自平衡法樁基檢測(cè)中轉(zhuǎn)換系數(shù)敏感性分析

諶洪菊 CHEN Hong-ju

（廣東惠佳工程檢測(cè)有限公司，惠州 516023）

0 引言

隨著我國(guó)高層建筑的崛起，樁基礎(chǔ)已經(jīng)成為工程建設(shè)一種主流的形式，樁基礎(chǔ)的合理建設(shè)對(duì)實(shí)際工程建設(shè)至關(guān)重要。樁基的承載力檢測(cè)方式有很多種，其中自平衡測(cè)試法在一定程度上解決了承載力檢測(cè)的難題，同時(shí)也給出了自平衡樁基檢測(cè)轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值范圍，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，由于實(shí)際環(huán)境中的不確定性因素，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際荷載施加的平衡點(diǎn)位置取值保守。為此，不斷有學(xué)者開(kāi)展關(guān)于自平衡法樁基檢測(cè)中轉(zhuǎn)換系數(shù)取值的研究。如潘學(xué)忠[1]通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目試驗(yàn)樁進(jìn)行了自平衡法靜載試驗(yàn)分析，并與傳統(tǒng)試樁檢測(cè)方式進(jìn)行對(duì)比，得到對(duì)比結(jié)果，對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。張健[2]等人對(duì)巖溶區(qū)試樁工程案例進(jìn)行分析，采用自平衡法樁基檢測(cè)方式對(duì)樁基承載力進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，由于研究實(shí)際工程的復(fù)雜性，自平衡法不適用于承載力檢測(cè)試驗(yàn)。蔡雨[3]等人研究自平衡檢測(cè)與傳統(tǒng)緊壓樁荷載的傳遞規(guī)律的差異以及形成的原因，通過(guò)花崗巖殘積土進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析得到荷載的傳遞規(guī)律。本文通過(guò)實(shí)際的工程案例進(jìn)行分析，對(duì)自平衡法樁基檢測(cè)轉(zhuǎn)換系數(shù)的敏感性進(jìn)行了詳細(xì)研究，本文的研究成果可為今后的工程設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

1 工程概況

本次研究以江西省南昌市某校園擴(kuò)建教學(xué)樓工程為例，該建筑為框架結(jié)構(gòu)，共7 層，其中地下2 層，地上5 層，總高度為20.45m。考慮到上部結(jié)構(gòu)載荷對(duì)基樁的整體需求，本建筑結(jié)構(gòu)共涉及286 根樁，主要分為抗壓樁和抗壓、抗拔樁兩種，其中抗壓樁有110 根，抗壓、抗拔樁有176根。所有樁設(shè)計(jì)樁徑為800mm，樁長(zhǎng)為9.0～17.6m。該工程場(chǎng)地的地質(zhì)從上至下依次為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，土體具體參數(shù)如表1 所示。

表1 土體參數(shù)建議值

2 試驗(yàn)研究及分析

本文主要選取典型樁558#進(jìn)行研究，該樁設(shè)計(jì)樁徑為800mm，樁類型為自平衡試樁，樁長(zhǎng)約為11.70m，設(shè)計(jì)承載力特征值抗壓為4500kN，荷載箱頂?shù)咨w直徑為690mm。

試驗(yàn)檢測(cè)前，首先預(yù)估自平衡試樁平衡點(diǎn)所在位置，并預(yù)先將荷載埋在平衡點(diǎn)位置處，本次設(shè)計(jì)的荷載箱采用自平衡試樁上下兩部分進(jìn)行加載。當(dāng)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，載荷箱內(nèi)部通過(guò)油泵進(jìn)行加壓，上下樁同時(shí)施加荷載，通過(guò)荷載傳感器對(duì)平衡點(diǎn)處的荷載箱施加的荷載進(jìn)行采集，采用兩個(gè)位移傳感器分別獲取上段樁的樁底位移和下段樁的樁底位移。

對(duì)558#樁承載力現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制相應(yīng)的Q-s 曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 558# 樁承載力試驗(yàn)的Q-s 曲線圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的558#樁承載力試驗(yàn)圖如圖1 所示，當(dāng)平衡點(diǎn)處的施加載荷為4600kN 時(shí)，達(dá)到預(yù)定的荷載值，這時(shí)停止荷載施加，上樁段沉降位移為7.04mm，而下樁段位移為10.21mm，根據(jù)圖1Q-s 曲線可以看出該曲線為緩變型，卸載后，上段樁最大回彈量達(dá)到3.86mm，下樁段最大回彈量為6.22mm。

3 有限元模擬分析

3.1 模型建立與簡(jiǎn)化

對(duì)教學(xué)樓的典型樁558#樁進(jìn)行模擬，由于土層分布的復(fù)雜性，在進(jìn)行分析時(shí)，需要進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，根據(jù)具體的工程現(xiàn)狀，本工程建筑具有兩層地下結(jié)構(gòu)，地下室平面自上而下土層為淤泥粉質(zhì)黏土、粗砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，相關(guān)土體參數(shù)見(jiàn)表1。

本次分析典型樁558#樁選用彈性模型，土的材料選用摩爾庫(kù)倫模型，由于存在邊界效應(yīng)，為了避免邊界效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本次設(shè)計(jì)將邊界的寬度設(shè)為8m、深度23m、樁徑0.8m、上段樁長(zhǎng)度8.2m、下段樁長(zhǎng)度2.8m。采用Plaxis 3d 軟件建模分析，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)傳統(tǒng)壓樁進(jìn)行模擬，加載過(guò)程分為25 步，每一級(jí)施加荷載1kN，得到荷載位移曲線，從而得到轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值范圍。

