自平衡試樁技術在軟土地質下鉆孔灌注樁中的應用

肖先波

（湖州職業技術學院 湖州 313000）

1 引言

樁的靜載試驗是確定單樁承載力最可靠的方法，單樁承載力越高，對靜載荷試驗的堆載或反力系統的能力的要求也越高，而且使試驗費用急劇增加；對大直徑樁，其承載力很高，傳統的靜載試驗往往無法得到準確的承載力數據，甚至無法實現樁基靜載試驗。一種簡便易行的較經濟的且能給出完整的靜載試驗結果的測試方法——自平衡靜載試驗法[1]，取得了良好的效果。

2 測試原理

自平衡靜載試驗法的基本原理是利用試樁自身反力平衡，根據上段樁的摩阻力與下段樁摩阻力和樁端阻力之和相等的原理，在上、下段樁之間設置荷載箱，通過荷載箱對上、下段樁施加荷載，從而依據施加的荷載，推算獲得單樁承載力。該方法的關鍵之一是根據荷載箱所施加荷載大小與向上、向下位移的唯一對應關系，可得上、下樁段的Q～S曲線，從而將上段樁的極限抗托承載力經修正后轉換為極限抗壓承載力，與下段樁承載力相加，得到單樁的極限承載力[2]。

荷載箱的埋設位置是根據地質報告進行計算后確定的，原則是：荷載箱放在樁身平衡點處，使上、下段樁的承載力相等以維持加載。3根試樁荷載箱的擺放位置詳見圖1。自平衡試驗的位移測量包括樁頂位移、荷載箱上位移和荷載箱下位移，位移測量設備為位移傳感器或高精度大量程百分表。所有測量器具均應經法定計量單位檢定，且滿足測量誤差不大于0.1%FS，分辨力優于或等于0.01 mm。樁頂位移測量與傳統靜載荷試驗位移測試方法一致，利用位移傳感器或百分表直接測量即可。

圖1 自平衡測試系統圖

3 自平衡法在軟土地質中的應用

3.1 工程地質概況

地貌上屬杭嘉湖平原區的湖海積平原地貌單元。場地原為水塘及稻田，現場地已回填，場地總體呈東高西低，地面高程約2.90～3.65m，地下有供水管道及污水管道。地基土共劃分為6個巖土工程層，其中③層細分為兩個亞層，并含一夾層，⑥層細分為兩個亞層。

3.2 施工情況

本工程所測3根試樁是浙江省地球物理技術應用研究所承擔基樁靜載試驗任務。現場測試工作于2008年3月3日～3月6日完成。經過一年多的使用觀察，淺樁工程完全滿足上部結構荷載的承重要求。擬建的湖州市進出口有限公司生產項目大樓基礎采用鉆孔灌注樁，所測3根試樁樁長在52.0m～54.0m之間。

表1 場地主要力參數

3.3 加載裝置

本次試驗采用自平衡法。其主要裝置是一種特制的荷載箱，在基樁成孔之后，將荷載箱埋設在樁端或樁身設計的位置上，依靠荷載箱上部樁的摩阻力、樁重與荷載箱下部樁的摩阻力、端阻力提供的反力，達到平衡。通過試驗參數，可以推算出單樁承載力。加載時，從樁頂由高壓油泵通過輸油管對荷載箱內腔施加壓力，荷載箱箱蓋、箱底同時被推開，產生位移，荷載逐次傳遞給試樁。本次試驗采用慢速加載法進行荷載試驗。

3.4 計測裝置

荷重測定：采用油壓表測控加載量。沉降量測定采用精度為1/100mm，最大量程為50mm的4只百分表（荷載箱底、箱蓋的位移棒上各裝2只），對稱設置在樁頂兩側，通過靜止的基準樁、基準梁作為靜態參照物，以測量單樁在不同荷載作用下的位移量。試驗標準和方法分為以下四個方面：分級加載、位移觀測、終止加載條件、卸載。

4 承載力評定標準

試驗成果評述：

4.1 試驗成果

在各級荷載作用下，試樁的靜載試驗原始記錄匯總，并根據試驗結果編繪的曲線見14#、26#、65#樁Q－S曲線圖所示。

（1）根據位移隨荷載的變化特征確定極限承載力，對于陡變型Q-S曲線，取Q-S曲線發生明顯陡變的起始點。

（2）對緩變形Q-S曲線，按位移值確定極限值，極限側阻取對應于向上位移S上=40～60mm對應的荷載；極限端阻取S下=40～60mm對應荷載，或大直徑的S下=(0.03～0.06)D(D為樁端直徑，大樁徑取低值，小樁徑取高值)的對應荷載。

