帶齒溝巖面

在選擇厚墊層的墊料時(shí)，需要具備較好的流動(dòng)性，在加壓工程中，便于調(diào)整密度，保證填充凹槽的密實(shí)性。因此，以1 mm 粒經(jīng)圓化鋼砂作為墊料。

3 試驗(yàn)的條件與過(guò)程

根據(jù)自平衡法的原理，在樁身平衡點(diǎn)位置設(shè)置荷載箱，通過(guò)油泵對(duì)荷載箱加壓，使其垂直上升，由此計(jì)算荷載箱上部承載力和下部承載力。自平衡測(cè)樁法的核心裝置就是荷載箱。以嵌巖段的樁巖黏結(jié)力形成反力，樁端埋置荷載箱。對(duì)持力層巖層進(jìn)行巖基載荷試驗(yàn)。因此，如何解決載荷板與巖面的緊密接觸是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵，以此為關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程，該過(guò)程采用的自平衡法是通過(guò)荷載箱完成的。

3.1 荷載箱設(shè)計(jì)

采用載荷板300 mm 的單箱荷載箱并且設(shè)計(jì)高30 mm 的盛砂槽，在荷載箱底部配上2mm 鋼砂，考慮密封效果，在密封處打上密封膠，同時(shí)增加了3mm 厚度的硅膠板。根據(jù)試驗(yàn)強(qiáng)度特征值和安全系數(shù)計(jì)算最大加載值，該值為2340kN并且為了保證單箱荷載箱的功能性，單箱荷載箱底部制作成圓形，即直徑為300 mm 的圓形底。同時(shí)，荷載箱配置模擬式指示器，可以及時(shí)跟蹤顯示所施加的力值。

3.2 荷載箱安裝

考慮測(cè)試點(diǎn)的平整性，在安裝荷載箱前，在樁鋼筋籠最底端澆注混凝土，混凝土的強(qiáng)度為C30，每立方米所需要加入的水、水泥、沙子、石子的質(zhì)量分別為175kg、343kg、621kg、1261kg，比例為0.51 ∶1 ∶1.81 ∶3.68，確保放置荷載箱位置平整后，將充滿砂的荷載箱安裝在樁鋼筋籠最底端并按常規(guī)下籠，將荷載箱的加油管和位移棒從大荷載端承樁體引到地面，然后灌注成樁，使荷載箱與大荷載端承樁融為一體。在安裝過(guò)程中，由于引出沉降位移量的鋼筋與加油管鄰近，因此將荷載箱的加油管處使用內(nèi)徑40 mm 的鋼管進(jìn)行保護(hù)。

3.3 試驗(yàn)的儀器設(shè)備

采用武漢沿海RS-JYE 型號(hào)靜載荷測(cè)試分析儀，調(diào)用巖基載荷試驗(yàn)檢測(cè)程序。液壓加載裝置自動(dòng)補(bǔ)償壓力。

3.4 試驗(yàn)過(guò)程

表1 巖基載荷試驗(yàn)成果表

試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別命名為SZ1、SZ2 和SZ3 試驗(yàn)點(diǎn)。荷載箱通過(guò)油泵加壓加載，使樁體內(nèi)部產(chǎn)生加載力，當(dāng)荷載箱內(nèi)的油缸受到油壓后開始運(yùn)作，隨著內(nèi)部壓力的提升，荷載箱整體發(fā)生位移變化，同時(shí)向上和向下對(duì)樁體施加作用力，荷載箱沿垂直力軸同時(shí)向上及向下運(yùn)行，上下樁段受到力的推動(dòng)產(chǎn)生彈性或塑性變形，樁側(cè)阻力和樁端阻力逐步形成。通過(guò)位移傳感器對(duì)裝在荷載箱上的位移棒測(cè)得試驗(yàn)沉降量，通過(guò)力傳感器獲取作用力。其中，沉降量加載后立即讀數(shù)，以后每10min 讀數(shù)1 次，所有數(shù)據(jù)均連續(xù)3 次讀數(shù)并且數(shù)據(jù)之差小于0.01mm 時(shí)，取3 次數(shù)據(jù)的均值為該時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)上述試驗(yàn)過(guò)程獲取的數(shù)據(jù)并且繪制成圖，對(duì)比分析3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的Q-s、s-lgt曲線。

Q-s、s-lgt曲線分析，分別分析SZ1、SZ2 和SZ3 試驗(yàn)點(diǎn)，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的Q-s、s-lgt曲線如圖2、圖3 和圖4 所示，表2、表3 和表4 分別代表SZ1#Q-s、s-lgt曲線的數(shù)據(jù)、SZ2#Q-s、s-lgt曲線的數(shù)據(jù)和SZ3#Q-s、s-lgt曲線的數(shù)據(jù)。