3.2 工程樁荷載沉降位移分析

通過(guò)Plaxis 3d 對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，樁558#荷載位移對(duì)比圖如圖2 所示。在同樣條件下，當(dāng)施加4600kN 荷載，數(shù)值模擬上段樁位移為8.85mm，下段樁位移為-10.85mm；而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)上段樁位移為7.04mm，下段樁位移為-10.21mm。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)值小于數(shù)值模擬值，但其呈現(xiàn)的趨勢(shì)一致，經(jīng)過(guò)模擬分析后結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)接近，因此，該模擬結(jié)果同樣適用于工程應(yīng)用中。

圖2 樁558# 荷載位移對(duì)比圖

4 不同因素對(duì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響分析

4.1 轉(zhuǎn)換系數(shù)與粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ 的關(guān)系

采用Plaxis 3d 進(jìn)行有限元計(jì)算，在同樣的條件下，分別對(duì)比粘聚力c 為16.0kPa、19.0kPa、22.0kPa、25.0kPa 和28.0kPa，內(nèi)摩擦角為15.3°、18.3°、21.3°、24.3°、和27.3°，一共分為10 種不同的工況，得到10 種工況下各個(gè)荷載級(jí)對(duì)應(yīng)的沉降位移，如圖3 所示。可以看出自平衡法樁基檢測(cè)的Q-s 曲線幾乎沒(méi)有太大的差異，因此，粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)自平衡法樁基檢測(cè)中轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響較小。

圖3 自平衡試樁Q-s 對(duì)比圖

4.2 轉(zhuǎn)換系數(shù)與樁土剛度比Ep/Es 的關(guān)系

在同樣的情況下，對(duì)比樁土剛度比Ep/Es 為5604、4133、3274、2710 和2312，一共分為5 種不同的工況，得到5 種工況下各個(gè)荷載級(jí)對(duì)應(yīng)的沉降位移，如圖4 所示。隨著樁土的剛度比的增大，轉(zhuǎn)換系數(shù)也隨之增大。通過(guò)等效位移對(duì)比的方法，得到轉(zhuǎn)換系數(shù)γ 的取值分別為0.87、0.89、0.91、0.92、和0.92。

圖4 自平衡試樁荷載位移對(duì)比圖

4.3 轉(zhuǎn)換系數(shù)與樁徑比1/d 的關(guān)系

根據(jù)實(shí)際工程現(xiàn)狀，模擬樁的長(zhǎng)度為11.7m，在其他控制參數(shù)不變的情況下，樁徑比分別為12.32、13.00、13.76、14.63 和15.60，一共5 種工況。由于樁徑比的不同，各個(gè)荷載級(jí)的應(yīng)力也是不同的。

根據(jù)圖5 所示，隨著樁徑比的增大，在同一荷載級(jí)下下段樁的沉降位移出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而上段樁隨著樁徑比增大，上段樁的沉降位移出現(xiàn)減小趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算自平衡樁試驗(yàn)的等效位移，得到各樁剛度比下的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.83、0.85、0.86、0.87 和0.89，并且隨著樁徑比的增大，轉(zhuǎn)換系數(shù)也隨著增大。

圖5 自平衡試樁荷載位移對(duì)比圖

4.4 轉(zhuǎn)換系數(shù)與平衡點(diǎn)位置的關(guān)系

平衡點(diǎn)位置的確定對(duì)于自平衡樁基檢測(cè)有較大的影響，在自平衡模擬樁其他參數(shù)不變的情況下，自平衡樁基檢測(cè)設(shè)置平衡點(diǎn)的位置分別為2.0m、2.4m、2.8m、3.2m 和3.6m，經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算，得到各平衡點(diǎn)下的沉降位移對(duì)比圖如圖6 所示。從圖中可以看出，平衡點(diǎn)位置離樁底的距離越長(zhǎng)，同一荷載級(jí)的上段樁的沉降位移會(huì)出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而同一荷載級(jí)的下段樁的沉降位移會(huì)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖6 自平衡試樁荷載位移對(duì)比圖

對(duì)比圖6 計(jì)算得到各個(gè)平衡點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值分別為0.89、0.88、0.87、0.86、0.84，并且隨著平衡點(diǎn)位置距離樁底的位置越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值越小。

5 結(jié)論

本文以具體的工程實(shí)例，基于有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)兩種方式分析了自平衡檢測(cè)樁和傳統(tǒng)靜壓樁的模型試驗(yàn)，通過(guò)等效位移曲線對(duì)比方法得到其轉(zhuǎn)換系數(shù)，并研究了不同因素對(duì)于轉(zhuǎn)換系數(shù)取值的影響，得到以下結(jié)論：

①通過(guò)Plaxis 3d 對(duì)自平衡檢測(cè)和傳統(tǒng)靜壓樁試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)值略小于數(shù)值模擬值，但其呈現(xiàn)的趨勢(shì)一致，數(shù)值模擬的可靠性得以驗(yàn)證。

②通過(guò)自平衡樁基檢測(cè)試驗(yàn)，將等效位移曲線對(duì)比得到轉(zhuǎn)換系數(shù)，分析了不同影響因素對(duì)于轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響：結(jié)果表明，粘聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)自平衡法樁基檢測(cè)中轉(zhuǎn)換系數(shù)取值的影響較?。浑S著樁土的剛度比、樁徑比的增大，轉(zhuǎn)換系數(shù)也隨之增大；平衡點(diǎn)位置距離樁底的距離越近，其轉(zhuǎn)換系數(shù)也就越大。