圖2 Q-S曲線圖

（3）根據位移隨時間的變化特征確定極限承載力，下段樁取S-1gt曲線尾部出現明顯向下彎曲的前一級荷載值，上段樁取S-1gt曲線尾部出現顯向上彎曲的前一級荷載值，見65#樁S-1gt曲線圖。

圖3 S-1gt曲線圖

4.2 轉換系數分析

（1）分別求得上、下段樁的極限承載力QU上、QU下，然后考慮樁自重影響，得出單樁豎向抗壓極限承載力為：

式中：W——荷載箱上部樁自重；轉換系數取1.25～1.4。

（2）根據壓樁和托樁受力機理的不同，在相同外荷載作用下，壓樁和托樁的位移值不同，計算所得的荷載沉降曲線也不同，“按照托樁的Q+～S+曲線找出與位移S-i對應的Q+i，由此可以得到一系列點(Q+i，S-i)，i=1，2，…，n，將這些點光滑相連得到本文的計算轉換曲線如圖4所示，若與堆載壓樁測得的QS曲線較吻合，說明k的取值較準確；反之，則不準確。

圖4 Q-S曲線與轉換曲線

(3)k值影響分析：自平衡測試頂樁負摩阻力大于拔樁時的負摩阻力，同時考慮樁身軸向變形的影響(壓樁大于頂樁)，將上述系數適當提高后可取壓樁正摩阻力與自平衡負摩阻力的比值為0.6～0.8。建議根據工程地質情況k值取用范圍為1.25～1.6(根據樁端土強度對樁側阻力的增強效應，樁側土層相同，樁端土強度越高k取值越大)。本工程三根樁荷載箱擺放在樁底，樁底位于中風化花崗巖層，轉換系數取1.25～1.4。另外，如果對于采用泥漿護壁的鉆孔灌注樁，當泥漿過稠時在樁身表面形成“泥皮”，剪切滑動面將發生在泥皮內，對此種情況可忽略正負摩阻的差異，將綜合轉換系數取值為1.00。

（4）承載力推定：根據托樁的承載力與壓樁的承載力之間的轉換系數，上述的評定標準及公式，通過現場實測資料驗證，推定試樁的單樁豎向極限承載力參數如表2。

表2 試樁單樁豎向極限承載力參數表

5 樁底托樁的承載特性與樁頂壓樁的承載特性

據Q～S曲線可以確定極限荷載和極限沉降量以及不同荷載時的沉降量。從荷載傳遞機理的角度分析，樁底托樁的承載特性與樁頂壓樁的承載特性顯然是不同的[3]，具體表現在以下方面[7-10]:(1)樁底托樁過程中，樁頂部存在臨空面，使得托樁的摩阻力下降較多；而樁頂壓樁時，由于樁端土層對下部土的約束加強作用，壓樁時摩阻力下降較小。(2)樁頂壓樁時，在荷載作用下樁身產生彈性壓縮，樁身側向膨脹，使得樁周土體中徑向應力σr增大，通常認為摩阻力τ＝c+σrtanφ(φ為摩擦角)，于是引起樁側摩阻力的增加。由于臨空面的存在，使得樁底托樁時樁側摩阻力的增加較小。所以，壓樁的正側摩阻力一定大于托樁的負側摩阻力。(3)從受力力學機理分析，托樁的承載力由負側摩阻力和樁身有效自重組成，而壓樁的承載力由正樁側摩阻力和樁端阻力組成。綜合托樁的受力特點，其破壞形式更接近于摩擦形式。

6 自平衡試驗影響

（1）自平衡加載方式下荷載箱上下樁段存在相互影響，其影響程度因樁土參數而異。

（2）上下段樁位移影響量隨下段樁樁周土體彈性模量的增加而減少，隨上段樁樁周土體彈性模量的增加而減少，隨著樁長徑比的減少而增加。

（3）隨著荷載等級的增加，上下段樁位移影響量非線性同步增加，但其影響率大幅度下降。下段樁由于受到樁側、樁端土的約束，隨荷載等級的增加先增加而后減小且上段樁對其影響明顯減弱。

（4）對于實際工程需求精度而言，上下樁段間的位移影響量很小，并不影響單樁極限承載力的判定，故試驗轉換分析時可將其忽略。

7 結論

（1）在復雜地質條件下或大直徑樁基靜載試驗中，自平衡加載試驗是一種安全、高效的基樁承載力測試方法，其結果的準確性已得到大量工程試驗的驗證，具有良好的應用前景。

（2）14#試樁、26#試樁、65#試樁在各自最大試驗荷載作用下，Q-S曲線呈緩變型，位移量均小于40mm；S-1gt曲線沉降間隔逐級增大，最后一級曲線未下彎。根據規范，其單樁豎向抗壓極限承載力取值分別取為8290kN、10500kN、6304kN。

通過對本工程推定3根試樁的現場單樁豎向自平衡法靜載試驗，淺樁的承載力滿足要求。

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