圖2 SZ1# Q-s、s-lgt 曲線圖

圖3 SZ2# Q-s、s-lgt 曲線圖

表2 SZ1# Q-s、s-lgt 曲線圖

表3 SZ2# Q-s、s-lgt 曲線圖

表4 SZ3# Q-s、s-lgt 曲線圖

圖4 SZ2# Q-s、s-lgt 曲線圖

4 試驗(yàn)的結(jié)果分析

這次試驗(yàn)共測(cè)得3 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于隱蔽工程條件的靜載試驗(yàn)采用了較厚墊層，因此試驗(yàn)中出現(xiàn)一定的曲線異常情況，下面進(jìn)行分析。

4.1 巖基載荷試驗(yàn)成果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)可知，3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的壓板面積比、最大試驗(yàn)荷載、嵌巖深度、最大換算強(qiáng)度、安全系數(shù)和承載力特征值均達(dá)到建筑施工的質(zhì)量要求并且設(shè)置了不同的試驗(yàn)巖面標(biāo)高，分別為41.50m、38.50m 和43.00m，對(duì)應(yīng)SZ1、SZ2 和SZ3 試驗(yàn)點(diǎn)，而沉降量對(duì)應(yīng)值分別為15.88mm、38.79mm、9.88mm。

4.2 預(yù)壓和試驗(yàn)曲線頭部問(wèn)題

因采用厚墊層，試驗(yàn)采取預(yù)壓措施，使載荷板盡可能地處于啟動(dòng)狀態(tài)。預(yù)壓壓力不超過(guò)第一級(jí)加載值80%，維持5min 歸零開始試驗(yàn)。

分析Q-s曲線數(shù)據(jù)可知，隨著最大試驗(yàn)荷載Q增加，沉降量s也逐漸增加，其中SZ2 測(cè)試點(diǎn)的沉降量最高，該數(shù)值達(dá)到了38.79mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SZ3 測(cè)試點(diǎn)的沉降量9.88 mm 并且3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的初始階段均出現(xiàn)了一定的緩坡現(xiàn)象。頭部往往出現(xiàn)類似摩擦樁的緩坡段現(xiàn)象。但是上述施工對(duì)試驗(yàn)結(jié)果是安全的。

4.3 s-lgt 曲線的異常

根據(jù)圖2～圖4 和表2～表4 數(shù)據(jù)可知，s-lgt曲線存在一定的異常情況。3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的本級(jí)沉降s隨著最大試驗(yàn)荷載Q的增加而出現(xiàn)一定的波動(dòng)，波動(dòng)情況較小。其中，SZ1#s-lgt在2340 kN 荷載時(shí)，其本級(jí)沉降最高，達(dá)到了2.46mm，最低沉降量為0.48mm，發(fā)生在468kN 荷載，SZ2#s-lgt當(dāng)荷載為1872 kN 時(shí)，其本級(jí)沉降最高，達(dá)到5.18 mm，最低沉降量為1.28 mm，發(fā)生在荷載為468 kN 的時(shí)候，SZ3# s-lgt在荷載為2106 kN 時(shí)，其本級(jí)沉降最高，達(dá)到1.57 mm，最低沉降量為0.68 mm，發(fā)生在荷載為702 kN 時(shí)。由于巖基載荷試驗(yàn)的穩(wěn)定量非常?。?.01mm/30s），在加載過(guò)程中隨載荷量增加，高壓段有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多次假破壞模式，大大加長(zhǎng)了穩(wěn)定的過(guò)程（如試驗(yàn)2 第8 級(jí)）。這是鋼砂墊層的不重新固結(jié)的表現(xiàn)。因此，最終變形量大于巖石的實(shí)際變形量，結(jié)果是偏安全的。

4.4 墊層厚度不夠的表現(xiàn)

2 號(hào)試驗(yàn)樁，墊層鋼砂灌入量相對(duì)少（約2/3）。其在第9 級(jí)有一段極難穩(wěn)定的過(guò)程（見圖SZ2#Q-s、s-lgt曲線圖），近9h 的不斷修正，但是最終仍通過(guò)試驗(yàn)，說(shuō)明旋挖鉆頭截齒形成的底脊差較大（圖1），墊層砂量不足造成局部脊被被載荷板壓到。

5 結(jié)論

為了提高深層巖基載荷試驗(yàn)在大荷載端承樁的應(yīng)用效果，筆者深入研究深層巖基載荷試驗(yàn)，分析了Q-s曲線、s-lgt曲線。從本次試驗(yàn)結(jié)果分析可知，Q-s曲線主線段接近線性，曲線頭部有緩坡，這表明利用自平衡方法和厚墊層解決了反力、載荷板向基巖傳力的問(wèn)題。曲線基本符合巖石彈性變形特征，但是厚墊層在不斷加壓的過(guò)程中，對(duì)曲線會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。但對(duì)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)是安全的，即干擾因素的影響程度較小。該文將對(duì)試驗(yàn)所獲經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明，希望通過(guò)該方法為大荷載端承樁的原位測(cè)試方法提供多種選擇。